语音信号基带传输通信系统仿真

长沙理工大学

《通信原理》课程设计报告

赵 旋

学 院 计算机与通信工程 专 业 通信工程 班 级 通信10-03 学 号 33 学生姓名 赵 旋 指导教师 廖太长 课程成绩 完成日期 2012年12月28日

学 院 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

指导教师对课程设计的评定意见

课程设计任务书

计算机与通信工程学院 通信工程 专业

目录

1引言.................................................................................................................1 1.1 课程设计的目的.....................................................................................1 1.2 课程设计的要求.....................................................................................2 1.3 设计平台.................................................................................................2 2设计原理.........................................................................................................2 2.1 基带通信概述.........................................................................................2 2.2 PCM的编码方法......................................................................................3 2.3 线性码编码方法.....................................................................................4 3 系统设计........................................................................................................5 3.1 系统设计框图.........................................................................................5 3.2 PCM编码器系统设计..............................................................................5 3.3 PCM译码器系统设计..............................................................................9

3.4 加入线性码后的系统设计.....................................................................13

3.5 语音信号的PCM和线性编解码仿真..................................................20 3.6 误码率曲线绘制.....................................................................................22

4仿真电路的分析与总结..............................................................................24 5 结束语..........................................................................................................25

语音信号基带传输通信系统仿真

——基于PCM编码和线性码

学生姓名：赵 旋 指导老师：廖太长

摘 要 本课程设计的目的主要是仿真通信系统中的信源编码与纠错编码。在课程设计中实验平台为MATLAB中的Simulink模块。绘制误码率曲线用的是MATLAB中的M文件。语音信号通过PCM编码，线性编码，然后通过二进制对称信道，在经过线性解码和PCM解码后经过低通滤波器滤波，最后还原出语音信号，从而仿真信号在基带系统中传输。改变信道误码率，用M文件计算并绘制误码率曲线图。绘制出的系统误码率曲线随着信道误码率的增大而增大，符合理论要求。本次课程设计中，语音信号在基带中传输后能较完美的还原，成功的做到了信源编解码和纠错编解码。

关键词 PCM；线性码；MATLAB；Simulink；M文件

1 引 言

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编码后再进行线性编码，送入二进制对称信道传输，在接收端对其进行线性码解码和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，并结合理论进行说明。

1.1 课程设计目的

在MATLAB中的Simulink模块上模拟通信系统的信源编码和纠错编码，对语音信号进行基带传输。链接通信系统的基带传输与编解码技术。

熟悉Simulink模块的使用，会用M文件绘制误码率曲线图。

1.2 课程设计的要求

调用模块产生模拟正弦信号，对模拟信号进行采样、量化PCM编码，将编码后的信号

进行线性纠错编码，对信号通过二进制对称信道，再进行线性纠错解码。解码后的信号再进行PCM解码，还原出原信号。改变信道误码率，计算并绘制误码率曲线图，成功后用自己录入的语音信号代替正弦信号进行调制。

1.3 设计平台

本课程设计的平台是MATLAB7.0下的Simulink6.0。MATLAB是一种功能强大的科学计算和工程仿真软件，他的交互式集成界面能够帮助用户快速的完成数值分析、矩阵运算、数字信号处理、仿真建筑、系统控制。优化等功能。而Simulink是MATLAB提供的用于对动态系统进行建筑方针和分析的工具包。Simulink是MATLAB最重要的组件之一，它提供一个动态系统建模、仿真和综合分析的集成环境。在该环境中，无需大量书写程序，而只需要通过简单直观的鼠标操作，就可构造出复杂的系统。Simulink具有适应面广、结构和流程清晰及仿真精细、贴近实际、效率高、灵活等优点，并基于以上优点Simulink已被广泛应用于控制理论和数字信号处理的复杂仿真和设计。

2 设计基本原理

2.1 基带通信概述

基带：信源（信息源，也称发终端）发出的没有经过调制（进行频谱搬移和变换）的原始电信号所固有的频带（频率带宽），称为基本频带，简称基带。

基带信号：信源（信息源，也称发终端）发出的没有经过调制（进行频谱搬移和变换）的原始电信号。其特点是频率较低，信号频谱从零频附近开始，具有低通形式。根据原始电信号的特征，基带信号可分为数字基带信号和模拟基带信号（相应地，信源也分为数字信源和模拟信源。）其由信源决定。由于在近距离范围内基带信号的衰减不大，从而信号内容不会发生变化。因此在传输距离较近时，计算机网络都采用基带传输方式。

基带传输：不经过调制直接传输。基带通信亦为基带传输。 它的基本结构如图2-1所示。

图2-1 基带传输系统的基本结构

2.2 PCM的编码方法

PCM（脉冲光编码调制）：数字通信的编码方式之一。主要过程是将话音、图像等模拟信号每隔一定时间进行取样，使其离散化，同时将抽样值按分层单位四舍五入取整量化，同时将抽样值按一组二进制码来表示抽样脉冲的幅值。

模拟信号数字化必须经过三个过程，即抽样、量化和编码，以实现话音数字化的脉冲编码调制。抽样是将模拟信号转换为时间离散的样本脉冲序列；量化是将离散时间连续幅度的抽样信号转换成为离散时间离散幅度的数字信号；编码是用一定位数的脉冲妈祖表示量化采样值。其原理图如图2-3所示。

量化分为均匀量化和非均匀量化。均匀量化时，对编码范围内小信号或大信号都采用等量化级进行量化，非均匀量化的实现方法通常是将抽样值通过压缩再进行均匀量化。我国一般采用A压缩率，即13折线法。

图2-2 13折线

（a）编码器

PCM信号模拟信号 输入输出 (b)译码器

图2-3 PCM原理方框图

2.3 线性码编码方法

在计算机系统中，信息均按字节或字组成，故一般采用分组码。对信源输出的序列，若按每组长k位进行分组，则在二进制情况下共有2k个不同的组合，若按某一种规则，将每一组k位增加r位校验位（r=n-k，n是含有码元的个数）。使之成为具有一定纠错或检错能力的码字，则在2k个码字集合构成分组码。分组码的规律性是局限在一个码组之内的，如果这种规律性是以一线性方程组来表示的，则这种分组码就叫做线性分组码。 分组码一般可用符号（n,k）表示，其中k是每组的信息元数目，n是码组的总位数，又称为码组的长度（码长）。r=n-k 为码组的监督元数目。长为n的所以二进制组（或称n重）共有2n个，但长为k的信息组只有2k个，因此分组码实际上就是以一定的规则从2n个n重中挑选出2k个n重，使2k个信息组与2k个n重之间建立一一对应关系，这2k个n重组成了一个（n,k）分组码。通常称这2k个n重为许用码组，简称码组，码矢或码字，而其余的2n-2k个n重为禁用码组。

在（n,k）线性分组码中，常用编码效率R衡量码的有效性，它定义为信息位在码字中所占的比重：R=k/n ，R越大，表明码的冗余度越小。

两个码组对应位上数字不同的个数称为码组的距离，简称码距，也叫汗明距离。对于（n,k）线性码来说，2k个码字中所有可能码字对之间的汗明距离中最小的距离称为该码的最小汉明距离，用dmin表示，这是衡量这种编码检错和纠错能力的重要参数。

3 系统设计

3.1 系统设计框图

调用模块产生模拟正弦信号，对模拟信号进行采样、量化、PCM编码，将编码后的信号用通信模块库中的模块再进行线性纠错编码，让信号通过二进制对称信道传输，然后进行线性纠错解码。解码后的信号再进行PCM解码，还原出原信号。设计原理图如图3-1所示。

图3-1设计原理图

3.2 PCM编码器系统设计

图3-4 13折线近似的PCM编码器测试模型和仿真结果

测试模型和仿真结果如图3-4所示。其中以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，以A-Law Compressor作压缩器，Relay模块的门限值设置为0，其输出即可作为PCM编码输出的最高位——极性码。样值取值绝对值后，用增益模块将样值放大到0-127，然后用间隔为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。

各模块具体参数设置如下：

图3-5 Saturation参数设置(将输入信号幅度值限制在PCM编码的定义范围内

)

图3-6 Abs参数设置(取绝对值)

图3-7 A-Law Compressor参数设置(A率13折线)

图3-8 Relay参数设置(作用是生成极性位)

图3-9 Gain参数设置

图3-10 Quantizer

参数设置

图3-11 Integer to Bit Converter参数设置(将十进制转换为七位二进制)

图3-12 Mux1 参数设置

图3-13 Display 参数设置

图3-14 封装后的PCM编码子系统图标

3.3 PCM译码器系统设计

图3-15 13折线近似的PCM译码器测试模型和仿真结果

测试模型和仿真结果如图3-5所示。其中PCM编码子系统是3.2中编码器封装之后的。PCM解码器中首先分离并行数据中的最高位（极性码）和7位数据。然后将7位数据转换位整数值，再进行归一化，扩张后与双极性的极性码相乘得出解码值。

各模块具体参数设置如下：

图3-16 Demux参数设置

图3-17 Mux参数设置

图3-18 Bit to Integer Converter 参数设置(将七位二进制码转换为十进制码)

图3-19 Relay 参数设置(相乘判断符号)

图3-20 A-Law Expander 参数设置

图3-21 Product 参数设置

图3-22 Display 参数设置

图3-23 封装后的PCM译码系统的图标

3.4 加入线性码后的系统设计

图3-24 PCM与线性码原理图

对模拟正弦信号进行采样、量化、PCM编码、成帧，进行线性编码再经二进制对称信道传输再进行线性解码，PCM解码滤波后恢复出原信号。

示波器各个监测点波形如下图：

图3-25 示波器波形

观察PCM编解码的正弦信号波形，采样后的波形，成帧后的波形，量化解码后的波形，恢复后的波形。解码器前后波形基本相同，最后恢复的正弦信号有些延迟。

各个元件参数设置如下：

图3-26 Sine Wave 参数设置

图3-27 Zero-order Hold 参数设置(采样频率取二倍)

图3-28 Buffer2 参数设置(缓存8位送入后面)

图3-29 Binary Linear Decoder 参数设置(线性码的生成矩阵)

图3-30 Reshape 参数设置

图3-31 Analong Filter Design 参数设置(频率设为二倍原信号频率)

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/hz4j.html