语音信号基带传输通信系统仿真——基于PCM编码和循环码

1、长沙理工大学城南学院通信原理课程设计报告系 别 专 业 班 级 学 号 学生姓名 指导教师 课程成绩 完成日期 课程设计成绩评定系 别 专 业 班 级 学 号 学生姓名 指导教师 课程成绩 完成日期 指导教师对学生在课程设计中的评价评分项目优良中及格不及格课程设计中的创造性成果学生掌握课程内容的程度课程设计完成情况课程设计动手能力文字表达学习态度规范要求课程设计论文的质量指导教师对课程设计的评定意见综合成绩 指导教师签字 2013年 月 日课程设计任务书 学院 通信工程 专业课程名称通信原理课程设计时间20122013学年第一学期1819周学生姓名指导老师曹敦题 目语音信号基带传输通信系统仿真

2、基于PCM编码和循环码主要内容： 本课程设计的目的主要是仿真通信系统中的信源编码和纠错编码。录制一段语音信号，对其进行PCM编码后再进行循环编码，送入二进制对称信道传输，在接收端对其进行循环解码和PCM解码以恢复原信号，回放比较传输前后的语音质量，改变信道差错率绘制误码率曲线，观察前后信号波形是否一致，并结合理论进行说明。要求：（1）本设计开发平台为MATLAB中的Simulink。（2）模型设计应该符合工程实际，模块参数设置必须与原理相符合。（3）处理结果和分析结论应该一致，而且应符合理论。（4）独立完成课程设计并按要求编写课程设计报告书。应当提交的文件：（1）课程设计学年论文。（2）课程设

3、计附件（主要是模型文件和源程序）。第 25 页 共 28 页 语音信号基带传输通信系统仿真基于循环码目录1 引 言22 原理介绍22.1 PCM编解码原理22.2循环码编解码原理42.2.1生成多项式g(x)42.2.2监督多项式h(x)52.2.3伴随式53 设计步骤73.1 PCM编码83.2 并串转换123.3 循环码编解码133.4 PCM解码154 仿真与数据分析18 4.1 模拟仿真184.2 模拟信号波形分析204.3 语音信号验证与分析204.4 误码率曲线绘制225 结束语246 参考文献24语音信号基带传输通信系统仿真 基于循环码学生姓名： 指导老师： 摘 要 本课程设计的

4、目的主要是仿真通信系统中的信源编码和纠错编码。录制一段语音信号，对其进行PCM编码后再进行循环编码，送入二进制对称信道传输，在接收端对其进行循环解码和PCM解码以恢复原信号，回放比较传输前后的语音质量，改变信道差错率绘制误码率曲线，观察前后信号波形是否一致，并结合理论进行说明。关键词 Matlab；simulink；PCM；循环码设计仿真1 引 言 本课程设计主要解决语音信号信号基带传输过程中，通过PCM编码之后再进行循环编码和循环解码，然后进行PCM解码并通过滤波器恢复原信号的问题。通过simulink软件平台对一个语音信号进行编码传送仿真并恢复原语音信号。1.1 课程设计目的 通过本课程的

5、学习我们不仅能加深理解和巩固理论课上所学的有关PCM编码和解码和循环码编码解码的基本概念、基本理论和基本方法，而且能锻炼我们分析问题和解决问题的能力。在利用simulink进行仿真的过程中，充分了解仿真通信系统中的信源编码和纠错编码。我们录制一段语音信号，对其进行PCM编码后再进行循环编码，送入二进制对称信道传输，在接收端对其进行循环解码和PCM解码以恢复原信号，回放比较传输前后的语音质量，在实践的过程中更好的了解整个的通信系统并加深对PCM编解码和循环码编解码的理解。2 原理介绍2.1 PCM编解码原理 脉冲编码调制(PCM)，就是将模拟信号抽样量化，然后将已量化值变换成代码。下面将用一个P

6、CM系统的原理框图简要介绍。原理框图如图2-1所示。图2-1 PCM系统原理图 在编码器中由冲激脉冲对模拟信号抽样，得到在抽样时刻上的信号抽样值。这个抽样值仍是模拟量。在它量化之前，通常由保持电路将其作短暂保存，以便电路有时间对其量化。在实际电路中，常把抽样和保持电路作在一起，称为抽样保持电路。图中的量化器把模拟抽样信号变成离散的数字量，然后在编码器中进行二进制编码。这样，每个二进制码组就代表一个量化后的信号抽样值。图中的译码器的原理和编码过程相反。其中，量化与编码的组合称为模/数变换器(A/D变换器)； 译码与低通滤波的组合称为数/模变换器(D/A变换器)。 抽样是对模拟信号进行周期性的扫描

7、，把时间上连续的信号变成时间上离散的信号。我们要求经过抽样的信号应包含原信号的所有信息，即能无失真地恢复出原模拟信号，抽样速率的下限由抽样定理确定。 量化是把经抽样得到的瞬时值进行幅度离散，即指定Q规定的电平，把抽样值用最接近的电平表示。 编码是用二进制码组表示有固定电平的量化值。实际上量化是在编码过程中同时完成的。 律与A律压缩特性A律： 式中，x为归一化输入，y为归一化输出，A、为压缩系数。 实际中A律常采用13折线近似如图2-2所示图2-2 A律13折线两种常用数字压扩技术：（1）A律13折线压扩13折线近似逼近A=87.6的A律压扩特性；（2） 律15折线压扩15折线近似逼近=255的

8、律压扩特性。2.2循环码编解码原理循环码是线性分组码的一个重要子集，是目前研究得最成熟的一类码，它有许多特殊的代数性质，例如，循环码中任一许用码组经过循环移位后，所得到的码组仍然是许用码。 循环码A= a n1+a n2+a 1+a 0 可以表示为如下的码多项式： 2.2.1生成多项式g (x) 定义：若一个循环码的所有码字多项式都是一个次数最低的、非零的、首一多项式g (x)的倍式，则称g (x)为生成该码，并称g (x) 为该码的生成元或生成多项式。 可以证明生成多项式g (x)具有以下特性： （1）g (x) 是一个常数项为1 的r=n k 次多项式； （2）g (x) 是xn+1 的一

9、个因式； （3）该循环码中其它码多项式都是g (x)的倍式。 为了保证构成的生成矩阵G的各行线性不相关，通常用g (x) 来构造生成矩阵。因此， 一旦生成多项式g (x) 确定以后，该循环码的生成矩阵就可以确定。 设则有： 2.2.2监督多项式h(x) 定义：若g (x) 是(n,k) 循环码的生成多项式，则有xn+1= g (x )h (x) 。其中，h(x) 是 k 次多项式，称为监督多项式。也称校验多项式。 监督矩阵可表示为： 其中：2.2.3伴随式 发送码C(x) 通过含噪信道时，会因各种扰而产生误码。 例如发送码为：00000000001111111111 接收码为： 0110100

10、1001111001001 产生错误序列：01101001000000110110 可见，发生了两个长度分别为7和5的突发差错，其错误图样分别为1101001 和 11011。 若设信道产生的错误图样为e，则译码器收到的接收码可表示为：C'=C +e 写成多项式形式即为：C' (x)=C(x) =+e(x) 定义：对于(n,k) 循环码，接收码的多项式C (x) 除以生成多项式g (x) 的余数称为伴随式多项式，记为s(x) 。即： s(x)=C ' (x)mod g (x) 由于C' (x)=C(x) =+e(x) ，且C(x) mod g (x) = 0 ，

11、则有： s(x) =e(x) mod g (x) 【例】假设g (x)=x4+x3+x2 +1，对于（7，3）循环码来说，若传输时出现一位错误， 错误图样为e1=(0001000) ，即e(x)=x3=。则其伴随式s(x) 可计算如下： 所以，伴随码为：s =1000。 同样，若e1=(0010000) ，则相应的伴随式s(1) (x)=x3+x2+1，而s1 =1101。 si是s在下图所示的g (x) =x4+x3+x2+1除法电路中无输入时右移一位的结果，即自发运算的结果。 图2-3 （7.3）循环码伴随式计算电路2.2.4 循环码编码方法 基本步骤如下： （1）根据给定参数(n,k)

12、确定生成多项式g (x) ； （2）用xnk乘以信息多项式M (x) 。这一步实际上是把信息码右端附加上n k个“0”。 （3）求余数r(x) 。由于循环码多项式A(x) 都可以被g (x) 整除，即： 上式也等效于： 这样就得到了r(x) 。 （4）输出的循环码多项式为： C(x)=xnkM(x) +r(x)2.2.5 循环码译码方法 循环码的译码过程可以分三步进行： （1）由接收到的码多项式C' (x) 计算伴随式多项式s(x) ； 当传输中未发生错误时，则s(x) =0 ；若传输中发生了错误，则s(x) 0 。但也可能s(x) 恰巧也为 0，此时发生了不可检错误。 余数与出错位的

13、对应关系只与码制及生成多项式有关，而与具体码字无关。下图给出了 G(x)1011，C(x)1010 的出 错模式，改变C(x)（码字），只会改变表中码字内容，不改变余数与出错位的对应关系。 图2-5（7，4）CRC 码的出错模式（g(x)1011）（2）由校正子s(x) 镜查表确定错误图样E (x) ； （3）将错误图样E (x) 与C ' (x) 叠加，纠正错误，得到原发送码组C(x) 。 （4）再由C(x) 得到原信息码组M (x) 。 3 设计步骤 整个基于循环码的语音基带传输系统，设计的时候先是以sine正弦波作为信源信号的，整个系统总体主要的可以分为三大部分，第一部分是PCM

14、编码部分，第二部分是循环码编解码部分，第三部分是PCM解码部分，除了上述部分这些还包括一些并串转换、延时补偿等等模块，下面按信号行进顺序来来介绍各个模块的组成和参数设置。3.1 PCM编码 PCM编码模块包括（如图31）Zero-OrderHold 、Saturation、Abs、Relay、A-LawCompressor、Gain、Quantizer、Integer to Bit Converter和Mux。图 3-1 PCM编码模块 其中Zero-OrderHold为零阶保持器，Saturation作为限幅器，将输入信号幅度值限制在PCM编码的定义范围内，Relay模块的门限设置为0，其输

15、出即可作为PCM编码输出的最高位-极性码。样值取绝对值后，A-Law Compressor为13折线压缩器，并用增益模块将样值范围放大到0127，然后用间距为1的Quantizer进行四舍五入取整，最后将整数编码为7位二进制序列，作为PCM编码的低7位。图32 Zero-OrderHold图33 Saturation图34 Relay图35 Abs图36 A-Law Compressor图37 Gain图38 Quantizer图39 Integer to Bit Converte图310 Mux3.2 并串转换 进行PCM编码之后要经行并行转串行转换（图311并串转换），模块包括一个Fram

16、e Status Conversion、两个Buffer和一个Unbuffer，各模块具体参数设置如下（图312 Frame Status Conversion参数、图313 Buffer3参数、图314 Unbuffer参数、图315 Buffer4参数）图311并串转换图312 Frame Status Conversion参数图313 Buffer3参数图314 Unbuffer参数图315 Buffer4参数3.3 循环码编解码 进行并串转换之后将信号送入循环码编码模块（Binary Cyclic Encoder），然后经过信道，再送入解码模块（Binary Cyclic Decode

17、r），其中循环码设置为（7,4）循环码，信道设置误码率为零。具体如（图317循环码编码模块设置）和（图318循环码解码模块设置）（图319信道参数设置）。图316循环码编解码部分图317循环码编码模块设置图318循环码解码模块设置图319信道参数设置3.4 PCM解码 循环码解码之后，经行延时补偿、维度转换等（如图320），其参数设置如（图322Unbuffer1 、图323 Integer Delay、图324Buffer5、图325 Reshape）之后进行PCM解码，PCM解码模块主要包括（如图321PCM解码模块），解码就好像编码的逆过程，各个模块的参数设置如（图326 Demux、图

18、327 Mux1、图328 Relay1、图329 Bit to Integer converter、图330 Gain2、图331 A-Law Expander、图332 Product）。图320图321 PCM解码模块图326 Demux图327 Mux1图328 Relay1图329 Bit to Integer Converter图330 Gain2图331 A-Law Expander图332 Product4 仿真与数据分析4.1 模拟仿真在上面的基础上，在PCM编码始端加入sine信号源，参数设置如（图41 信源参数），然后再PCM末端加上模拟滤波器，滤波器参数设置如（图42

19、滤波器参数）然后在示波器第一道接原信号sine，在PCM编码后接示波器第二道，在循环码编码后接示波器第三道，在循环码解码后接示波器第四道，然后经过模拟滤波器之后恢复的原信号接示波器第五道，完成后如（图43模拟仿真框图），然后示波器显示如（图44 仿真波形）。图41 信源参数图42 滤波器参数图43模拟仿真框图图44 仿真波形4.2 模拟信号波形分析 由图44可以看出，恢复出来的正弦波形除了有一些延时之外基本上和原信号一样，因为信道设置误码率的时候，设置了为0，所以对原信号的恢复能达到这么好的效果，改变信道参数，再观察如（图44 信道加误码率波形），可见当误码率较大的时候，复原的波形就出现了失真

20、，由此可见信道对信号的准确传输有着重大影响。图44 信道加误码率波形4.3 语音信号验证与分析将sine wave 模块去掉，加入From Wave File模块，我将一个单声道、采样率为8000Hz、采样精度为8Bit、名字的语音信号放入Work文件夹下面，然后设置From Wave File模块如（图45 语音导入参数），接着修改零阶保持的参数如（图46 语音导入后零阶保持参数），最后将示波器第一道接原信号，第二道接恢复之后的信号，运行后波形对比如（图47 恢复语音与原语音波形对比）。由图47可以看出，在有一点误码率的信道传输编解码之后，语音信号恢复的和原信号大体一致的。图45 语音导入参数图46 语音导入后零阶保持参数图47 恢复语音与原语音波形对比4.4 误码率曲线绘制 进行误码率改变，编写M文件绘制误码率曲线之前，需要在原有语音仿真框图上，加入Error Rate Calculation模块Tx端接到循环码解码之后，Rx端接到PCM编码之后，参数设置为如（图48 Error Rate Calculation），信道参数设置如（图49 信道参数）。图48 Error R