语音信号频带传输通信系统仿真基于DPCM编码与ASK调制.doc

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语音信号频带传输通信系统仿真

——基于DPCM编码与ASK调制

摘要本课程设计的主要内容是设计一个基于DPCM编码与ASK调制的语音信号频带传输通信系统，并对其进行仿真。

该课程设计用的设计和仿真平台是MATLAB7.0集成系统中的Simulink。

在Simulink中实现该课程设计，调整系统参数设置，通过观察比较发现输入的语音信号和输出的语音信号一致，其传输质量达到要求，最终结果达到设计的指标。

关键词DPCM编解；ASK调制解调；MATLAB/Simulink

1引言

本课程设计的内容为设计一个基于DPCM编码与ASK调制的语音信号频带传输通信系统，并对其进行系统仿真。

该系统的主要步骤是录制一段语音信号，对其进行DPCM编码后再进行ASK调制，送入加性高斯白噪声信道传输，在接收端对其进行ASK解调和DPCM解码以恢复原信号，回放比较传输前后的语音质量，并观察前后信号波形是否一致，绘制误码率曲线。

1.1课程设计的目的

1、对通信原理这门课程有更深入、更系统地认识。

2、掌握一个系统的整体过程，能够对一个系统有全面的了解和认识，能够根据要求设计所需要的系统。

3、掌握数字传输系统的好处与意义。

4、掌握模拟信号的数字化，即模拟信号的编码，本课程设计用的是DPCM编码。

5、掌握把数字信号转化为模拟信号，即数字信号的译码，本课程用的是DPCM的解码。

6、掌握频带传输的意义和好处。

7、掌握频带传输的调制与解调，本课程为ASK的调制与解调。

8、学会运用设计平台来模拟所需设计的通信系统。

1.2课程设计的要求

1、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。

2、处理结果和分析结论应该一致，而且应符合理论。

3、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中的Simulink。

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。

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。

同时有大量的第三方软件和硬件可应用于或被要求应用于Simulink。

　　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。

　　Simulink®是用于动态系统和嵌入式系统的多领域仿真和基于模型的设计工具。

对各种时变系统，包括通讯、控制、信号处理、视频处理和图像处理系统，Simulink提供了交互式图形化环境和可定制模块库来对其进行设计、仿真、执行和测试[1]。

2设计原理

本课程设计设计的是语音信号的频带传输系统，其需要进行信源编码。

信源编码是针对信源发送信息所进行的压缩编码[2]。

信源编码有三个部分：

抽样、量化和编码。

而语音信号具有很强的短时相关性，所以信源编码采用的是差分脉冲编码（DPCM），这样可以提高量化精度或减少编码比特数。

由于频带传输和数字调制可以有更好的传输质量，还能提高传输系统的有效性，因此本课程设计采用了频带传输和数字调制。

2.1频带通信概述

通信网络中的数据传输形式基本上可分为两种：

基带传输和频带传输。

基带传输是按照信号原有的波形在信道上直接传输。

基带传输不需要调制、解调，设备花费少，适用于较小范围的数据传输。

频带传输是一种采用调制、解调技术的传输形式。

频带传输进行信号调制的目的是为了更好的适应信号传输通道的频率特性，传输信号经过调制处理也能克服基带传输同频带过宽的缺点，提高线路的利用率。

但是调制后的信号在接收端要解调还原，所以传输的收发端需要专门的信号频率变换设备，传输设备费用相应增加。

通信系统按数据类型可分为模拟通信和数字通信。

模拟通信抗干扰能力差但易于实现，而数字通信抗噪声性能好、差错可控、保密性好、容易与现代技术相结合，所以采用数字通信有更多的益处。

数字通信系统主要的三种通信模式是数字频带传输通信系统、数字基带传输通信系统和模拟信号数字化传输通信系统。

本课程设计输入的是语音信号，因此采用的是模拟信号数字化传输通信系统。

有上述可得知该传输系统有以下主要部分：

信源、信源编码、数字调制、信道、数字解码、信源解码、信宿。

其传输系统如下图2-1所示。

其对应的语音系统为语音信号、DPCM编码、ASK调制、信道、ASK解调、DPCM解码、接收者。

图2-1模拟信号数字化传输通信系统

2.2DPCM编码方法

DPCM是差分脉冲编码调制的英文简称，是对模拟信号幅度抽样的差值进行量化编码的调制方式。

这种方式是用已经过去的抽样值来预测当前的抽样值，对它们的差值进行编码。

差值编码可以提高编码频率，这种技术已应用于模拟信号的数字通信之中。

在预测编码中，每个抽样值不是独立地编码，而是先跟据前几个抽样值计算出一个预测值，再取当前抽样值和预测值之差。

将此差值编码并传输。

此差值称为预测误差。

话音信号等连续变化的信号，其相邻抽样值之间有一定的相关性，这个相关性使信号中含有冗余信息。

由于抽样值及其预测值之间有较强的相关性，即抽样值和其预测值非产接近，使此预测误差的可能取值范围，比抽样值的变化范围小。

所以，可以少用几位编码比特来对预测误差编码，从而降低其比特率。

这就是说，利用减小冗余率的办法，降低了编码比特率[3]。

在DPCM中，只将前一个抽样值当做预测值，再取当前的抽样值和预测值之差进行编码并传输。

这是，与撤职就简化成一个延时电路，其延时时间为一个抽样间隔时间Ts。

DPCM系统的原理方框图如图2-2所示。

（a）编码器

（b）译码器

图2-2DPCM系统原理方框图

2.3调制方法

调制是将信号转换为适合信道传输或便于信道多路复用的已调信号，即将基带信号变换为适合于信道传输的频带信号。

调制在通信系统中的作用至关重要，它的主要作用和目的是将基带信号（调制信号）变换成适合在信道中传输的已调信号、实现信道的多路复用和改善系统抗噪声性能。

因此我们需要把语音信号进行调制。

数字调制的方式有振幅键控（ASK）、频移键控（FSK）、相移键控（PSK）等多种形式，但这三种是基本的数字调制方式。

由于ASK原理比较简单，实现也比较容易，不需要太复杂的设备，因此这里采用了ASK调制方式。

二进制振幅键控ASK（通断键控OOK），即载波在数字信号1或0的控制下来实现通或断。

时域表达式为

（2-1）

其中

（2-2）

式中，T0为码元持续时间；g（t）是持续时间为T0、高度为1的矩形脉冲；是第n个符号的电平取值。

若取

=（2-3）

则相应的2ASK信号就是OOK信号。

如图2-3所示为2ASK信号的波形。

图2-32ASK信号时间波形

2ASK的调制方法有两种：

模拟调制法和数字键控法，如图2-4所示，此图为用乘法器实现模拟调制法的原理图。

图2-4模拟调制法原理图

如图2-5所示，此图为用开关电路实现数字键控法的原理图。

图2-5数字键控法原理图

2ASK的解调方法有两种：

非相干解调（包络检波法）和相干解调（同步检测法）。

非相干解调电路简单，但性能较差，不需本地载波，相干解调电路复杂，但性能较好，而且需要同频同相的本地载波。

如图2-6所示，此图为非相干解调实现的原理图。

图2-6非相干解调原理图

如图2-7所示，此图为相干解调实现的原理图。

图2-7相干解调原理图

3设计步骤

具体的实现步骤可以把每一个模块单独地实现出来，再把它们整合在一起以实现所想做的系统设计，这才是最好的设计思想。

因此，以下就是在一个模块中再加模块来一步一步地实现该语音信号的频带传输系统的。

3.1DPCM编解码

在Simulink中新建一个后缀为.mdl的文件，在该文件中画出DPCM编码、解码图。

用线把信号源与DPCM编码器连接起来，再将DPCM编码器与译码器连接，用示波器观察它们的波形。

如图3-1所示：

图3-1DPCM编码与解码方针方框图

将Simulink的参数中的Maxstepsize设置为0.0001，这样可以使得仿真时线条的变化更加平滑，设置为如下图3-2所示[4]：

图3-2Simulink参数设置

将信号源的抽样时间SampleTime设置为1/100，这样才可以使得抽样的样值足够地多，才能够无失真地在传输系统中重建过来。

设置如图3-3所示：

图3-3信号源的参数设置

DPCM编码模块中的参数Predictornumerator、Quantizationpartition、Quantizationcodebook要用MATLAB中的dpcmopt函数求出，其计算方法和过程如下：

>>p=5;

>>t=[0:

0.01:

10];

>>f=1;x=sin（2*pi*f*t）;

>>p=1;

>>[predictor,codebook,partition]=dpcmopt（x,p,17）

predictor=

00.9990

codebook=

Columns1through6

-0.0611-0.0534-0.0443-0.0369-0.0302-0.0231

Columns7through12

-0.0156-0.00790.00000.00790.01560.0231

Columns13through17

0.03020.03690.04430.05340.0611

partition=

Columns1through6

-0.0577-0.0489-0.0407-0.0336-0.0267-0.0194

Columns7through12

-0.0118-0.00390.00390.01180.01940.0267

Columns13through16

0.03360.04070.04890.0577

DPCM编码模块的抽样时间与信号源一致，如图3-4所示：

图3-4DPCM编码模块参数设置

DPCM解码模块与DPCM编码模块很类似，其参数设置如图3-5所示：

图3-5DPCM解码模块参数设置

信号源经过DPCM编码模块再通过DPCM解码模块后，用示波器观察比较它们的波形（从上到下分别时信号源波形、DPCM编码后波形和DPCM解码后波形），其波形如图3-6所示：

图3-6各个信号输出的波形图

3.2ASK调制解调

将信号源与载波通过相乘器进行相乘，在信道中传输，在接收端再次与载波通过相乘器进行相乘，接着通过低通滤波器、抽样判决器（采样量化编码器），最后输出到示波器，并用误码器观察误码率。

如图3-7所示：

图3-7ASK调制解调系统仿真框图

其中信号源的参数设置如图3-8所示：

图3-8信号源参数设置

在调制解调系统中，载波信号的频率一般要远大于信号源的频率。

信号源采样时间0.01秒，即频率为100Hz，所以载波信号频率要大于100Hz。

载波信号参数如图3-9所示：

图3-9载波信号参数设置

高斯白噪声的抽样时间为0.01，如图3-10所示：

图3-10高斯白噪声的参数设置

带通滤波器的下频应该小于载波频率与调制信号频率之差，上频应该大于载波频率与调制信号频率之差，参数设置如图3-11所示：

图3-11带通滤波器的参数设置

低通滤波器的频带边缘频率与信号源的频率相同，参数设置如图3-12所示：

图3-12低通滤波器参数设置

抽样判决器的抽样频率与信号源的频率相同，参数设置如图3-13所示：

图3-13抽样判决器的参数设置

输入信号经过ASK调制解调系统后，输出的各个波形（从上到下分别是输入信号、载波信号、已调信号、经过乘法器的解调信号、经过低通滤波器的解调信号，输出信号）如图3-14所示：

图3-14各点信号的波形

由示波器的输出波形可知，信号的调制解调成功，但存在0.01秒的时延，即信号时延了2比特（用时延时间乘以采样量化编码器的采样频率）。

因而，误码器的可接纳时延为2比特，其参数设置如图3-15所示：

图3-15误码器的参数设置

经过误码器的2比特时延后，其误码率为0，如图3-16所示：

图3-16误码率的查看

3.3加入高斯白噪声

输入信号经过DPCM编码后，再经过ASK调制，送入加性高斯白噪声信道传输，在接收端对其进行ASK解调和DPCM解码以恢复原信号。

其仿真电路图如图3-17所示：

图3-17加高斯白噪声的信号传输仿真图

图3-17所示的仿真图中有四个子系统，分别为integertoframebit、ASKsystem、bittointeger和unitdelay。

经过DPCM编码的信号实现频带传输并进行ASK调制及解调，则在进行DPSK调制前信号必须进行帧转换，将经DPCM编码量化为N比特的编码序列以每帧的形式输出，每一帧含有N个比特，再经过缓冲器（buffer）和解缓冲器（unbuffer）将比特一个一个的输出，并在解调后再对其进行变换。

因此图3-17所示的仿真图中integertoframebit和bittointeger子系统所对应的框图如图3-18、图3-19所示：

图3-18integertoframebit子系统框图

图3-19bittointeger子系统框图

ASKsystem所对应的框图如图3-20所示：

图3-20ASKsystem子系统框图

DPCM编码模块参数设置同图3-3一样，DPCM解码模块参数设置与图3-4一样。

由于DPCM将输入信号在[-1:

1]上的样值均匀量化为N=4比特的编码序列，所以十进制与二进制的转换器中每个整数的比特数为4，缓冲器中的缓冲的大小也为4比特，二进制变为十进制的转换器中每个整数的比特数也为4。

因此把integertoframebit和bittointeger子系统中的这些相关模块参数设置为图3-21、图3-22、图3-23所示：

图3-21十进制转换为二进制模块参数设置

图3-22buffer模块参数设置

ASKsystem之系统中各模块的参数与3.3节ASK调制解调的对应模块的参数一样，

对该系统进行仿真，从ASK子系统中观察个点的波形（从上到下分别是经过DPCM编码变换后的信号、载波信号、已调信号、经过乘法器的解调信号、传输信道中的信号和解调信号），在示波器Scope中显示，如图3-23所示

图3-23ASK子系统中各点的波形

对照图3-14，可知图3-23也有2比特的延时，同样地把误码器中延时比特数改2，得到该系统的误码率，如图3-24所示：

图3-24该系统的误码率

由于每帧有4比特，经过系统后延时2比特，则在延时子系统（unitdelay）中有2个单位时延模块，其时延的时间为抽样判决的时间1/400，unitdelay子系统的框图如图3-24所示：

图3-24unitdelay子系统框图

该系统的输入信号和经过该传输系统后的输出信号的波形在示波器Scope1中显示，如图3-24所示：

图3-24该系统的输入信号和输出信号波形

由上图可以看出，输入信号经过DPCM编码，ASK调制,ASK解调，DPCM解码后的输出波形基本符合设计要求。

3.4以语音信号为信源

在Simulink中新建一个文件来录制一段语音信号，其框图如图3-25所示：

图3-25语音的录制

声波输入模块的参数设置如图3-26所示：

图3-26声波输入模块参数设置

声波保存模块的参数设置如图3-27所示：

图3-27声波保存模块参数设置

声波录制完毕后，在对应的目录下会有一个文件名为heima.wav的波形文件。

参照图3-15可得语音信号系统仿真电路图，其仿真电路图如图3-28所示：

图3-28语音信号系统仿真框图

在上图中从左到右有四个子系统，分别是integertoframebit（框图与图3-18一样）、ASKsystem（框图与图3-20一样）、unitdelay和bittointeger（框图与图3-19一样），unitdelay对应的框图如图3-29所示：

图3-29unitdelay子系统框图

声波输入模块参数设置如图3-30所示：

图3-30声波输入模块参数设置

DPCM编码中参数Predictornumerator、Quantizationpartition、Quantizationcodebook同样用MATLAB中的dpcmopt函数求出：

>>p=8;

>>[x,Fs,bits]=wavread（'lingming.wav'）;

>>[predictor,codebook,partition]=dpcmopt（x,p,50）

predictor=

Columns1through8

02.1360-2.07650.74870.6342-1.10310.9282-0.5783

Column9

0.2305

codebook=

Columns1through8

-0.1549-0.1549-0.1549-0.1549-0.1250-0.1250-0.1250-0.1250

Columns9through16

-0.1250-0.1250-0.1250-0.1250-0.1250-0.1250-0.1250-0.1250

Columns17through24

-0.1250-0.1250-0.1250-0.1250-0.0317-0.0317-0.0317-0.0317

Columns25through32

-0.0317-0.0317-0.0317-0.0317-0.0317-0.0317-0.0317-0.0317

Columns33through40

-0.0303-0.0254-0.0254-0.0197-0.0160-0.0118-0.0075-0.0049

Columns41through48

-0.00000.00260.00710.00950.01130.01650.02030.0235

Columns49through50

0.02880.0345

partition=

Columns1through8

-0.1549-0.1549-0.1549-0.1399-0.1250-0.1250-0.1250-0.1250

Columns9through16

-0.1250-0.1250-0.1250-0.1250-0.1250-0.1250-0.1250-0.1250

Columns17through24

-0.1250-0.1250-0.1250-0.0784-0.0317-0.0317-0.0317-0.0317

Columns25through32

-0.0317-0.0317-0.0317-0.0317-0.0317-0.0317-0.0317-0.0310

Columns33through40

-0.0279-0.0254-0.0217-0.0164-0.0153-0.0112-0.0056-0.0013

Columns41through48

0.00020.00410.00800.01070.01350.01880.02200.0251

Column49

0.0335

语音信号系统仿真电路参数设置可参照3.3小节逐个进行设置，设置如下：

十进制与二进制的转换模块将Numberofbitsperinteger设为8；

缓冲器的Outputbuffersize设为8；

时延模块的Sampletime设为1/64000；

载波信号的Frequency设为1024000*pi；

带通滤波器的LowerPassbandedgefrequency设为892000*pi，UpperPassbandedgefrequency设为1148000*pi；

低通滤波器的Passbandedgefrequency设为128000*pi；

抽样判决器的Sampletimes设为1/64000；

误码器的Receivedelay设为2；

二进制与十进制转换器的Numberofbitsperinteger设为8；

高斯白噪声的Sampletime设为0.01

对该系统经行运行仿真，得到系统的误码率如图3-31所示：

图3-31语音系统的误码率

输入的语音信号和输出的语音信号如图3-32所示：

图3-32语音信号的输入和输出波形

有上图可以看出输入的语音波形与输出的语音波形很相似，而且误码率也在设计的要求范围内，因此该语音系统的设计满足了要求。

将经DPCM编码、ASK调制解调、DPCM解码所得的输出语音信号可以通过如图3-33框图来对其进行播放。

播放时听到的语音与所录制的输入语音很接近，也比较清晰。

图3-33输出的语音信号播放框图

4出现的问题及解决方法

4.1出现的问题：

问题1、在解调时没有加噪声出现误码率。

解答办法：

出现误码数据时，合理修改误码器中的receivedelay的数据就可可以使