语音信号频带传输通信系统仿真——基于PCM编码和PSK调制

《语音信号频带传输通信系统仿真——基于PCM编码与PSK调制》第1页共26页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《语音信号频带传输通信系统仿真——基于PCM编码与PSK调制》第2页共26页广泛[1]。本课程设计主要是设计一个基于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（basebandtransmission）和带通传输（bandpasstransmission）。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《语音信号频带传输通信系统仿真——基于PCM编码与PSK调制》第3页共26页带信号，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（digitalmodulation）。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（digitaldemodulation）。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:①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；②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（AmplitudeShiftKeying,ASK）、频移键控（FrequencyShiftKeying,FSK）和相移键控（PhaseShiftKeying,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]。2.2PCM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的组成方框图如图2-1所示。抽样量化编码平滑滤波译码传输输入信号输出信号图2-1PCM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《语音信号频带传输通信系统仿真——基于PCM编码与PSK调制》第4页共26页线性编码，现在采用的都是A律13折线和μ率15折线近似的对数压扩特性，分别对应的参数为A=87.56，μ=255。A率的对数压缩率满足式（2-1）。（2-1）μ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-1~0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-1~0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2-1A=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xnxny1||1n11||n111||0n11xAAxAAxAAxy《语音信号频带传输通信系统仿真——基于PCM编码与PSK调制》第5页共26页抽样量化器编码器脉冲译码器信道噪声低通滤波器语音输入语音输出图2-2PCM编码及译码的模型图2.3PSK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，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）。()cosPSKcetAt（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()coscPSKcAtetAt（2-4）其中coscAt的概率为P，coscAt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）。()()cosPSKcetstt（2-5）其中()st的表达式为式（2-6）。1()()nisistagtnT（2-6）这里，()gt是脉宽为sT的单个矩形脉冲。发送二进制符号“0”时（ia取1），()PSKet取0相位；发送二进制符号“1”时（ia取-1），()PSKet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]。《语音信号频带传输通信系统仿真——基于PCM编码与PSK调制》第6页共26页PSK信号的调制原理框图如图2-3和图2-4所示。码型变换S(t)乘法器双极性不归零载波epsk(t)图2-3PSK信号模拟调制方法图载波180度移相0180度开关电路epsk(t)S(t)图2-4PSK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。相乘器BPFLPF抽样判决器epsk(t)载波定时脉冲输出图2-6PSK信号相干解调法3设计步骤3.1PCM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，《语音信号频带传输通信系统仿真——基于PCM编码与PSK调制》第7页共26页打开模块库。新建一个拓展名为MDL的文件。找到Signalwave模块作为信号源。找到Saturation、Abs、LookupTable、Gain、Quantizer、IntegertoBitConverter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3-1PCM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[-11]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3-2Saturation模块参数设置图3-3Relay模块参数设置《语音信号频带传输通信系统仿真——基于PCM编码与PSK调制》第8页共26页图3-4Lookup模块参数设置图3-5Quanziter模块参数设置图3-6IntegertoBitConverter模块参数设置译码端的仿真电路图如图3-7所示。《语音信号频带传输通信系统仿真——基于PCM编码与PSK调制》第9页共26页图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3-8Relay模块参数设置图3-9BittoIntegerConverter模块参数设置《语音信号频带传输通信系统仿真——基于PCM编码与PSK调制》第10页共26页图3-10LookupTable参数设置所以PCM编译码的仿真电路图如图3-11所示。图3-11PCM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《语音信号频带传输通信系统仿真——基于PCM编码与PSK调制》第11页共26页设计的PCM编译码仿真系统是符合设计要求的。3.2PSK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