语音信号频带传输通信系统仿真――基于PCM编码和PSK调制

1、语音信号频带传输通信系统仿真 基于 PCM 编码和 PSK 调制学生姓名:指导老师:摘 要 本课程设计主要是设计一个基于 PCM 编码和 PSK 调制语音信号频带传输通信 系统并对其进行仿真。本课程设计仿真平台为 MATLAB/Simulink。在设计此语音信号 频带传输通信系统时,首先对语音信号进行 PCM 编码和 PSK 调制,再通过加入高斯白 噪声传输信道,接着在接收端对信号进行 PSK 解调和 PCM 译码,最后把输出的信号和 输入的信号进行比较。通过最后仿真结果可知,该语音信号频带传输通信系统已初步实 现了设计指标并可用于解决一些实际性的问题。关键词 PCM 编解码; PSK 调制解

2、调;高斯白噪声; MATLAB/Simulink1 引 言通信按照传统的理解就是信息的传输。在当今高度信息化的社会,信息和通信已成 为社会的“命脉” 。信息作为一种资源,只有通过广泛地传播与交流,才能产生利用价 值,促进社会成员之间的合作,推动社会生产力的发展,创造出巨大的经济效益。而通 过作为传输信息的手段或方式,与传感技术、计算机技术相互融合,已成为 21世纪国 际社会和世界经济发展的强大推动力。可以预见,未来的通信对人们的生活方式和社会 的发展将会产生更加重大和意义深远的影响。目前,无论是模拟通信还是数字通信,在 不同的通信业务中都得到了广泛的应用。但是,数字通信的发展速度已明显超过了模

3、拟 通信,成为当代通信技术的主流。与模拟通信相比,数字通信具有以下一些优点:抗干 扰能力强,且噪声不积累;传输差错可控;便于用现代数字信号处理技术对数字信息进 行处理、变换、存储;易于集成,使通信设备微型化,重量轻;易于加密处理,且保密 性好。数字通信的缺点是,一般需要较大的带宽。另外,由于数字通信对同步要求高, 因而系统设备复杂。但是,随着微电子技术、计算机技术的广泛应用以及超大规模集成 电路的出现,数字系统的设备复杂程度大大降低。同时高效的数据压缩技术以及光纤等 大容量传输媒质的使用正逐步使带宽问题得到解决。因此,数字通信的应用必将越来越广泛 1。本课程设计主要是设计一个基于 PCM 编码

4、和 PSK 调制的语音信号频带传输通 信系统并对其进行仿真。在设计此语音信号频带传输通信系统时,首先对输入语音信号 利用相关的模块进行 PCM 编码和 PSK 调制,再通过加入高斯白噪声传输信道,接着在 接收端对信号进行 PSK 解调和 PCM 译码, 最后把输出的语音信号和输入的语音信号进 行比较。1.1 课程设计的目的首先在 MATLAB/Simulink模块下,学会对信号进行 PCM 编码、解码以及 PSK 调 制解调的方法。 然后设计一个基于 PCM 编码和 PSK 调制的语音信号频带传输通信系统, 并对一段信号进行 PCM 编码后再进行 PSK 调制,送入加性高斯白噪声信道传输,在接

5、 收端对其进行 PSK 解调和 PCM 解码以恢复原信号。最后录制一段语音信号,对其进行 PCM 编码后再进行 PSK 调制,送入加性高斯白噪声信道传输,在接收端对其进行 PSK 解调和 PCM 解码以恢复原信号。1.2 课程设计的要求(1本设计开发平台为 MATLAB/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。1.3 设计平台MATLAB/Simulink2 设计原理2.1带通通信概述数字信号的传输方式分为基带传输(baseband transmission和带

6、通传输(bandpass transmission 。实际中的大多数信道(如无线信道因具有带通特性而不能直接传送基带信号,这是因为数字基带信号往往具有丰富的低频分量。为了使数字信号在带通信道 中传输,必须用数字基带信号对载波进行调制,以使信号与信道的特性相匹配。这种用 数字基带信号控制载波,把数字基带信号变为数字带通信号(已调信号的过程称为数 字调制(digital modulation 。在接收端通过解调器把带通信号还原称数字数字基带信号 的过程称为数字解调(digital demodulation 。通常把包括调制和解调过程的数字传输系 统叫做数字带通传输系统 1。虽然数字基带传输系统可以

7、在距离比较短的情况下直接传 送,但是如果要远距离传输时,特别是无线或光纤信道传输时,则必须经过调制将信号 频谱搬移到高频处才能在信道中传输 2。一般来说,数字调制与模拟调制的基本原理相 同, 但是数字信号有离散取值的特点。 因此数字调制技术有两种方法 :利用模拟调制的 方法去实现数字式的调制,即把数字调制看成是模拟调制特例,把数字基带信号当做模 拟信号的特殊情况处理;利用数字信号的离散取值特点通过开关键控载波,从而实现 数字调制。这种方法通常称为键控法,比如对载波的振幅、频率和相位进行键控,便可 获得振幅键控(Amplitude Shift Keying,ASK 、频移键控(Frequency

8、 Shift Keying,FSK 和相移键控(Phase Shift Keying,PSK三种基本的数字调制方式 1。语音信号是模拟信 号,在对模拟信号进行远距离传输时。应先通过编码,将模拟信号变换为数字信号。在 对语音信号进行编码的方法主要可以分为三类:波形编码(波形编码常用的编码类型有 PCM 、 ADM 、 ADPCM 、 APC 、 SBC 、 ATC ,参数编码和混合编码 2。2.2 PCM编码原理PCM 是脉冲编码调制的简称,实际上就是实现模拟信号数字化的一个完整过程:首先对模拟信号波形进行时间离散化,再对每个样值幅度独立进行量化和编码,接收端 则做完全相反的处理。 PCM 的组

9、成方框图如图 2-1所示。 输 入 信 号输 出 信 号 图 2-1 PCM通信系统方框图对于语音信号,通常采用 8kHz 的抽样速率,由于是对每个样值独立编码,要求码 组允许的信号动态范围就是原语音信号的动态范围。该范围很大,为保持一定的精度, 需要较多的编码位数。 PCM 编码系统每一样值编码采用的是 8位非线性码,对应线性 编码需要 11位,实际编码速率为 64kbit/s。为了便于用数字电路实现对数量化和 8位非线性编码, 现在采用的都是 A 律 13折线和 率 15折线近似的对数压扩特性, 分别对应 的参数为 A=87.56, =255。 A 率的对数压缩率满足式(2-1 。(2-1

10、率的对数压缩公式满足式(2-2 。(2-2现以 A 率 13折线压扩为例描述。假设信号在量化前已经过归一化处理,即动态范 围统一为 -1, 1。 A 率 13折线的画法是:先在 0和 -10上分别把 y 轴均匀的分为 8段;在 x 轴上,采用对折线法把 0和 -10之间的线段分别分为 8个不均匀段,正半轴 各段的分界点为 1/128、 1/64、 1/32、 1/16、 1/8、 1/4、 1/2、 1,负半轴和正半轴关于原点 对称,从原点出发把个段对应的分界点连接成折线。在每段折线内,再进行 16级均匀 量化,因此总的量化级数为 L=256,对应的编码位数是 8位。显然不同段落上的量化间 隔

11、不同,最小量化间隔位于第 I 、 II 段,该间隔称为一个量化单位,因此正负信号区间 (0, 1和 (-1, 0内各包括 2048个量化单位 2。 A=87.56对数压扩特性与 13折线的比较 (正 半轴如表 2-1所示。表 2-1 A=87.56对数压扩特性与 13折线的比较(正半轴 PCM 编码及译码的模型如图 2-2所示。11( 1(1 1(1-+±=x n x n y <+±+=1|1n 11|n 111|0n 11x AA x A A x A Ax y 图 2-2 PCM 编码及译码的模型图2.3 PSK调制原理相移键控是利用载波的相位变化来传递数字信息的,

12、 而振幅和频率保持不变。 在 PSK 中,通常用初始相位 0和 分别表示二进制“ 1”和“ 0” 。因此, PSK 信号的时域表达 式为式(2-3 。( c o s P S K c e t A t = (2-3 其中, n 表示第 n 个符号大的绝对相位。当发送“ 0”时, n 为 0; 当发送“ 1”时, n 为 。因此式(2.3-1可改写为式(2-4 。cos ( cos c PSK c A t e t A t =-(2-4 其中 cos c A t 的概率为 P , cos c A t -的概率为 -P 。由于表示信号的两种码元的波形相 同,极性相反,故 PSK 信号一般可以表述为一个双

13、极性全占空矩形脉冲序列与一个正 弦载波的相乘,即式(2-5 。( (cos PSK c e t s t t = (2-5 其中 ( s t 的表达式为式(2-6 。1( ( ni s i s t a g t nT =- (2-6这里, ( g t 是脉宽为 s T 的单个矩形脉冲。发送二进制符号“ 0”时(i a 取 1 , ( PSK e t 取 0相位;发送二进制符号“ 1”时(i a 取 -1 , ( PSK e t 取 相位。这种以载波的不同相位 直接去表示二进制数字信号的调制方式,称为二进制绝对相移方式 1。PSK 信号的调制原理框图如图 2-3和图 2-4所示。 双极性不图 2-3

14、 PSK信号模拟调制方法图 开关电路图 2-4 PSK信号键控法调制图PSK 信号的解调通常采用相干解调法,如图 2-6所示。 图 2-6 PSK信号相干解调法3设计步骤3.1 PCM 编码与译码本课程设计中将运用 A 率压扩的 PCM 编码方法,对输入的信号进行非均匀量化, 最后进行编码,再将得到的信号进行译码输出。它的设计步骤如下:运行 MATLAB ,打开模块库。 新建一个拓展名为 MDL 的文件。 找到 Signal wave模块作为信号源。 找到 Saturation 、 Abs 、 Lookup Table、 Gain 、 Quantizer 、 Integer to Bit Co

15、nverter和 Mux 等模 块,组成编码端。其设计的仿真电路图如图 3-1所示。 图 3-1 PCM编码端仿真电路图其中 Saturation 模块用于限幅,将输入的信号幅度限制在 -1 1之间。 Relay 模块用 于保持极性保持。 Lookup 模块用于查表。各模块参数设置如图 3-2、图 3-3、图 3-4、图 3-5、图 3-6所示。 图 3-2 Saturation模块参数设置 图 3-3 Relay模块参数设置 图 3-4 Lookup模块参数设置 图 3-5 Quanziter模块参数设置 图 3-6 Integer to Bit Converter模块参数设置 译码端的仿真

16、电路图如图 3-7所示。 图 3-7 译码端的仿真电路图译码端的各模块参数设置如图 3-8、图 3-9、图 3-10所示。 图 3-8 Relay模块参数设置 图 3-9 Bit to Integer Converter模块参数设置 图 3-10 LookupTable参数设置所以 PCM 编译码的仿真电路图如图 3-11所示。 图 3-11 PCM编译码的仿真电路图将系统进行仿真便可由示波器得到波形仿真图,如图 3-12所示。 图 3-12 原信号与信号经编译码后的波形对比图由图 3-12我们可清晰地看到,原信号和经过编译码后的波形基本一致。所以本次设计的 PCM 编译码仿真系统是符合设计要

17、求的。3.2 PSK 调制与解调整个 PSK 的仿真系统的调制与解调过程为:首先将信号源的输出信号经过码型变 换后与载波通过相乘器进行相乘,送入信道中传输。在接收端通过带通滤波器后再次与 载波相乘,接着通过低通滤波器、抽样判决器,最后由示波器显示出各阶段波形,并用 误码器观察误码率。 PSK 调制与解调仿真电路图如图 3-13所示。 图 3-13 PSK调制与解调仿真电路图其中各模块参数设置如图 3-14、图 3-15、图 3-16、图 3-17、图 3-18、图 3-19、图 3-20所示。 图 3-14 信号源模块参数设置图 3-15 载波的参数设置 图 3-16码变换器的参数设置带通滤波

18、器的最低频率设置为载波频率与调制信号频率之差,即 200*pirad/s; 最高 频率设置为载波频率与调制信号频率之和 , 即为 600*pirad/s。如图 3-17所示。 图 3-17 带通滤波器参数设置 低通滤波器的频率设置应为信号频率,即 200*pirad/s。如图 3-18所示。 图 3-18 低通滤波器参数设置抽样判决器的频率设置应为信号频率,即 200*pirad/s。如图 3-19所示。 图 3-19 抽样判决器的参数设置 图 3-20 误码器的参数设置最后示波器的波形如图 3-21所示。 图 3-21 PSK调制与解调波形图 3-21中由上到下的各波形依次为:载波波形、矩形

19、脉冲信号波形、信号经调制后的波形、已调信号经过带通滤波器后的波形、调制信号经过低通滤波器后的波形和经 抽样判决后的波形。由各波形我们可看出该 PSK 调制解调系统符合设计要求。3.3 将 PCM 系统与 PSK 系统组合并加入高斯白噪声将 PCM 和 PSK 进行组合时,首先对信号进行 PCM 编码与 PSK 调制,然后将调制 信号送入已加入高斯白噪声的信道中传输。再将信号进行 PSK 调制和 PCM 译码。组合 系统的仿真电路图如图 3-22所示。 图 3-22 PCM系统与 PSK 系统组合仿真电路图PCM 编码子系统仿真电路如图 3-23所示。 图 3-23 PCM编码子系统仿真电路图有

20、所不同的是在进行 PSK 调制前信号必须进行帧转换这一阶段,即系统将经过 PCM 编码量化的 n 个比特序列以帧的形式输出,即每一帧含有 n 个比特。在 PSK 解调 后再对其进行码变换。对应的帧变换子系统电路图及相关模块参数设置如图 3-24、图 3-25、图 3-26所示。 图 3-24 帧变换子系统仿真电路图 图 3-25 Buffer模块参数设置 图 3-26 Unbuffer模块参数设置 PSK 调制与解调子系统仿真电路图如图 3-27所示。 图 3-27 PSK调制与解调子系统仿真电路图各主要模块参数设置如图 3-28、图 3-29、图 3-30、图 3-31、图 3-32、图 3

21、-33所示。 图 3-28 载波模块参数设置带通滤波器的最低频率设置为载波频率与调制信号频率之差, 即 2400*pirad/s; 最高 频率设置为载波频率与调制信号频率之和 , 即为 4000*pirad/s。如图 3-29所示。 图 3-29 带通滤波器参数设置低通滤波器的频率设置应为信号频率,即 1600*pirad/s。如图 3-30所示。 图 3-30 低通滤波器的参数设置 图 3-31 抽样判决器的参数设置 图 3-32 误码器的参数设置 图 3-33 高斯白噪声的参数设置最后由示波器我们可看出各点的波形图。如图 3-34所示。 图 3-34 PSK调制与解调波形图 3-34中由上

22、到下的各波形依次为:载波波形、输入信号波形、信号经调制后的 波形、已调信号经过带通滤波器后的波形、调制信号经过低通滤波器后的波形和经抽样 判决后的波形。由各波形我们可看出该 PSK 调制解调系统符合设计要求。信号误码率如图 3-35所示。 图 3-35 误码率显示图由图 3-35我们看出在 7998个码元当中出现了 18个误码,系统的误码率提高了。 延时子系统的仿真电路图如图 3-36所示。 图 3-36 延时子系统的仿真电路图延时参数设置如图 3-37所示。 图 3-38 延时参数设置PCM 解码子系统仿真电路图如图 3-39所示。 图 3-39 PCM解码子系统仿真电路图系统的输出波形如图

23、 3-40所示。 图 3-40 系统输入信号与输出信号波形对比图由图 3-40中的输入信号与输出信号波形我们可看出,在加入了高斯白噪声后输出信号波形在局部出现了失真,但是整体的系统抗噪声性能还是符合设计要求的。3.4 以语音信号为信源建立一个语音信号输入模块。其仿真电路图如图 3-41所示。 图 3-41 语音信号输入模块框图From Wave Device模块参数设置如图 3-42所示。 图 3-42 From Wave Device模块参数设置To Wave File模块参数设置如图 3-43所示。 图 3-43 To Wave File模块参数设置加入语音信号的系统仿真电路图如图 3-4

24、4所示。 图 3-44 加入语音信号的系统仿真电路图各子系统的仿真电路图如图 3-45、图 3-46、图 3-47、图 3-48、图 3-49所示。 图 3-45 PCM编码子系统仿真电路图 图 3-46 帧变换子系统仿真电路图 图 3-47 PSK调制与解调子系统仿真电路图 图 3-48 延时子系统仿真电路图 图 3-49 PSK解调子系统仿真电路图在本系统中,它的 5个子系统的模块和 3.3小节中的子系统的模块图形是一样的, 不同的只是在参数设置方面。在本课程设计中,语音的录制的时候语音的采样时间是 1/8000s,所以以下的参数设置根据这个时间进行计算。PCM 的编码子系统的参数设置不变

25、,关键是在调制和解调方面的设置的变化。 帧变换子系统设置:将 Buffer 模块的参数设个 8。PSK 解调与调制子系统的参数设置:语音采样频率为 8000Hz ; Sine Wave设置为 256000*pirad/s; 低通滤波器设置为:128000*pirad/s; 带通滤波器设置为:Lower passband edge frequency为 128000*pirad/s , Upper passband edge frequency为 384000*pirad/s。 延时设置为:1/64000s。其他子系统参数设置不变。From Wave File模块参数设置如图 3-50所示。 图

26、 3-50 From Wave File模块参数设置语音信号系统输入语音信号与输出语音信号波形对比图如图 3-51所示。 图 3-51 输入语音信号与输出语音信号波形对比图由图 3-51中的输入语音信号与输出语音信号波形来看,在加入了高斯白噪声的情况下 仿真系统还是能够较好的将输入的语音信号还原出来, 使输出的语音信号与输入的语音 信号基本保持一致。4出现的问题及解决方法4.1 出现的问题:(1信号在经过所设计的带通通信仿真系统后波形出现失真。(2示波器图形只出现一半。(3在没有加入高斯白噪声的情况下解调误码率不为 0。(4系统不能够传送并行数据。(5加入噪声之后,误码率显著提高。(6解调波形

27、时无失真,但解码后波形严重失真。4.2 解决办法(1这是因为信号进行抽样时没有满足奈奎斯特定理。为了能从取样信号中恢复 原信号, 抽样必须满足奈奎斯特定理, 即抽样频率应大于或等于两倍的原始信号频率 2。 (2在示波器图中修改 data history中的 limit data points to last的数据再重新运行 simulink 观察示波器即可看到准确图形。(3在出现误码数据时,我们可以通过修改 error rate calculation 中 receive delay 的数据这种手段直到误码数据为零。在本设计中我们将 receive delay设为 2即可解决此 种情况。(4在

28、传送 PCM 编码后的数据时,首先应该进行帧变换,送入缓冲模块 Buffer 中,再通过 Unbuffer 一个一个的将数据传送出去。(5在本课程设计中通过提高载波的频率,并相应的改变带通滤波器的参数设置 来解决此种情况的发生。(6这是由于信号经过低通滤波器后会产生时延,而本次课程设计中信号是以帧 的形式进行传输,因而在解调输出端若直接使用解调信号,将会产生波形失真。因此我 们在解调输出端加入相对应的延时模块即可解决此种问题。5 结束语此次通信原理课程设计虽然时间只有短短的两周时间, 但是在两周时间内我收获到 了很多原来没有体验过的东西。 本课程设计的目的主要是让我们了解仿真通信系统中的 信源编码和频带传输。这次课程设计使我学会了用 MATLAB/Simulink仿真系统初步的 设计方法。在这次课程设计中,我初步了解了如何用 MATLAB/Simulink这个仿真软件 进行 PCM 编码和译码系统的设计,以及 PSK 系统的调制和解调的设计。并且明白了如 何将两个系统组合起来实现语音信号的频带传输。这次课程设计不仅巩固我们在书上学习的基本内容, 还在一定程度上提高了我们的 动手能力。同时,在这