DPCM编码和BCH码

XX《语音信号基带通信传输系统仿真》第1页共29页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DPCMEncoder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。XX《语音信号基带通信传输系统仿真》第2页共29页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。2.1MATLAB技术MATLAB是由美国MathWorks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、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。XX《语音信号基带通信传输系统仿真》第3页共29页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。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。图2.1DPCM系统原理方框图抽样量化器编码器信道译码器延迟Ts延迟TsXX《语音信号基带通信传输系统仿真》第4页共29页根据课程题目，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0d的二元本原BCH码满足：1t2ddmtk-nr12n0minm，，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（m3）和正整数tm/2，必定存在一个码长为12nm,监督位为mtkn，能纠正所有不多余t个随机错误的BCH码。若码长n=(m2-1)/I(i1，且除得尽(m2-1))，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/Findblock，在弹出的对话框中输入要寻找的模块名称，即可方便快捷的找到需要的模块。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“Addtothecurrentmodle”选项添加模块。在模型建立界面中加入正弦信号后，双XX《语音信号基带通信传输系统仿真》第5页共29页击正弦信号模块，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NumbersofAxes项中设置需要观察的波形路数，在DataHistory页面的Limitdatapointstolast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XX《语音信号基带通信传输系统仿真》第6页共29页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DPCMEncoder，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=0:0.1:10;x=sin(2*pi*t);helpdpcmopt[PREDICTOR,CODEBOOK,PARTITION]=DPCMOPT(x,1,4)依据以上程序可得到DPCMEncoder的参数：PREDICTOR=00.8172CODEBOOK=-0.5129-0.18160.18160.5129PARTITION=XX《语音信号基带通信传输系统仿真》第7页共29页-0.34730.00000.3473将计算所得的结果相应的填入DPCMEncoder模块参数设置对话框中，单击“OK”完成DPCMEncoder模块参数设置。运用示波器观察DPCM编码后仿真波形。DPCM编码模型图如图3.6所示。图3.6DPCM编码模型图DPCMEncoder参数设置如图3.7所示。图3.7DPCMEncoder参数设置DPCM编码仿真波形如图3.8所示。图3.8DPCM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XX《语音信号基带通信传输系统仿真》第8页共29页数形式转化为比特形式，因此需要调用一个IntegertoBitConverter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2bit，故在参数设置对话框中应填入“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XX《语音信号基带通信传输系统仿真》第9页共29页如图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FrameConversion、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3.13Buffer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XX《语音信号基带通信传输系统仿真》第10页共29页串并转换后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BCHEncoder模块再进行纠错编码。BCH编码需要调用Buffer、BCHEncoder及串并转换模块。本次课程设计中由于BCHEncoder采用默认参数，即N=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3.16BCH编码模型图BCHEncoder参数设置如图3.17所示。图3.17BCHEncoder参数设置XX《语音信号基带通信传输系统仿真》第11页共29页BCH编码后仿真波形图如图3.18所示。图3.18BCH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