通信课设报告

1、洛 阳 理 工 学 院课 程 设 计 报 告 课程名称 通信原理 设计题目 语音信号PCM系统的实现与测试 专 业 通信工程 班 级 B110510 学 号 B11051023 姓 名 强 露 完成日期 2013.12.31. 课 程 设 计 任 务 书设计题目： 语音信号PCM系统的实现与测试 设计内容与要求：设计内容：1.从wav文件中提取语音信号，通过A律压扩编码，并转换成8位串行数据发送；2.信道中混有高斯噪声；3.接收信号转换成7位并行数据，并A律压扩译码，再恢复成8位并行数据，生成新的wav文件；设计要求：1.独立完成语音信号PCM系统；2.通过短时wav文件测试仿真系统；3.分析

2、A律编码前后语音信号频谱的变化。 指导教师： 刘庆伟 2013年12月16日课 程 设 计 评 语 成绩： 指导教师：_ 年 月 日洛 阳 理 工 学 院 课 程 设 计 报 告一PCM系统原理1.1PCM基本概念PCM即脉冲编码调制，在通信系统中完成将语音信号数字化功能。PCM的实现主要包括三个步骤完成：抽样、量化、编码。分别完成时间上离散、幅度上离散、及量化信号的二进制表示。根据CCITT的建议，为改善小信号量化性能，采用压扩非均匀量化，有两种建议方式，分别为A律和律方式，我国采用了A律方式，由于A律压缩实现复杂，常使用13 折线法编码。1.2PCM原理框图非均匀量化PCM编码示意图如图1

3、所示：图1 PCM编码示意图(a) 抽样所谓抽样，就是对模拟信号进行周期性扫描，把时间上连续的信号变成时间上离散的信号。该模拟信号经过抽样后还应当包含原信号中所有信息，也就是说能无失真的恢复原模拟信号。它的抽样速率的下限是由抽样定理确定的。(b) 量化从数学上来看，量化就是把一个连续幅度值的无限数集合映射成一个离散幅度值的有限数集合。如图2所示，量化器Q输出L个量化值，k=1，2，3，L。常称为重建电平或量化电平。当量化器输入信号幅度落在与之间时，量化器输出电平为。这个量化过程可以表达为：这里称为分层电平或判决阈值。通常称为量化间隔。图2 模拟信号的量化模拟信号的量化分为均匀量化和非均匀量化。

4、由于均匀量化存在的主要缺点是：无论抽样值大小如何，量化噪声的均方根值都固定不变。因此，当信号m(t)较小时，则信号量化噪声功率比也就很小，这样，对于弱信号时的量化信噪比就难以达到给定的要求。通常，把满足信噪比要求的输入信号取值范围定义为动态范围，可见，均匀量化时的信号动态范围将受到较大的限制。为了克服这个点，实际中，往往采用非均匀量化。非均匀量化是根据信号的不同区间来确定量化间隔的。对于信号取值小的区间，其量化间隔Dv也小；反之，量化间隔就大。它与均匀量化相比，有两个突出的优点。首先，当输入量化器的信号具有非均匀分布的概率密度（实际中常是这样）时，非均匀量化器的输出端可以得到较高的平均信号量化

5、噪声功率比；其次，非均匀量化时，量化噪声功率的均方根值基本上与信号抽样值成比例。因此量化噪声对大、小信号的影响大致相同，即改善了小信号时的量化信噪比。实际中，非均匀量化的实际方法通常是将抽样值通过压缩再进行均匀量化。通常使用的压缩器中，大多采用对数式压缩。广泛采用的两种对数压缩律是m压缩律和A压缩律。美国采用m压缩律，我国和欧洲各国均采用A压缩律，因此，PCM编码方式采用的也是A压缩律。所谓A压缩律也就是压缩器具有如下特性的压缩律：A律压扩特性是连续曲线，A值不同压扩特性亦不同，在电路上实现这样的函数规律是相当复杂的。实际中，往往都采用近似于A律函数规律的13折线（A=87.6）的压扩特性。这

6、样，它基本上保持了连续压扩特性曲线的优点，又便于用数字路实现，本设计中所用到的PCM编码正是采用这种压扩特性来进行编码的。如图3所示为A律13折线图，表1列出了13折线时的x值与计算x值的比较。图3 A律13折线表1 13折线时的x值与计算x值的比较 表中第二行的x值是根据A=87.6时计算得到的，第三行的x值是13折线分段时的值。可见，13折线各段落的分界点与A=6.87曲线十分逼近，同时x按2 的幂次分割有利于数字化。(c) 编码所谓编码就是把量化后的信号变换成代码，其相反的过程称为译码。当然，这里的编码和译码与差错控制编码和译码是完全不同的，前者是属于信源编码的范畴。在现有的编码方法中，

7、若按编码的速度来分，大致可分为两大类：低速编码和高速编码。通信中一般都采用第二类。编码器的种类大体上可以归结为三类：逐次比较型、折叠级联型、混合型。在逐次比较型编码方式中，无论采用几位码，一般均按极性码、段落码、段内码的顺序排列。下面结合13折线的量化来加以说明。表2 段落码 表3 段内码段落序号段落码量化级段内码8111151111141110711013110112110061011110111010105100910018100040117011160110301050101401002001300112001010001000100000在13折线法中，无论输入信号是正是负，均按8段折

8、线（8个段落）进行编码。若用8位折叠二进制码来表示输入信号的抽样量化值，其中用第一位表示量化值的极性，其余七位（第二位至第八位）则表示抽样量化值的绝对大小。具体的做法是:用第二至第四位表示段落码，它的8种可能状态来分别代表8个段落的起点电平。其它四位表示段内码，它的16种可能状态来分别代表每一段落的16个均匀划分的量化级。这样处理的结果，8个段落被划分成27128个量化级。段落码和8个段落之间的关系如表2所示；段内码与16个量化级之间的关系见表3。PCM编译码器的实现可以借鉴单片PCM编码器集成芯片，如：TP3067A、CD22357等。单芯片工作时只需给出外围的时序电路即可实现，考虑到实现细

9、节，仿真时将PCM编译码器分为编码器和译码器模块分别实现。（d）DPSK调制在几种种基本的数字调制方式中，2PSK具有最好的误码率性能，但2PSK信号传输系统中存在相位不确定性，易造成接收码元“0”和“1”的颠倒，产生误码。这个问题将直接影响2PSK信号用于长距离传输。为克服此缺点并保存2PSK信号的优点，采用二进制差分相移键控（2DPSK），2DPSK信号是将2PSK输入信号经过差分编码变成相对码传输，在接受端再通过差分译码输出信号。 2DPSK方式即是利用前后相邻码元的相对值去表示数字信息的一种方式。现假设用表示本码元初相与前一码元初相之差，并规定：=0表示0码，=表示1码。则数字信息序列

10、与2DPSK信号的码元相位关系可举例表示如2PSK信号是用载波的不同相位直接去表示相应的数字信号而得出的，在接收端只能采用相干解调，它的时域波形图如图4所示：图4 时分复用原理图在这种绝对移相方式中，发送端是采用某一个相位作为基准，所以在系统接收端也必须采用相同的基准相位。如果基准相位发生变化，则在接收端回复的信号将与发送的数字信息完全相反。所以在实际过程中一般不采用绝对移相方式，而采用相对移相方式。 定义为本码元初相与前一码元初相之差，假设：=0 ，数字信息“0”； = ，数字信息“1”。 则数字信息序列与2DPSK信号的码元相位关系可举例表示如下： 数字信息： 1 0 1 1 0 1 1

11、1 0 1 DPSK信号相位：0 0 0 0 0或： 0 0 0 0 0 02DPSK信号的实现方法：首先对二进制数字基带信号进行差分编码，将绝对码表示二进制信息变换为用相对码表示二进制信息，再输入载波信号，将基带信号与载波信号相乘输出2DPSK信号。2DPSK信号属于DSB信号，它的解调，不再能采用包络检测的方法，只能相干解调。它可以采用相干解调法方式（极性比较法），但由于它对载波的同步性要求比较高，不容易实现，所以本次设计使用了差分相干解调法方式（相位比较法）。其解调原理是直接比较前后码元的相位差，从而恢复发送的二进制数字信息。由于解调的同时完成了码反变换作用，故解调器中部需要码反变换器。

12、 2DPSK信号先经过带通滤波器，去除调制信号频带以外的在信道中混入的噪声，再与本地载波相乘，去掉调制信号中的载波成分，再经过低通滤波器去除高频成分，得到包含基带信号的低频信号，将其送入抽样判决器中进行抽样判决得到原基带信号。图5 2DPSK调制与解调框图 （e）PCM编码器组件功能实现（1）低通滤波器（图符1）：为实现信号的语音频率特性，考虑到滤波器在通带和阻带之间的过渡，采用了低通滤波器，而没有设计带通滤波器。为实现信号在300Hz3400Hz的语音频带内，在这里采用了一个阶数为3阶的切比雪夫滤波器，其具有在通带内等波纹、阻带内单调的特性。（2）瞬时压缩器（图符3）：瞬时压缩器采用A律压缩

13、，注意在译码时扩张器也应采用A律解压。对比压缩前后时域信号，明显看到对数压缩时小信号明显放大，而大信号被压缩，从而提高了小信号的信噪比，这样可以使用较少位数的量化满足语传输的需要。（3）A/D 转换器（图符4）：完成经过瞬时压缩后信号时间及幅度的离散，通常认为语音的频带在300Hz3400Hz，根据低通采样定理，采样频率应大于信号最高频率两倍以上，在这里A/D的采样频率为8Hz即可满足，均匀量化电平数为256级量化，编码用8bit表示，其中第一位为极性表示，这样产生了64kbit/s的语音压缩编码。(4)时分复用合路器（图符5）：在实现并串转换电路时使用了扩展通信库中的时分复用合路器图符，该合

14、路器最大为16位长度时隙转换，这里定义为8位时隙。由于A/D将模拟信号转换为八位的数据，这里的合路器就是将八位的数据合为一位的数据进行传输的。此外在系统中还加入了频率为5000HZ的高斯噪声和10000HZ的采样器。（f）PCM译码器组件功能实现（a）时分复用分路器(图符6):这个是时分复用合路器的逆过程，在实现并串转换时采用的，最大时隙转换也为16位，定义为8位，将加过噪声后的数据转换为八位后进入到D/A把数据输出。(b)D/A转换器(图符7)：用来实现与A/D转换相反的过程，实现数字量转化为模拟量，从而达到译码最基本的要求，也就是最起码要有步骤。(c)A律扩张器（图符8）：实现与瞬时压缩器

15、相反的功能，由于采用A律压缩，扩张也必须采用A律瞬时扩张器。(d)放大器（图符9）：把经过A律扩张后的信号放大十倍后输出。(e)低通滤波器（可不用）：由于采样脉冲不可能是理想冲激函数会引入孔径失真，量化时也会带来量化噪声，及信号再生时引入的定时抖动失真，需要对再生信号进行幅度及相位的补偿，同时滤除高频分量，在这里使用与编码模块中相同的低通滤波器。二SystemView介绍System View 是一个用于现代工程与科学系统设计及仿真的动态系统分析平台。从滤波器设计、信处理、完整通信系统的设计与仿真，直到一般的系统数学模型建立等各个领域，System View 在友好而且功能齐全的窗口环境下，为

16、用户提供了一个精密的嵌入式分析工具。System View是美国ELANIX公司推出的，基于Windows环境下运行的用于系统仿真分析的可视化软件工具，它使用功能模块(Token)描述程序。利用System View，可以构造各种复杂的模拟、数字、数模混合系统和各种多速率系统，因此，它可用于各种线性或非线性控制系统的设计和仿真。用户在进行系统设计时，只需从System View配置的图标库中调出有关图标并进行参数设置，完成图标间的连线，然后运行仿真操作，最终以时域波形、眼图、功率谱等形式给出系统的仿真分析结果。利用System View，可以构造各种复杂的模拟、数字、数模混合系统，各种多速率系

17、统，因此，它可用于各种线性或非线性控制系统的设计和仿真。用户在进行系统设计时，只需从System View配置的图标库中调出有关图标并进行参数设置，完成图标间的连线，然后运行仿真操作，最终以时域波形、眼图、功率谱等形式给出系统的仿真分析结果。SystemView的库资源十分丰富，包括含若干图标的基本库（Main Library）及专业库(Optional Library)，基本库中包括多种信号源、接收器、加法器、乘法器，各种函数运算器等；专业库有通讯（Communication）、逻辑（Logic）、数字信号处理（DSP）、射频/模拟（RF/Analog）等；它们特别适合于现代通信系统的设计、

18、仿真和方案论证，尤其适合于无线电话、无绳电话、寻呼机、调制解调器、卫星通讯等通信系统；并可进行各种系统时域和频域分析、谱分析，及对各种逻辑电路、射频/模拟电路（混合器、放大器、R电路、运放电路等）进行理论分析和失真分析。System View能自动执行系统连接检查，给出连接错误信息或尚悬空的待连接端信息，通知用户连接出错并通过显示指出出错的图标。这个特点对用户系统的诊断是十分有效的。System Vie的另一重要特点是它可以从各种不同角度、以不同方式，按要求设计多种滤波器并可自动完成滤波器各指标如幅频特性（伯特图）、传递函数、根轨迹图之间的转换。在系统设计和仿真分析方面，System View

19、还提供了一个真实灵的窗口用以检查、分析系统波形。在窗口内，可以通过鼠标方便地控制内部数据的图形放大、缩小、滚动等。另外，分析窗中还带有一个功能强大的“接收计算器”， 可以完成对仿真运行结果的各种运算、谱分析、滤波。System View还具有与外部文件的接口，可直接获得并处理输入/输出数据。提供了与编程语言VC+或仿真工具Matlab的接口，可以很方便的调用其函数。还具备与硬件设计的接口：与Xilinx公司的软件Core Generator配套，可以将System View系统中的部分器件生成下载FPGA芯片所需的数据文件；另外，System View还有与DSP芯片设计的接口，可以将其DSP

20、库中的部分器件生成DSP芯片编程的C语言源代码。三PCM系统的设计与仿真 PCM系统的设计仿真图如图3-1所示图3-1 PCM系统的设计仿真图四仿真结果与分析4.1 PCM系统的设计仿真波形图：（1）输入音频信号波形图如图3-2所示图3-2 输入音频信号波形图（2）经过低通滤波器滤波后的信号波形图如图3-3所示图3-3 经过低通滤波器滤波后的信号波形图（3）经过时分复用合路器后信号波形图如图3-4所示图3-4 经过时分复用合路器后信号波形图（4）经数模转换器后信号波形图如图3-5所示图3-5 经数模转换器后信号波形图（5）经放大器放大后的信号波形图如图3-6所示图3-6 经放大器放大后的信号波

21、形图（6）输出音频信号波形图如图3-7所示图3-7 输出音频信号波形图4.2 语音信号PCM系统仿真模型图符参数表如表4-1所示表4-1 语音信号PCM系统仿真模型图符参数表图符号库：图符名称改变的参数设置27Source:Freq SweepAmplitude=1V,Stop Freq=8000Hz1Operator：Linear SysButterworth,LowCuttoff=500Hz,Poles=3,Filter input sample rate=100000Hz2Operator:SampleInterpolating,Sample Rate=1000Hz3Communicat

22、ions:CompandA-low4Logic:ADCThreshold=0.5V,Bits=8，Min Input=-1.2815Source:Pulse TrainFrequenoy=1000Hz,Pulse Width=0.0005s14Operator:SamplerSzmple Rate=1000Hz 5Communications:TD MuxNumber=819Source:Gauss NoiseStd Deviation=0.05V20Operator:SamplerSample Rate=1000Hz21Adder6Communications:TD DmuxNumber=8

23、,Time per Output=1s7Logic:DACThreshold=0.5V,Bits=88Communications:d-CompandA-low9Operator:GainGain=1010Sink:Svstemview11Sink:Svstemview16Sink:Svstemview17Sink:Svstemview五设计心得通过这次设计，掌握了PCM编码、时分复用以及同步技术的原理与实现过程及优缺点，学会了使用硬件技术实现通信工程，明白了一些硬件电路的基本原理，通过本次实验掌握了PCM的工作原理，熟练了SystemView的基本操作，又通过一系列的设计学习，加深了我对通信方面的了解。刚开始运用这款软件的时候，因为对这款软件的不熟悉，所以进行的很慢，找元器件就需要花费很长的时间，再加上这款软件的语言是英语，又增添的一些难度，这也使我认识到自己的不足，明白自己还有许多要学习和掌握的东西。 在刚开始的时候,没有合理设置采样频率的参数