单路语音数字通信系统的仿真

1、一、 设计思路及系统总框图单路语音数字通信系统可分为两个模块，分别是编码与译码和调制与解调。由于实际中的语音信号为模拟信号，为实现信号有效高速的传输，首先须将模拟信号转换为数字信号。实现这一转换的过程称为语音编码。语音编码又分为抽样、量化、编码三个步骤。抽样过程将连续时间模拟信号变为离散时间、连续幅度的抽样信号，量化过程将抽样信号变为离散时间、离散幅度的数字信号，编码过程将量化后的信号编码成为一个二进制码组输出。这样，把取值连续的模拟信号转换成为了离散的数字基带信号。实际中大多数通信通道都是带通信道，即频率通带远离f=0的信道。基带信号只适合在低通型信道中传输。为了使数字信息在带通信道中传输，

2、须用数字基带信号对载波进行调制，将载有信息的信号频率搬迁到信道的频带之内。数字调制的三种基本方式为幅度键控调制（ASK）、频率键控调制（FSK）和相位键控调制（PSK）。频带调制可以有效地使信号与信道的频谱特性相匹配，使信道噪声的影响减小到最低。至此，可以实现信号的发送。经过理想信道的传输，在接受端收到了无损耗的调制信号。对应于调制，在接收端首先对调制信号进行解调，恢复成原来的基带信号。得到恢复出来的数字基带信号后，再经过译码，便可将数字信号还原为原始的模拟语音信号。由此得到的单路语音数字通信系统框图如图1所示。二、 各单元电路设计与仿真（一） 编码与译码1 基本原理脉冲编码调制PCM是一种对

3、模拟信号数字化的取样技术，将模拟语音信号变换为数字信号的编码方式，特别是对于音频信号。脉冲编码调制主要经过3个过程：抽样、量化和编码。抽样即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。抽样必须遵循奈奎斯特抽样定理，离散信号才可以完全代替连续信号。低通连续信号抽样定理内容：一个频带限制在赫内的时间连续信号,若以的间隔对它进行等间隔抽样，则将被所得到的抽样值完全确定。根据量化器的特性，量化又分为均匀量化和非均匀量化，以量化间隔相等与否来区分。在数字电话通信中，均匀量化则有明显的不足，主要是小信

4、号的信噪比小，大信号的信噪比大，同时，在保证电话通话质量的前提下，编码位数较多。为了减少编码位数和提高小信号的信噪比，可采用非均匀量化的办法。非均匀量化可通过对信号非线性变换后再进行均匀量化来实现。进行非线性变换也即进行压缩变换。为了对不同的信号强度保持信号量噪比恒定，在理论上要求压缩特性为对数特性。国际电信联盟ITU提供两种建议，即A压缩律和压缩律。我国大陆采用A压缩律。实际中采用13折线法来近似A压缩律的曲线。 一个模拟信号经过抽样量化后，得到已量化的脉冲幅度调制信号，它仅为有限个数值。编码即是用一组二进制码组来表示每一个有固定电平的量化值。然而，实际上量化是在编码过程中同时完成的，故编码

5、过程也称为模/数变换，可记作A/D。由于折叠码的误码对小电压的影响较小，有利于较小语音信号的平均量化噪声，故采用折叠码进行编码。在13折线法中采用的折叠码有8位。其中第一位表示量化值的极性正负，后面的7位分为段落码和段内码两部分。其中第24位是段落码，其他4位为段内码。段内码代表的16个量化电平是均匀划分的。13折线示意图如图：2 设计与仿真根据编码与译码原理，用SystemView做出的仿真如图所示。各图符功能及参数设置用图符59的高斯噪声和图符64的低通滤波器来产生一个随机模拟信号。图符65为A率压缩器，用于对模拟信号的非均匀量化。图符69为8位的A/D转换器，用于实现对信号的抽样及编码，

6、其中每一个抽样值编码为8位的二进制码。由于A/D转换器的输出是并行数据，必须通过数据选择器（图符10）完成并/串转换成串行数据。图符71为带使能端的8路数据选择器，与74151功能相同，在这里完成A/D转换后的数据的并/串转换，图符60、61、62为选择控制端，在这里控制轮流输出并行数据为串行数据。通过数据选择器还可以实现码速转换功能。图符70为D/A转换器，用来实现与A/D转换相反的过程，将送来的8位二进制码进行译码，实现数字量转化为模拟量，从而达到译码最基本的要求。图符66为A率的扩张器，实现与瞬时压缩器相反的功能，由于采用 A 律压缩，扩张也必须采用A律瞬时扩张器。图

7、符73为低通滤波器，用于对还原的信号滤除高频分量，恢复出原始信号。图符72、74为输出端子。运行该PCM系统得到的仿真图形如图所示。（二）调制与解调1 基本原理数字调制的三种基本方式中，2PSK信号具有最好的误码率性能。但是在2PSK系统中，由于本地参考载波有0，180°模糊度，因而解调得到的数字信号可能极性完全相反，从而造成1和0倒置。这对于数字传输来说当然是不能允许的。克服相位模糊度对相干解调影响的最常用而又有效的办法是在调制器输入的数字基带信号中采用差分编码，即相对调相，也称为二进制差分相移键控。它不是利用载波相位的绝对数值传送数字信息，而是用前后码元的相对相位变化传递数字信息

8、。2DPSK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，然后再进行绝对调相，从而产生二进制差分相位键控信号。调制过程和波形如下：对2DPSK信号的解调有两种办法，一种是相干解调，另一种是差分解调。用差分解调法时不需要恢复本地载波，只需由收到的信号单独完成。将2DPSK信号延时一个码元间隔Ts，然后与2DPSK信号本身相乘。相乘器起相位比较的作用，相乘结果经低通滤波后再抽样判决，即可恢复出原始数字信息。差分解调框图如图所示。延迟TsLPF抽样判决位同步2DPSK信号 差分解调框图差分解调又称延迟解调，只有2DPSK信号才能采用这种方法

9、解调。差分相干解调不需要相干载波，但是抗噪声能力差，而且要做到精确的延迟一个码元周期也较难实现。波形如图：2 设计与仿真根据以上框图在SystemView做出仿真图如图所示，各图符功能及参数设置：图符33为伪随机信号，频率为1600Hz，用以产生一系列的随机数字信号。图符45（异或）、38（延迟）、34（脉冲）、36（抽样保持）组成了码反变换部分，把信号延迟一个码元周期后与当前码元相异或，得到相对码。图符36的抽样保持用于保证准确延迟一个码元周期。图符40、42用于相对码的绝对调相。图符39、41为延迟解调，将收到的信号延迟一个码元周期后与当前信号相乘。图符44为三阶的Butterworth低

10、通滤波器，滤除高频分量。图符35、37、43、46组成抽样判决部分，还原出信号。运行该模块得到的仿真结果如图所示。三、系统总体设计及仿真将以上PCM编解码部分及2DPSK调制和解调部分连接起来，就得到一个能实现单路语音通话的系统。信号源波形：信号源经压缩后的波形：PCM编码波形：PCM译码时经过D/A转化并用A律扩张后的输出波形：译码后恢复源信号的输出波形：由以上数据波形可以看出在PCM编码的过程中，译码输出的波形具有一定的延迟现象，其波形基本上不失真的在接收端得到恢复，传输的过程中实现了数字化的传输过程。四、总结与体会本次课程设计在刚开始的过程中无从下手，手忙脚乱，最终用软件仿真来实现单路语

11、音数字通信系统的仿真过程。通过这次设计，掌握了PCM编码的工作原理及PCM系统的工作过程以及2DPSK的调制与解调，学会了使用仿真软件 SystemView（通信系统的动态仿真软件），并学会通过应用软件仿真来实现各种通信系统的设计，对以后的学习和工作都起到了一定的作用，加强了动手能力和学业技能。总体来说，这次实习我受益匪浅。在摸索该如何设计电路使之实现所需功能的过程中，特别有趣，培养了我的设计思维，增加了实际操作能力。在让我体会到了设计电路的艰辛的同时，更让我体会到成功的喜悦和快乐。通过仿真系统，能够深刻理解通信系统的原理和具体实现法案，而且通过实际课程设计，积累了宝贵的实践经验。 同时要感谢同学们无私的帮助，正是他们