数字电话通信系统的模拟与仿真.docx

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数字电话通信系统的模拟与仿真

大庆师范学院

本科生毕业论文

数字电话通信系统的模拟与仿真

学院机电工程学院

专业电子信息工程

研究方向应用性

学生姓名党方

学号201101071516

指导教师姓名王凤嫔

指导教师职称讲师

2015年5月17日

摘要

当今社会已经进入了信息发展时代，在各种各样的信息技术中，信息的传输及通信起着重要作用。

而对于信息的传输，数字通信已经成为重要的手段，因此信号的调制方式也由模拟方式向数字方式转变。

本文根据当代通信技术的发展，结合数字电话通信系统的模拟仿真，利用Simulink工具箱建立数字电话通信系统的仿真模型，对PCM数字电话通信系统进行动态模拟仿真，认真说明仿真参数的设置，检查仿真结果，并和实际结论进行比较，该分析方法可以应用到其他的通信系统仿真中，具有普遍的意义。

关键词:

通信系统；数字电话；Simulink；仿真

Abstract

Now it is information society,In the all of information technologies, the transmission and communication of information take an important effect. For information transmission, digital communication has become an important tool,, so the way of signal modulation is converted from analog to the digital mode continuously and widely.

Depending on the development of today’s communication technologies.this thesis combining digital telephone communication system to  simulation, Establish a simulation model of digital telephone communication system by using MATLAB toolbox. digital telephone system are dynamically simulated for the PCM , detail set of simulation data, analysis and compared with the actual conclusion. And that the analysis method can be applied to other communication systems simulation which has universal significance.

Keywords：

communication systems ；digital  telephone；Simulink；analysis

目录

第一章前言1

1.1数字电话的发展历史1

1.2本课题的模拟与仿真的分析1

第二章系统构建3

2.1系统构建思路3

2.2模拟信号转化为数字信号3

2.3信号调制解调4

2.4传输信道5

2.5信道编码5

第三章系统运行与调试6

3.1语音信号仿真6

3.2仿真原理模型6

第四章模拟仿真的论述8

4.1仿真结果8

4.2模拟仿真的分析8

4.3误差分析9

第五章结束语10

5.1对过程的讨论10

5.2总结10

参考文献11

附录12

第一章前言

1.1数字电话的发展历史

何为“数字电话”，随着网络通讯和移动电话的的快速发展，传统的固定电话越来越不能满足人们的需求，在新技术的不断引导下[1]，新电话时代的革命随之而来，利用当今新兴的IT技术，结合老式的电话机，制造出的被称作革命者的新的电话机才能真正被称为“数字电话”。

这种新的电话机从根本上说就是结合IT技术和电脑的芯片，在旧式的电话机的类型上，生产出一种具有计算机和手机作用的新式电话机，是一种高端化的网络设备。

二十一世纪初，国内第一台数字电话机产生，这是由汉王科技生产的，它集语音通话、PDA、Network、扫描等功能于一体，汉王科技的总裁这样理解自己的产品：

“这种电话机涵盖多种功能，包括炒股信息、中外媒体以及气象消息等，数字电话机的未来发展方向就是：

必须要有一定的前瞻性和高度的自动化。

1.2本课题的模拟与仿真的分析

数字电话就是采用数字电路方式来处理语音信号，它的优点是语音的辨别能力很高、抗干扰能力强、保密性能也比传统的电话机好。

就现在来说，大部分家用的有线电话机都是模拟机，这种类型的电话机一般都不是数字的，因此电信公司的通讯设备大部分还是建立在模拟基础上，数字型的大都用在高科技上，用于子机与主机之间的通讯，然而主机与电信局的通讯方式还不是数字的。

数字电话机具有智能性，版本低的移动电话拥有类似QQ的留言板、数据显示、拒接来电、来电分辨功能等。

版本比较高的移动电话，除了包含那些普通电话机的全部功能，还具有额外的一些用处，比如可以像QQ一样，双方可以面对面交流。

因此，数字电话通讯体系也就是在移动数字范围内能仿真出来模拟声音。

图1-1数字通信原理框图

本项目针对数字电话通信系统进行模拟与仿真分析，经过对各种仿真软件的分析比较，再结合具体情况，最终决定采用MATLAB语言。

MATLAB语言中的[2]Simulink能模拟动态结构的编程，这种工具可以使用户把注意力集中于模型的搭建，而不再是复杂的程序设计过程，节约了用户的时间和精力。

这种工具的优点就是好学好用，利用鼠标简单的移动，就可以变动模块框图的位置，从而能够快速的构造这个体系的模具结构，由于具有这种优势，Simulink不断的在数控系统和信号与线性系统的复杂仿真和现实工具中得到很多的应用。

第二章系统构建

2.1系统构建思路

模拟信号经过数字编码后可以在数字通信系统中传输，用数字的方式来传送模拟的话音信号的形式就是数字电话系统，固然，在调制器被正确使用的时候，即便是老式的固定通讯系统同样能实现移动信息的传输。

移动通讯技术指的是模拟声音信号在数字通信体制中运行，每当输入一段连续的模拟信号，就必须在数字通信系统的信源编码处对模拟信号进行数字转化，也就是我们常说的“模/数”变换，将输入的模拟信号变为数字信号时，可将数字电话通信系统分为抽样、量化、编码、调制、信道五大模板。

再根据Matlab语言来描述移动通讯技术的仿真，把simulink工具箱中不同的模块拖曳到一块，之后将构建好的模块结合在一起，并进行适当的参数设定，最后进行整体仿真，得到仿真结果。

图2-1语音信号编译码的构成

2.2模拟信号转化为数字信号

脉冲编码调制（PCM，PulseCodeModulation）具有这样的作用，能够在通讯体制中完成模拟信号变化为数字信号，这也是一种模数变换的抽样技能，进行A/D变换的编码方法，对音频信号的变换尤其重要。

PCM对信号每秒钟取样8000次，一次取8位，总共64kbps。

PCM的实现主要包括三个步骤：

抽样、量化、编码。

首先进行抽样处理，输入的话音信息是模拟信号，最开始进行抽样时，一般是按等时间间隔进行抽样的，尽管在理论上并不是必须如此。

抽样信号是模拟信号被等间隔取样得到的离散模拟信号。

其次是量化，量化就是将之前抽样的时间离散的模拟信号转化为取样值也离散的数字信号。

所以从根本来说，最后得到的就是数字脉冲信号。

按照量化级的划分方式，一种是均匀量化，另一种是非均匀量化，均匀量化有着固定的量化级，还具有量化噪声的均方根值不容易变化的不足，因此，随着量化信号不断减弱时，信号量化噪声功率也随之减小，如果给出小频率信号，量化信噪比就永远得不到规定的数值，很明显，假如决定使用均匀量化的方式，那么信号的动态范围将会被控制在一定的条件下，在应用中，对于小信号，非均匀量化具有更高的效率。

量化间隔是按照相邻两个电平直接的距离来确定的，非均匀量化是电平间的取值不均匀得到的，所以量化间隔与取值区间的大小息息相关。

最后进行编码，脉冲编码调制（PCM）是通信原理实验中经常使用的方式，编码可以采用二进制、四进制等方法，但我国一般采用13折线法进行编码。

除此之外，增量调制和差分脉冲编码调制被普遍认为是一些简易的压缩编码方式。

2.3信号调制解调

图2-2如果想得到二进制信号，可以采用PCM编码方式。

信号调制是将原始的基带信号转换成适合在信道中传输的信号[3]，简单的说也就是基带信号随着载波信号幅值大小变化，由于基带信号的不同，调制可以被划分为模拟相位调制和数字基带调制。

调制的目的有两个：

便于发送、提高信道的利用率。

解调是调制的逆过程，所以信号解调也即是从通信体系中恢复出原来的信息。

2.4传输信道

我们把发送端解调器输出端至接收端解调器输入端之间的部分称为信道，其中包括放大器、变频器和天线等装置。

信道（informationchannels）[4]通信专业术语）是信号的传输媒质，可分为有线信道和无线信道两类。

对于模拟信号转化为数字信号的传输，我选择有限信道，因为由电缆构成的光纤有线信道具有易于控制的优点[5]，若是采用在大范围内利用电磁波传播的无线信道，会对本次项目的仿真结果造成比较大误差。

2.5信道编码

信道编码主要的作用是进行差错控制[6]，数字信号在传输的过程中会遇到不同的情况，这些不确定性，会导致接收端接收到的信号变成一些乱码的符号或者发生重叠。

因此信道编码是一不可或缺的步，通过信道编码，不仅可以使输入的话音信号具有更强的抵抗外界扰乱的能力，还可以在很大程度上避免数码流在流通中产生不能必要的错误码元。

信道编码还具备在发送端发现和纠正错误码元的功能。

信道编码可以简单概括为信道编码原则，从消息到信道波形或者是矢量的反射，可以从基本上把编译码带有的缺陷消除，一般来讲，如果信道的最大信息量，超过了实际中允许的数值，信道编码能及时处理类似问题[7]。

另外，具体的实验显示数字信号的纠错编码对可视电话、高清电视的音频识别能力等增加效果。

第三章系统运行与调试

3.1语音信号仿真

自然声音的频率一般都在300~3400Hz之间，本项目实际是要输入一段话音，比如：

几句话、一首歌等。

通过抽样板块、量化板块、编码板块，转化成离散型的数字信号，然后再应用Simulink工具箱进行模拟仿真，由于实验条件和个人能力的限制，为了仿真和分析简单方便，使得实验得以顺利进行，在此决定选用频率为1Hz的余弦波作为信源，代替语音信号直接就进行仿真输入，这样做的结果和实际数据误差并不大。

3.2仿真原理模型

图3-1PCM仿真系统模型图

当一段语音信号输入信号发生器，经过抽样量[8]化编码器后，转换成离散的数字信号，建立PCM系统时需要将量化器的输出作为解调器的输入，其他模块不变，需要在模型窗口中建立一个固定的示波器来观察系统模型的输出，同时也可以考虑建立一个游离的示波器以此同步观察各个模块的波形输出，这种做法有利于观察系统状态，方便调试。

点击simulink语言模型库中的动作开关，开始或者结束仿真。

图3-2信号源波形

第4章

模拟仿真的论述

4.1仿真结果

图4-1PCM译码时经过D/A转化并用A律扩张后的输出波形

图4-2译码后恢复源信号的输出波形

由以上数据波形可以看出在PCM编码的过程中，译码输出的波形具有一定的延迟现象，其波形基本上不失真的在接收端得到恢复，传输的过程中实现了数字化的传输过程

4.2模拟仿真的分析

语音编解码电路模型对准确输入的模拟话音系统进行PCM编码，也可能对输出的移动数字体系进行PCM解码，复原起始的话音信号。

编解码要求用A压缩律或μ压缩律，抽样频率为8000Hz，编解码速率为64kbps。

当代应用的压扩技术是对数组型的A压缩律和u压缩律。

u压缩律公式如下

图4-3为μ律压缩特性曲线

其中

为归一化的量化器输入，

为归一化的量化器输出。

常数

越大，那么小信号的压扩程度越高，现在一般是

＝255。

4.3误差分析

（1）PCM脉冲编码没有错误检测及纠错编码的功能，不能预测差错，具体的可靠性不高，可以在发送端输入信道编码来解决类似情况。

（2）在一般情况下，数字电话通信系统具有频带利用率不高的特点[9]，为了解决数字通信中缺点，可以通过降低每一路信号的频带宽度，也就是尽量压缩编码率，将表示信号的码位数减少，比较可行的系统就是ADPCM（AdaptiveDPCM）系统。

另外可以在一定的频带内引用复用技术，根据每个输入信息不一样的频率大来传送。

针对上述试验中不可避免的不足，为了增加通信体系的有效性，在此可以考虑引用复用技术，以此来尽量提高频带的利用率；为了加强通信体系的可靠性可以在进行调制时加入纠错码。

第五章结束语

5.1对过程的讨论

本项目主要是以MATLAB/Simulink为仿真工具，按照当代移动电话通讯[10]体系的发展趋势，结合PCM通信原理结构的组成，在Simulink模块库中查找出对应的仿真模块，然后把正确的模块拖到新建的文件库中，对比电路图，连接模块框图，再根据题目要求设置恰当的参数，这样PCM移动电话通讯体系仿真模型就建立成功，然后点击开始，对示波器显示的波形进行分析，之后主要对这种通信系统进行模型构建、系统设计、仿真演示、显示结果、误差以及综合性能分析。

通过对仿真结果的比较分析，可以看出来，误差还是比较小的，总体上达到了我们实验的目的。

本项目专注于构建对输入的话音信息的项目解析以及利用该程序演示移动通讯的仿真，该分析方法同样可扩展到其它通信系统，对未来的通信系统都着不可估量的指引。

从此次项目成果分析来看，在世界各种通信类型中，仍以电话为主，在电话通信系统中，则以远程交换和移动数字电话发展最快。

目前模拟通信系统还存在，但是随着人们对各类通信业务的要求的剧增，模拟通信终将被数字电话通信以高级化、新型化、快速超能力的方式取代。

5.2总结

对这次毕业设计，感触很大，从选题到论文的撰写及仿真程序的设计，感觉自己学到了许多东西。

通过论文的编写，模型框图的搭建连接，对PCM编译码的原理及PCM系统的运行过程有了更深的理解，同时也加强了对仿真软件MATLAB平台的运用，提高了采用SIMULINK建立模拟工具箱的具体操作能力。

而且学会了如何通过软件仿真来达到各类通信设备模拟仿真的目的，学会了把在课堂上学的比较系统化的理论成果知识，尝试性的应用到现实设计工作中去，并从学说的深度和实践的目的出发，对现代化的设计工作提出了一些富有创造性的建议和设想，及时的去检查学习成果，了解到课堂上的理论学习与现实中的工作的到底有多大差距，通过仔细的综合分析，能找出在学习中的缺点，更好的为今后的学习方式提供具体的模式，为尽量完善学习实践内容，并且能较好的锻炼了自己的动手能力和思维方式，而且对以后的学习和工作都起到了一定的促进作用，更能锻炼分析问题和解决问题的能力，同时对以后进行良好的独立工作习惯和科学素质的培养有极大的帮助。

参考文献

[1]肖爱民，充满陷阱的金矿[J].公关世界，2006.

[2]姚俊,马松辉.SIMULINK建模与仿真[M].西安：

西安电子科技人学出版社,2002.

[3]宋司兵，出租汽车调度中心通信系统设计[D].大连理工大学,2006.

[4]王建慧,.1.3K高清数字电影播放系统的研究与实现[D].太原理工大学.2009.

[5]樊昌信,等.通信原理（第四版）[M].北京:

国防工业出版社,1998.

[6]郭涛.跳频通信系统中关键技术的研究和硬件的实现[D].东南大学,2006.

[7]刘隆文等.论信道编码中的几个关键问题[J].《有线电视技术》，2007.

[8]徐素妍，等.基于Matlab语言的现代通信系统仿真[J].计算机应用第21卷第8期.2001.

[9]席在芳,等.基于SIMULINK的现代通信系统仿真分析[J].系统仿真学报，2006，18（10）：

2966－2975.

[10]董亚萍,数字卫星广播传输系统的同步与信道编码技术[D].西安:

西安电子科技大学,2007.

附录

PCM编码程序：

A=87.6

t=[0:

100]*pi/20;

x=cos（t）;

V=max（x）;

[p,c]=lloyds（x,t）;

[index,quant,distor]=quantiz（x,p,c）;

compressed=compand（x,A,V,‘A/compressor’）;

expanded=compand（compressed,A,V,‘A/expander’）;

plot（t,x,t,expanded,‘r/*’）;

Title；

xlabel（‘X轴’）

ylabel（‘Y轴’）

legend（‘余弦波源’，‘A律压扩’，4）;

distor11=sum（（x-expanded）.^2）/length（x）;