单路数字语音通信系统仿真.doc

《单路数字语音通信系统仿真.doc》由会员分享，可在线阅读，更多相关《单路数字语音通信系统仿真.doc（69页珍藏版）》请在淘文阁 - 分享文档赚钱的网站上搜索。

1、Four short words sum up what has lifted most successful individuals above the crowd: a little bit more.-author-date单路数字语音通信系统仿真湖南工程学院湖南大学课 程 设 计课程名称 通信原理 课题名称 单路数字语音通信系统的仿真 专 业 电子信息工程 班 级 学 号 姓 名 指导教师 2010年 03 月 01 日湖南大学课 程 设 计 任 务 书课程名称 通信原理 题 目 单路数字语音通信系统的仿真专业班级 电子信息 学生姓名 学号： 指导老师 审 批 任务书下达日期 2010

2、年3月01日设 计 完成日期 2010年3月12日 设计内容与设计要求一、设计内容：利用SystemView对一个单路语音数字通信系统进行仿真，信道视为理想信道，语音编码方式和调制方式不限。1、确定一个单路语音通信系统的系统方框图；2、利用SystemView对系统进行仿真。二、设计要求1、给出系统框图以及仿真电路图，说明各模块参数设置；2、给出语音编、调制、解调、解码的仿真结果，并对其进行分析；主要设计条件SystemView软件；说明书格式1. 课程设计封面；2. 任务书；3. 说明书目录；4. 设计基本原理与系统框图。5. 各单元电路设计；6. 系统进行调试结果；7. 总结与体会；8.

3、附录；9. 参考文献。进度安排2月16日：下达设计任务书，介绍课题内容与要求； 2月17日：查找资料；2月18日20日：设计系统框图、完成仿真电路图的连接；2月21日24日：设置调试仿真参数，得出仿真结果并进行分析；2月25日26日：编写并打印设计报告；2月27日：答辩。参考文献1、樊昌信主编，通信原理，国防工业出版社。2、南利平主编，通信原理简明教程，清华大学出版社。 3、浣喜明，通信原理实验指导书，湖南工程学院。4、罗卫兵等，SystemView动态系统分析及通信系统仿真设计，西安电子科技大学出版社。 目录一、设计思路及系统总框图1二、各模块电路设计与仿真2 编码与译码21、基本原理21）

4、量化22）编码32、设计与仿真3 调制与解调61、基本原理61）调制62）解调72、设计与仿真8三、系统总体设计及调试10四、总结与体会14五、附录15六、参考文献19一、设计思路及系统总框图实际中的语音信号为模拟信号，为实现信号有效高速的传输，首先须将模拟信号转换为数字信号。实现这一转换的过程称为语音编码。语音编码分为抽样、量化、编码三个步骤。这样，把取值连续的模拟信号转换成为了离散的数字基带信号。实际中大多数通信通道都是带通信道，即频率通带远离f=0的信道。基带信号只适合在低通型信道中传输。为了使数字信息在带通信道中传输，须用数字基带信号对载波进行调制，将载有信息的信号频率搬迁到信道的频带

5、之内。频带调制可以有效地使信号与信道的频谱特性相匹配，使信道噪声的影响减小到最低。至此，可以实现信号的发送。经过理想信道的传输，在接受端收到了无损耗的调制信号。对应于调制，在接收端首先对调制信号进行解调，恢复成原来的基带信号。得到恢复出来的数字基带信号后，再经过译码，便可将数字信号还原为原始的模拟语音信号。由此得到的系统框图如图1所示。模拟语音信号编码调制解调译码信道传输图1 系统总框图二、各模块电路设计与仿真 编码与译码1、基本原理脉冲编码调制PCM是将模拟信号变换成二进制信号的基本和常用方法。在脉冲编码调制中，首先对模拟信号最低以奈奎斯特速率进行抽样，然后对抽样值进行量化和编码，从而得到数

6、字信号。从通信的调制概念看，可以认为PCM编码过程是用模拟信号调制一个二进制的脉冲序列，载波是脉冲序列，调制改变脉冲序列的有无（为“1”、“0”）的过程。模拟信号输入抽样保持电路量化器编码器PCM信号译码器低通滤波器图2 PCM系统的原理方框图模拟信号输出实质上，脉码调制和A/D转换时一回事。PCM系统的原理方框图如图2所示。 图中模拟信号经抽样后得到了样值序列，样值序列在时间上是离散的，但在幅度上的取值还是连续的，即有无限多种取值。这样，就必须对样值进一步处理，使它成为在幅度上是有限种取值的离散样值。对样值幅度进行离散化处理的过程称为量化。1）量化根据量化器的特性，量化又分为均匀量化和非均匀

7、量化，以量化间隔相等与否来区分。在数字电话通信中，均匀量化则有明显的不足，主要是小信号的信噪比小，大信号的信噪比大，同时，在保证电话通话质量的前提下，编码位数较多。为了减少编码位数和提高小信号的信噪比，可采用非均匀量化的办法。非均匀量化可通过对信号非线性变换后再进行均匀量化来实现。进行非线性变换也即进行压缩变换。为了对不同的信号强度保持信号量噪比恒定，在理论上要求压缩特性为对数特性。国际电信联盟ITU提供两种建议，即A压缩律和压缩律。我国大陆采用A压缩律。实际中采用13折线法来近似A压缩律的曲线。2）编码得到量化电压后，有不同的编码方法对其编码。即自然二进制码和折叠二进制码。由于折叠码的误码对

8、小电压的影响较小，有利于较小语音信号的平均量化噪声，故采用折叠码进行编码。在13折线法中采用的折叠码有8位。其中第一位表示量化值的极性正负，后面的7位分为段落码和段内码两部分。其中第24位是段落码，其他4位为段内码。段内码代表的16个量化电平是均匀划分的。2、设计与仿真根据PCM原理的系统框图，用SystemView做出的仿真如图3所示。图3 PCM系统的SystemView仿真各图符功能及参数设置：用图符12的高斯噪声和图符1的低通滤波器来产生一个100Hz的随机模拟信号。图符3为A率压缩器，用于对模拟信号的非均匀量化。图符9为8位的A/D转换器，用于实现对信号的抽样及编码，其中每一个抽样值

9、编码为8位的二进制码。图符37为8选一数据选择器，用于实现编码得到的8位二进制码的并串转换及分时传送。图符38、39、40、41、42组成了一个8进制计数器，用于控制8选一数据选择器的分时发送。图符43为8位移位寄存器，用于实现8位分时传送的数据的接收及串并转换。图符17为8位锁存器，用于将接收到的数据每8位作为一个整体锁存。图符10为D/A转换器，用于将锁存器送来的8位二进制码进行译码，转换为模拟值。图符11为A率的扩张器，用于对还原的压缩信号进行扩张恢复。图符13为100Hz的低通滤波器，用于对还原的信号滤除高频分量，恢复出原始信号。由于A/D将一个抽样值转换为8位的二进制码，所以发送时须

10、先经过并串转换方能发送。在接收端同样要先串并转换再锁存才能进行D/A转换。同时在接收端要正确区分8位数据的开始与结束，才能正确还原出原始信号，否则，接收端译码出来的信号与原始信号将不一致。图符36、52、58的延时器是为了使发送和接受的时间互相配合。图4为A/D转换器、8进制计数器、8位移位寄存器、8位锁存器的时序图。图4中，计数器输出C2C1C0为111时，由计数器控制的数据选择器送出一帧的最后一位。在计数器变换为下一状态000之前，A/D转换器启动一次转换。于是，在计数器输出C2C1C0为000时，A/D已完成转换，数据选择器开始送出一帧的第一个值。同时，移位寄存器接收第一个值。移位寄存器

11、接收完第8个值后，锁存器马上执行一次锁存。于是，数据得以正确接收。图4 A/D转换器、计数器、移位寄存器、锁存器的时序图输入的模拟信号频率为100Hz，根据奈奎斯特定理，A/D转换器的抽样频率（即图符53）取400Hz。每个抽样值转换为8位的二进制码，则计数器的计数频率（即图符39）为3200Hz。同理，移位寄存器的频率（即图符44）也为3200Hz。每接收8位数据，锁存器锁存一次，故锁存器的频率（即图符35）为400Hz。运行该PCM系统得到的仿真图形如图5所示。图5中，第一个波形为输入的模拟信号，第二个波形为模拟信号经A率压缩后的信号。可以看出，信号源波形经过压扩后，小信号明显进行了放大。

12、第三个波形为信号的PCM编码。第四个波形为译码后得到的波形。第五个波形为经过低通滤波还原出来的波形。除了细微的地方，信号基本得以恢复。图5 PCM系统仿真波形图 调制与解调1、基本原理数字调制的三种基本方式为幅度键控调制（ASK）、频率键控调制（FSK）和相位键控调制（PSK）。三者中，2PSK信号具有最好的误码率性能。但是2PSK信号传输系统中存在相位不确定性，造成接受码元“0”和“1”的颠倒。为此，采用差分相移键控法（2DPSK）。1）调制2PSK是利用载波的绝对相位传送数字信息，因此又称为绝对调相。而2DPSK是用前后码元的载波相位相对变化来传送数字信息的，因此又称为相对调相。2DPSK

13、信号的产生过程是，首先对数字基带信号进行码反变换，即由绝对码变为相对码，然后再进行绝对调相。码反变换的规则为： (1.1)式1.1中为模2加，为的前一个码元，最初的可任意设定。模2加2PSK调制延迟Ts2DPSK信号图6 2DPSK调制框图2DPSK调制框图如图6所示。.2）解调abcdcp解调信号对2DPSK信号的解调有两种办法，一种是相干解调，另一种是差分解调。用差分解调法时不需要恢复本地载波，只需由收到的信号单独完成。将2DPSK信号延时一个码元间隔Ts，然后与2DPSK信号本身相乘。相乘器起相位比较的作用，相乘结果经低通滤波后再抽样判决，即可恢复出原始数字信息。差分解调框图如图7所示。

14、延迟TsLPF抽样判决位同步2DPSK信号图7 差分解调框图图七中各点波形如图8所示。差分解调又称延迟解调，只有2DPSK信号才能采用这种方法解调。差分相干解调不需要相干载波，但是抗噪声能力差，而且要做到精确的延迟一个码元周期也较难实现。2、设计与仿真图8 2DPSK差分解调各点波形图根据以上框图在SystemView做出仿真图如图9所示。图9 2DPSK差分解调仿真图 各图符功能及参数设置：图符0为伪随机信号，频率为1600Hz，用以产生一系列的随机数字信号。图符59（异或）、60（延迟）、78（脉冲）、80（抽样保持）组成了码反变换部分，把信号延迟一个码元周期后与当前码元相异或，得到相对码

15、。图符80的抽样保持用于保证准确延迟一个码元周期。图符61、62用于相对码的绝对调相。图符63、64为延迟解调，将收到的信号延迟一个码元周期后与当前信号相乘。图符68为三阶的Butterworth低通滤波器，频率为320Hz，滤除高频分量。图符65、66、67、69组成抽样判决部分，还原出信号。运行该模块得到的仿真结果如图10所示。图10 2DPSK差分解调仿真波形图图10中，第一个波形为原始数字信号，即绝对码；第二个波形为码反变换后的波形，即相对码，可以看到该波形符合“1变，0不变”的规则。第三个波形为调制后的波形，该波形属于对相对码的绝对调相。第四个波形为解调时延迟相乘后的波形；第五个波形

16、为经过低通滤波器后的波形；第六个波形为解调后经抽样判决得到的波形，可以看到，波形与第一个波形相同，即信号得以成功解调。三、系统总体设计及调试将以上PCM编解码部分及2DPSK调制和解调部分连接起来，就得到一个能实现单路语音通话的系统。总系统图及有关参数见附录。调试结果：图11 输入的模拟信号图11所示为输入的模拟语音信号。图12所示为模拟信号经过A律压缩后的波形。图12 A律压缩后的模拟信号可以看到经A律压缩后，小信号进行了放大。经过压缩后，不同的信号强度也能保持信号量噪比恒定。图13所示为压缩信号经过编码后的PCM信号。图13 编码后得到的PCM信号对于每一个抽样的值，转换为了8位的二进制信

17、号。抽样频率为400Hz，则数据速率达到了3200bps。图14 PCM信号和其码反变换信号图14所示为待发送的PCM信号经码反变换后的比较图。在图14中可以看出，因为无法做到精确延迟一个码元周期，所以在某些点上出现了细小的跳变，但是不影响接收端的正确解调。同时也可以看到，码反变换的信号符合“1变0不变”的规律。图15所示为PCM信号和其经过调制后的比较图。图15 PCM信号和其调制信号在图15中可以看出，信号的“1”、“0”是由相邻载波的相位变化来表示的。图16所示为发送的PCM信号和解调得到的信号比较图。图16 PCM信号和解调信号观察可知，信号解调成功，与发送前的PCM信号一致。图17所

18、示为原始语音信号与译码还原出来的信号的比较图。图17 输入信号与输出信号比较从图17可看出，除了一些细小的地方，信号基本上得到恢复。四、总结与体会这次的课程设计，收获良多。刚刚拿到课题的时候，看到是一个系统的设计仿真，第一感觉是要构建一个系统，必定要涉及很多的方面。当时的确是无从下手，在参考了资料后，我确定出大概的框图，简单地化分为四个模块：编码、译码、调制、解调。然后，我并没有开始搭建系统，而是根据划分的几个模块，分为几个小系统一个一个地做。然后把编码和译码合成一个小系统，调制和解调合成一个小系统。调试成功后，再把这两个小系统合成总的系统。这个过程中，让我学习到了一种方法，把难题划分成几个小

19、问题，然后一一解决。在做仿真的过程中，让我对书上的知识又加深了理解。一个系统其实远远不止以上提到的四个模块这么简单。就如在信号发送与接收中，会涉及到同步问题。PCM编码后一个抽样值转变成了8位二进制码，如果在接收端不能正确区分8位数据的开始和结束，则错误划分的数据还原出来的信号肯定与输入不一样。为了不让系统过于复杂，我采用加入延迟的方法，不停地调试，然后终于让发送端和接收端的时序问题解决，A/D启动转换后，数据选择器才开始发送第一个数据，接收端接收第一个数据时间上刚好配合好，而又不需要加入同步模块。但是经过这次的设计，让我体会到了同步的重要性。当然设计过程中还会遇到一些平时很少注意的东西。如在

20、PCM编码时，A/D转换后得到的8个数据怎么发送？当然不可能8路数据同时发送，所以涉及到了并串转换的问题。同样，在接收端也有同样的问题。我上网查找资料发现串并转换一般采用的是数据选择器和移位寄存器，于是，经过调试后这个问题也得到了解决，也让我增加了一点见识。除此之外，还有其他的一些问题，就像2DPSK的码反变换中的延时一个码元周期问题，也是让我调试了很久才解决的。调试的过程中也让我深深地体会到，很多问题也许一次两次都解决不了，但是只要还有时间，我们就可以再尝试，因为一次又一次的尝试也许就是一种进步。五、附录总电路图如图18所示。图18 系统总框图-各图符具体参数设置如表1.1所示。表1. 1

21、各图符参数TokenAttributeTypeParameters1OperatorLinear SysButterworth Lowpass IIR, 3 Poles, Fc = 100 Hz, Quant Bits = None, Init Cndtn = Transient, DSP Mode Disabled 2SinkAnalysisInput from t1 Output Port 0 3CommCompanderA-Law, Max Input = 19LogicADCTwos Complement, Gate Delay = 0 sec, Threshold = 500e-3v

22、, True Output = 1 v, False Output = 0 v, No. Bits = 8 , Min Input = -1.28 v, Max Input = 1.27 v, Rise Time = 0 sec, Analog = t3 Output 0, Clock = t52 Output 0, Output 0 = Q-0 t37 , Output 1= Q-1 t37 , Output 2= Q-2 t37 , Output 3= Q-3 t37 , Output 4 = Q-4 t37 , Output 5 = Q-5 t37 , Output 6 = Q-6 t3

23、7 , Output 7 = Q-7 t37 , Output 8 = Q-8 , Output 9 = Q-9 , Output 10 = Q-10 , Output 11 = Q-11 , Output 12 = Q-12 , Output 13 = Q-13 , Output 14 = Q-14 , Output 15 = Q-15 10LogicDACTwos Complement, Gate Delay = 0 sec, Threshold = 500e-3v, No. Bits = 8 , Min Output = -1.28 v, Max Output = 1.27 v, D-0

24、 = t17 Output 0, D-1 = t17 Output 1, D-2 = t17 Output 2, D3 = t17 Output 3, D-4 = t17 Output 4, D-5 = t17 Output 5, D-6 = t17 Output 6, D-7 = t17 Output 7, D-8 = None, D-9 = None, D-10 = None, D-11 = None, D-12 = None, D-13 = None, D-14 = None, D-15 = None 11CommDeCompandA-Law, Max Input = 1 12Sourc

25、eGauss NoisePwr Density = 200e-6 W/Hz, System = 1 ohm, Mean = 0 v 13OperatorLinear SysButterworth Lowpass IIR, 3 Poles, Fc = 150 Hz, Quant Bits = None, Init Cndtn = Transient, DSP Mode Disabled 17LogicLatch-8TGate Delay = 0 sec, Threshold = 500e-3 v, True Output = 1 v , False Output = 0 v, Rise Time

26、 = 0 sec, Fall Time = 0 sec, Data D-0 = t43 Output 7, Data D-1 = t43 Output 6, Data D-2 = t43 Output 5, Data D-3 = t43 Output 4, Data D-4 = t43 Output 3, Data D-5 = t43 Output 2, Data D-6 = t43 Output 1, Data D-7 = t43 Output 0, L-Enable = t35 Output 0, Output 0 = Q-0 t10 , Output 1 = Q-1 t10 , Outp

27、ut 2 = Q-2 t10 , Output 3 = Q-3 t10 , Output 4 = Q-4 t10 , Output 5 = Q-5 t10 , Output 6 = Q-6 t10 , Output 7 = Q-7 t10 35SourcePulse TrainAmp = 1 v, Freq = 400 Hz, PulseW = 150e-6 sec, Offset = -500e-3 v, Phase = 0 deg37LogicMux-D-8Gate Delay = 0 sec, Threshold = 500e-3 v, True Output = 1 v , False

28、 Output = 0 v, Rise Time = 0 sec, Fall Time = 0 sec, S0 = t38 Output 0, S-1 = t38 Output 1, S-2 = t38 Output 2, I-0 = t9 Output 0, I-1 = t9 Output 1, I-2 = t9 Output 2, I-3 = t9 Output 3, I-4 = t9 Output 4, I-5 = t9 Output 5, I-6 = t9 Output 6, I-7 = t9 Output 7, Enable* = t41 Output 0, Output 0 = Z

29、 t84 , Output 1 = Z*38LogicCntr-4Gate Delay = 0 sec, Threshold = 500e-3 v, True Output = 1 v , False Output = 0 v, Rise Time = 0 sec, Fall Time = 0 sec, P-Enable* = t42 Output 0, CEP = t40 Output 0, CET = t40 Output 0, Clock = t39 Output 0, MR* = t40 Output 0, Input P-0 = t41 Output 0, Input P-1 = t

30、41 Output 0, Input P-2 = t41 Output 0, Input P-3 = t40 Output 0, Output 0 = Q-0 t37 , Output 1 = Q-1 t37 , Output 2 = Q-2 t37 , Output 3 = Q-3 , Output 4 = T-Count t4239SourcePulse TrainAmp = 1 v, Freq = 3.2e+3 Hz, PulseW = 156.25e-6 sec, Offset = -500e-3 v, Phase = 0 deg40SourceStep FctAmp = 1 v, S

31、tart = 0 sec, Offset = 0 v41SourceStep FctAmp = 0 v, Start = 0 sec, Offset = 0 v42LogicInvert GateDelay = 0 sec, Threshold = 500e-3 v, True Output = 1 v , False Output = 0 v, Rise Time = 0 sec, Fall Time = 0 sec43LogicShft-8inGate Delay = 0 sec, Threshold = 500e-3 v, True Output = 1 v , False Output

32、 = 0 v, Rise Time = 0 sec, Fall Time = 0 sec, Input A = t66 Output 0, Input B = t95 Output 0, Clock = t58 Output 0, MR* = t95 Output 0, Output 0 = Q-0 t17 , Output 1 = Q-1 t17 , Output 2 = Q-2 t17 , Output 3 = Q-3 t17 , Output 4 = Q-4 t17 , Output 5 = Q-5 t17 , Output 6 = Q-6 t17 , Output 7 = Q-7 t1

33、744SourcePulse TrainAmp = 1 v, Freq = 3.2e+3 Hz, PulseW = 156.25e-6 sec, Offset = -500e-3 v, Phase = 0 deg49SinkAnalysisInput from t13 Output Port 0 52OperatorDelayNon-Interpolating, Delay = 2.4e-3 sec, Output 0 = Delay t9 , Output 1 = Delay -dT53SourcePulse TrainAmp = 1 v, Freq = 400 Hz, PulseW = 1

34、.25e-3 sec, Offset = -500e-3 v, Phase = 0 deg58OperatorDelayNon-Interpolating, Delay = 200e-6 sec, Output 0 = Delay t43 , Output 1 = Delay -dT60OperatorDelayNon-Interpolating,Delay=237.5e-6sec,Output 0=Delay t93,Output 1= Delay -dT61Multiplier-62SourceSinusoidAmp = 1 v, Freq = 6.4e+3 Hz, Phase = 0 d

35、eg, Output 0 = Sine t61 , Output 1 = Cosine63Multiplier-64OperatorDelayNon-Interpolating, Delay = 312.5e-6 sec, Output 0 = Delay t63 , Output 1 = Delay -dT65OperatorSample HoldCtrl Threshold = 100e-3 v, Signal = t68 Output 0, Control = t67 Output 066OperatorCompareComparison = =, True Output = 1 v,

36、False Output = 0 v, A Input = t65 Output 0, B Input = t69 Output 067SourcePulse TrainAmp = 1 v, Freq = 3.2e+3 Hz, PulseW = 156.25e-6 sec, Offset = -500e-3 v, Phase = 0 deg68OperatorLinear SysButterworth Lowpass IIR, 3 Poles, Fc = 3.2e+3 Hz, Quant Bits = None, Init Cndtn = Transient, DSP Mode Disable

37、d69SourceStep FctAmp = 0 v, Start = 0 sec, Offset = 0 v78SourcePulse TrainAmp = 1 v, Freq = 3.2e+3 Hz, PulseW = 39.625e-6 sec, Offset = -500e-3 v, Phase = 0 deg80OperatorSample HoldCtrl Threshold = 0 v, Signal = t93 Output 0, Control = t94 Output 083SinkAnalysisInput from t11 Output Port 084Operator

38、Sample HoldCtrl Threshold = 0 v, Signal = t37 Output 0, Control = t78 Output 089SourcePulse TrainAmp = 1 v, Freq = 3.2e+3 Hz, PulseW = 31.25e-6 sec, Offset = -500e-3 v, Phase = 0 deg93OperatorXORThreshold = 500e-3, True = 1, False = -1 94OperatorDelayNon-Interpolating, Delay = 75e-6 sec, Output 0 =

39、Delay t80 , Output 1 = Delay -dT95SourceStep FctAmp = 1 v, Start = 0 sec, Offset = 0 v 六、参考文献1樊昌信主编，通信原理教程（第二版），电子工业出版社2冯育涛主编，通信系统仿真，国防工业出版社3浣喜明主编，通信原理实验，湖南工程学院4罗卫兵等，SystemView动态系统分析及通信系统仿真设计，西安电子科技大学出版社。电气与信息工程系课程设计评分表项 目评 价设计方案的合理性与创造性硬件制作或软件编程完成情况*硬件制作测试或软件调试结果*设计说明书质量设计图纸质量答辩汇报的条理性和独特见解答辩中对所提问题的回答情况完成任务情况独立工作能力组织纪律性（出勤率）综合评分 指导教师签名：_ 日 期：_ 注：表中标*号项目是硬件制作或软件编程类课题必填内容； 此表装订在课程设计说明书的最后一页。课程设计说明书装订顺序：封面、任务书、目录、正文、评分表、附件（非16K大小的图纸及程序清单）。