DPCM编码和BCH码

1、语音信号基带通信传输系统仿真基于DPCM编码和BCH码学生姓名：XX 指导老师：XXX摘 要 本课程设计的主要任务是完成语音信号基带通信传输系统基于DPCM编码和BCH码的仿真，观察仿真波形，并进行结果分析。本课程设计的系统开发平台为MATLAB集成环境下的Simulink仿真模块，程序运行平台为Windows98/2000/XP。本次课程设计通过DPCM编解码和BCH编解码原理，运用Simulink仿真模块进行绘图、设置参数，最后完成仿真。 关键词 MATLAB7.0；Simulink平台；DPCM编解码；BCH编解码；仿真；1 引 言本课程设计是通过DPCM编码和BCH码对语音信号基带通信

2、传输系统进行仿真1 2。根据DPCM编解码和BCH编解码原理，运用DPCM Encoder等模块，对语音信号基带通信传输系统进行绘制，设置模块参数，然后运行，最后通过示波器得到相应的仿真波形。通过对仿真波形的观察，能够检验该系统功能是否正确实现。1.1 课程设计目的学习并熟悉MATLAB平台及Simulink仿真模块的一般操作和运用3，在加深对通信原理课本知识的理解的基础上，学会运用已学的知识设计或分析一个简单的通信系统4，并且进一步理解通信系统的基本组成、模拟通信和数字通信的基础理论、通信系统发射端信号的形成及接收端信号解调的原理、通信系统信号传输质量的检测等方面的相关知识，使学生在知识的综

3、合运用能力上以及分析问题、解决问题能力上得到一定的提高。1.2课程设计的要求（1）、学习MATLAB的基本知识，熟悉MATLAB集成环境下的Simulink仿真平台的特点、规范及语法结构、编写方法。（2）、利用通信原理中学习的内容，在Simulink仿真平台中设计基带传输系统，并按题目要求运行、检测系统仿真结果。（3）、按要求编写课程设计报告书，能正确阐述设计和实验结果。（4）、在老师的指导下，要求每个学生独立完成课程设计的全部内容。1.3设计平台MATLAB7.0MATLAB编程语言被业界称为第四代计算机语言，它允许按照数学推导的习惯编写程序。MATLAB7.0的工作环境包括当前工作窗口、命

4、令历史记录窗口、命令控制窗口、图形处理窗口、当前路径选择菜单、程序编辑器、变量查看器、模型编辑器、GUI编辑器以及丰富的函数库和MATLAB附带的大量M文件。2 设计原理本次课程设计是进行语音信号基带通信传输系统基于DPCM编码和BCH码的仿真，运用MATLAB中的Simulink仿真模块，根据DPCM编解码和BCH纠错码的原理完成对语音信号的仿真。2.1 MATLAB技术MATLAB是由美国Math Works公司生产的一个为科学和工程计算专门设计的交互式大型软件，是一个可以完成各种计算和数据处理的、可视化的、强大的计算工具。它集图示和精确计算于一身，在应用数学、物理、化工、机电工程、医药、

5、金融和其他需要进行复杂计算的领域得到了广泛应用。MATLAB作为一种科学计算的高级语言之所以受欢迎，就是因为它有丰富的函数资源和工具箱资源，编程人员可以根据自己的需要选择函数，而无需再去编写大量繁琐的程序代码，从而减轻了编程人员的工作负担，被称为第四代编程语言。2.2Simulink仿真模块Simulink仿真模块以MATLAB核心数学运算、图形处理和编程语言为基础，结合了含有框图界面和交互仿真能力飞非线性动态系统的仿真工具，使仿真编程更为方便、快捷。Simulink是MATLAB中的一种可视化仿真工具， 是一种基于MATLAB的框图设计环境，是实现动态系统建模、仿真和分析的一个软件包，被广泛

6、应用于线性系统、非线性系统、数字控制及数字信号处理的建模和仿真中。Simulink可以用连续采样时间、离散采样时间或两种混合的采样时间进行建模，它也支持多速率系统，也就是系统中的不同部分具有不同的采样速率。为了创建动态系统模型，Simulink提供了一个建立模型方块图的图形用户接口(GUI) ，这个创建过程只需单击和拖动鼠标操作就能完成，它提供了一种更快捷、直接明了的方式，而且用户可以立即看到系统的仿真结果。 2.3 系统功能介绍进行语音信号基带通信传输系统基于DPCM编码和BCH码的仿真，首先要对输入信号进行DPCM编码。DPCM编码是经过抽样、量化、编码等过程，将输入的模拟信号编程数字信号

7、。DPCM编码是广泛运用的预测编码方法之一。在DPCM编码中，每个抽样值不是独立的编码，而是将前一个抽样值当做预测值，然后再取当前抽样值和预测值之差进行编码并传输。DPCM译码同样是将前一个值当做预测值，然后取当前值与预测值之差进行解码，将一个个脉冲码组转换成对应的量化采样值，最后经过一个低通滤波器重建原模拟信号。DPCM系统原理方框图如图2.1所示。抽样量化器编码器信道译码器延迟Ts延迟Ts图2.1 DPCM系统原理方框图根据课程题目，在进行完DCPM编码后，要利用BCH码进行纠错编解码。BCH码是一种获得广泛应用的能够纠正多个错码的循环码。BCH码是一类能够先确定纠错能力t，然后设计码长和

8、生成多项式的码。对于任意的整数m和可达到的纠错数t，都可以构造出一个设计距离为的二元本原BCH码满足：BCH码的码长n与监督位、纠错个数t之间的关系如下：对于正整数m（m>3）和正整数t<m/2，必定存在一个码长为,监督位为，能纠正所有不多余t个随机错误的BCH码。若码长n=(-1)/I (i>1，且除得尽 (-1)，则为非本原BCH码。3设计步骤本次课程设计是运用Simulink仿真模块完成通信系统中的信源编码和纠错编码。输入一个正弦信号，对其进行DPCM编码后再进行BCH编码，送入二进制对称信道传输，在接收端对其进行BCH解码和DPCM解码以恢复原信号。完成正弦信号的编解

9、码后，用自己录制的一个信号替代正弦信号，进过编解码，回放比较传输前后的语音质量3.1 正弦信号基带传输通信系统仿真进行正弦信号的系统仿真，首先要新建一个Simulink文件起步骤是：打开MATLAB单击工具栏中的Simulink选项打开Simulink对话框选择菜单栏中的File/New/Modle，这样就完成了Simulink文件的新建。完成文件的新建后，就可以进一步进行正弦信号的模型建立及仿真了。进行正弦信号的系统仿真，首先要在Simulink模块库中找到正弦信号的模块，然后调用模块产生模拟正弦信号。或者单击Edit/Find block，在弹出的对话框中输入要寻找的模块名称，即可方便快捷

10、的找到需要的模块。找到正弦信号模块后，可直接将模块拖入模型建立对界面，也可以右击模块，选择下拉菜单中的“Add to the current modle”选项添加模块。在模型建立界面中加入正弦信号后，双击正弦信号模块，可对正弦信号进行设置。在Frequency栏中填入正弦信号的频率，本次课程设计中我用的是频率为2*pi的模拟正弦信号。进行完正弦信号模块参数的设置后，添加一个示波器模块观察正弦信号的仿真波形。双击示波器设置示波器的参数，单击示波器Scopes界面左上角第二个Parameters键，在弹出的对话框中设置参数：在General 页面的Numbers of Axes项中设置需要观察的波

11、形路数，在Data History页面的Limit data points to last项中设置采集点数。示波器参数设置如图3.1、图3.2所示。图3.1 示波器观察路数设置图3.2 示波器采样点数设置正弦信号的模型图如图3.3所示。图3.3 正弦信号模型图模拟正弦信号参数设置如图3.4所示。图3.4 模拟正弦信号参数设置模拟正弦信号仿真波形图如图3.5所示。图3.5 输入正弦信号的仿真波形图完成正弦信号的调用及观察后，接下来要对产生的模拟信号进行DPCM编码，调用一个DPCM Encoder，双击模块进行参数设置。DPCM模块的参数设置程序如一下程序段所示：>> t=0:0.1

12、:10;x=sin(2*pi*t);>> help dpcmopt>> PREDICTOR,CODEBOOK,PARTITION = DPCMOPT(x,1,4)依据以上程序可得到DPCM Encoder的参数：PREDICTOR = 0 0.8172CODEBOOK = -0.5129 -0.1816 0.1816 0.5129PARTITION = -0.3473 0.0000 0.3473将计算所得的结果相应的填入DPCM Encoder模块参数设置对话框中，单击“OK”完成DPCM Encoder模块参数设置。运用示波器观察DPCM编码后仿真波形。DPCM编码模

13、型图如图3.6所示。图3.6 DPCM编码模型图DPCM Encoder参数设置如图3.7所示。图3.7 DPCM Encoder参数设置DPCM编码仿真波形如图3.8所示。图3.8 DPCM编码仿真波形图进行完模拟信号的DPCM编码后，就将模拟信号转化为了数字信号，此时的数字信号是以整数的形式表示的，在进行下一步的纠错编码前，要将信号从整数形式转化为比特形式，因此需要调用一个Integer to Bit Converter模块进行数码转化。双击模块进行参数设置，在弹出的对话框中填入每个整数所转换的比特数，单击“OK”完成设置。本次课程设计中我是将一个数转化为2 bit，故在参数设置对话框中应

14、填入“2”。用示波器观察数码转换后仿真波形图。模拟信号DPCM编码数码转换模型图如图3.9所示。图3.9 数码转换模型图数码转换模块参数设置如图3.10 所示。图3.10 数码转换模块参数设置数码转换仿真波形图如图3.11所示。图3.11 数码转换仿真波形图如图3.9中的第三栏所示，模拟信号经过DPCM编码、数码转换后的波形在示波器中是并行输出的，为了便于观察，我们需要进行串并转换，调用模块Frame Conversion、Buffer、Unbuffer，并在Buffer中设置输入的并联数据路数，单击“OK”完成设置。由于要多次运用串并转换，为了简化模型建立，我们可以将串并转换模型打包，作为一

15、个模块使用。串并转换模块如图3.12所示。图3.12 串并转换模块Buffer模块参数设置如图3.13所示。图3.13 Buffer模块参数设置完成串并转换后用示波器观察结果。串并转换后模拟信号DPCM编码模型如图3.14所示。图3.14 串并转换后DCPM编码模型图串并转换后DPCM仿真波形如图3.15所示。图3.15 串并转换后DPCM仿真波形图根据课程目的，完成模拟信号的DPCM编码后，要将编码后的信号调用通信模块库中的BCH Encoder模块再进行纠错编码。BCH编码需要调用Buffer、BCH Encoder及串并转换模块。本次课程设计中由于BCH Encoder采用默认参数，即N

16、=15，K=5，故Buffer模块的参数应设置为5，模拟信号DPCM编码后进行BCH编码模型图如图3.16所示。图3.16 BCH编码模型图BCH Encoder参数设置如图3.17所示。图3.17 BCH Encoder参数设置BCH编码后仿真波形图如图3.18所示。图3.18 BCH编码仿真波形图完成BCH编码后，将编码后的信号通过二进制对称信道，并用示波器观察输出的仿真波形图。本次课程设计的码元干扰设为0。调制信号经过二进制对称信道后的仿真模型图如图3.19所示。图3.19调制信号通过二进制对称信道模型图二进制对称信道参数设置如图3.20所示。图3.20 二进制对称信道参数设置调制信号通

17、过二进制对称信道仿真波形如图3.21所示。图3.21 调制信号通过二进制对称信道仿真波形图完成DPCM编码、BCH编码后，就要进行相应的解码，并用低通滤波器还原出原始波形。首先进行的是BCH纠错解码。调用BCH Decoder模块，进行串并转换后用示波器观察仿真波形图。本次课程设计采用BCH Decoder的默认参数。BCH解码模型图如图3.22所示。图3.22 BCH解码模型图BCH解码仿真波形如图3.23所示。图3.23 BCH解码仿真波形图接下来进行DPCM解码。因为DPCM解码只能针对数字信号而言，故先要将信号进行数码转换，将二进制码元转化为数字。将上图用放大镜选项将X轴进行放大后，可

18、以发现BCH编码前的波形与BCH解码后的波形相比，有7个码元的延时，因为必须要使码元的延时为数字转换为码元数值的整数倍，即为2的整数倍，故需在数码转换模块前加入一个数值为奇数的码元的延时模块。码数转换模块的参数设置和数码转换模块参数设置应当一致。放大后仿真波形如图3.24所示。图3.24 放大仿真波形图延时模块参数设置如图3.25所示。图3.25 延时模块参数设置BCH解码后信号进行数码转换的模型图如图3.26所示。图3.26 码数转换模型图码数转换模块参数设置如图3.27所示。图3.27 码数转换参数设置码数转换后仿真波形如图3.28所示。图3.28 码数转换仿真波形图进行完信号的码数转换，

19、即可调用DPCM Decoder模块对信号进行DPCM解码。使用DPCM模块首先要双击进行模块的参数设置。DPCM Decoder模快的参数设置与DPCM Encoder模块的参数设置应当一致。进行完参数设置后，可通过示波器观察DPCM解码后的仿真波形图。DPCM解码的模型如图3.29所示。图3.29 DPCM解码模型图DPCM Decoder参数设置如图3.30所示。图3.30 DPCM Decoder参数设置DPCM解码仿真波形如图3.31所示。图3.31 DPCM解调仿真波形图最后还原出原始信号，需要通过一个低通滤波器。本课程设计选择的是巴特沃兹低通滤波器。在通信模块库中选择一个低通滤波

20、器模块，双击设置模块参数，在Passband edge Frequency一栏中填入与输入正弦波信号相同的频率，单击“OK”完成设置。因为刚开始输入的模拟正弦信号的频率设定为2*pi，故巴特沃兹低通滤波器的频率也应当设置为2*pi。用示波器观察还原信号。通过低通滤波器模型如图3.32所示。图3.32 通过低通滤波器模型图巴特沃兹低通滤波器参数设置如图3.33所示。图3.33 巴特沃兹低通滤波器参数设置通过低通滤波器还原出来的信号如图3.34所示。图3.34 通过低通滤波器还原出的信号仿真波形图最后调用一个Error Rate Calculation模块和一个Display观察纠错编码前后的误码

21、率。双击Error Rate Calculation模块设置参数。因为前面已经求出码元延迟个数为7个，所以应当在Error Rate Calculation模块设置对话框中的Receive delay一栏中填入接收码元延时数目7，单击“OK”完成设置。检验误码率模型图如图3.35所示。图3.35 检验误码率模型图Error Rate Calculation模块参数设置如图3.36所示。图3.36 Error Rate Calculation模块参数设置根据图3.35所示，接收码元的误码率为0 ，故表明正弦信号的DPCM调制解调、BCH调制解调正确，基带信号传输系统得以实现。编写M文件计算解码后

22、的误码率，M文件编写如下所示：snr=0:2:20;for i=1:length(snr) var=0.5./(10(0.1*snr(i); sim('wangjing.mdl'); error(i)=ErrorVec(1);endplot(snr,error)保存文件名称为“erbfig”。将Simulink文件和M文件保存在work文档中，在MATLAB命令窗口中输入“erbfig”可得到误码率曲线。在误码率原理框图中设置二进制对称信道的Error probability为“var”。二进制对称信道参数设置如图3.37所示。图3.37 二进制对称信道参数设置求误码率的模型图

23、如图3.38所示。图3.38 误码率模型图误码率曲线如图3.39所示。图3.39误码率曲线 3.2 语音信号基带传输通信系统仿真进行语音信号的几代通信传呼系统的仿真，是在模拟正弦信号基带通信系统仿真的基础上，将模拟正弦信号替代为自己录制的语音信号，然后设置相关的参数，经过调制解调还原出原语音信号。语音信号的录制，首先在开始菜单中选择程序/附件/娱乐/录音机，然后设置录音机的属性，本次课程设计中我需要的是22025Hz、16bit、单声道的语音信号。完成属性设置后就可以开始录音了。录音设备如图3.40所示。图3.40 录音机录音机属性设置如图3.41所示。图3.41 录音机属性设置完成录音后保存

24、文件。只有将录音文件和Simulink文件保存在MATLAB的work文档中，文件才能运行。保存文件后，将模拟正弦信号传输系统中的正弦信号模块用一个语音信号调用模块取代，因为要调用的语音信号名称为123.WAV，故在设置调用时应当在File name一栏填入语音信号名称。From Wave File模块参数设置如图3.42所示。图3.42 From Wave File模块参数设置因为输入信号的参数发生了改变，故传输系统中所用到的有些模块的参数也要进行相对应的更改。语音信号的DPCM Encoder和DPCM Decoder参数设置计算为：>> x,fs,bits=wavread(&

25、#39;123.wav');>> PREDICTOR,CODEBOOK,PARTITION = DPCMOPT(x,1,16)PREDICTOR = 0 0.9832CODEBOOK = Columns 1 through 13 -0.0459 -0.0322 -0.0226 -0.0153 -0.0100 -0.0063 -0.0036 -0.0016 0.0000 0.0022 0.0048 0.0082 0.0130 Columns 14 through 16 0.0199 0.0328 0.0590PARTITION = Columns 1 through 13 -

26、0.0391 -0.0274 -0.0190 -0.0126 -0.0082 -0.0050 -0.0026 -0.0008 0.0011 0.0035 0.0065 0.0106 0.0164 Columns 14 through 15 0.0264 0.0459将上列参数相对应的输入参数设置模块中，单击“OK”完成DPCM编解码模块参数设置。进行数码、码数转换模块的参数设置，将Numbers of bit per integer设置为16，单击“OK”完成设置。运行观察仿真波形，放大波形的X轴数值后，可以看到BCH编解码前后有9个码元的延时，故需加入一个9个码元的延时模块。语音信号放大仿真

27、波形图如图3.43所示。图3.43语音信号放大仿真波形图完成以上设置后加入一个误码率检测模块，检验系统是否出错。语音信号基带通信系统原理图如图3.44所示。图3.44 语音信号基带通信系统原理图语音信号基带通信系统仿真波形如图3.45所示。图3.45 语音信号基带通信系统仿真波形图语音信号基带通信系统仿真完成后可以用一个语音文件输出模块输出调制解调后的语音文件，该语音文件以1231.WAV的名字保存在wok文档里面，打开这个语音文件回放调制解调后的语音信号，得到与输入语音信号相同的语音信号。语音信号基带通信传输系统如图3.46所示。图3.46 语音信号基带传输系统3.3 结果分析正弦信号系带传

28、输通信系统仿真结果如图3.47所示。图3.47 正弦信号基带传输系统仿真结果从上图可以看出输入的模拟正弦信号经过DPCM编解码、BCH编解码后，通过一个巴特沃兹低通滤波器成功的还原出了正弦信号，说明该正弦信号基带通信传输系统是正确的，它的结果符合理论结论，故该系统的功能成功实现。将模拟正弦信号替代为一个自己录制的语音信号123.WAV后，该语音信号通过语音信号基带通信传输系统得到了一个调制解调后的语音信号1231.WAV。比较两个语音信号的语音质量，可以发现两个语音信号基本上完全一致，该结果符合理论结论，故该语音喜好基带通信传输系统的功能成功实现。4出现的问题及解决方法在查阅了书籍并且参照老师

29、给的参考原理图的基础上，我基本上设计出了模拟正弦信号基于通信传输系统，并且在同学的帮助下设置好了所用模块的参数，但是还是在延时单元设置是出现了错误。在对比BCH编码前的仿真波形和BCH解码后的仿真波形，进行延时码元的计算时，一定要仔细观察，以免出错。在本次课程设计中，首先我数出BCH编码前的仿真波形和BCH解码后的仿真波形相差8个码元，因为是2的整数倍，所以我没有加延时单元，结果在码数转换是我发现码数转换后的仿真波形图与数码转换前的波形图有很大的误差。后来经过仔细的观察，发现BCH编码前的仿真波形和BCH解码后的仿真波形相比实际上有7个码元的延时，不是2 的整数倍，故必须加一个延时模块延时一个

30、码元，使总体延时变成2的整数倍，在进行码数转换时才不会出现错误。没有加入延时模块时出现的错误如图4.1所示。图4.1 没有加入延时单元的错误当加入一个码元单位的延时后，就得到了正确的结果。其正确结果如图4.2所示。图4.2 加入延时单元后方正确正波形5 结束语本次课程设计我们要根据已经学习过的通信原理的有过知识，运用MATLAB中的Simulink仿真模块进行语音信号基带通信传输系统基于DPCM编码和BCH码的仿真。虽然本学期我们已经学习过通信原理的有关知识，但是运用基本理论知识进行通信系统的设计难免还是让人胆怯，但是在同学的鼓励帮助下，我很快克服了这种感觉，开始认真的对待课程设计。MATLAB可以说是我们接触得最多的软件之一，但是Simulink仿真平台却是我们第一次使用。在老师的指导下，我知