单路数字语音通信系统仿真通信原理优秀课程设计.doc

目录

一 设计思绪及系统总框图 1
二 各模块电路设计和仿真 2
Ⅰ 编码和译码 2
1、基础原理 2
2、设计和仿真 4
Ⅱ 调制和解调 7
1、基础原理 7
2、设计和仿真 9
三 系统总体设计及调试 12
四 总结和体会 15

一 设计思绪及系统总框图
实际中语音信号为模拟信号，为实现信号有效高速传输，首先须将模拟信号转换为数字信号。实现这一转换过程称为语音编码。语音编码分为抽样、量化、编码三个步骤。这么，把取值连续模拟信号转换成为了离散数字基带信号。
实际中大多数通信通道全部是带通信道，即频率通带远离f=0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，将载有信息信号频率搬迁到信道频带之内。频带调制能够有效地使信号和信道频谱特征相匹配，使信道噪声影响减小到最低。
至此，能够实现信号发送。经过理想信道传输，在接收端收到了无损耗调制信号。对应于调制，在接收端首先对调制信号进行解调，恢复成原来基带信号。
得到恢复出来数字基带信号后，再经过译码，便可将数字信号还原为原始模拟语音信号。
由此得到系统框图图1所表示。
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 各模块电路设计和仿真
Ⅰ 编码和译码
1、基础原理
脉冲编码调制PCM是将模拟信号变换成二进制信号基础和常见方法。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，从而得到数字信号。从通信调制概念看，能够认为PCM编码过程是用模拟信号调制一个二进制脉冲序列，载波是脉冲序列，调制改变脉冲序列有没有（为“1”、“0”）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系统原理方框图图2所表示。 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，但在幅度上取值还是连续，即有没有限多个取值。这么，就必需对样值深入处理，使它成为在幅度上是有限种取值离散样值。对样值幅度进行离散化处理过程称为量化。
1）量化
依据量化器特征，量化又分为均匀量化和非均匀量化，以量化间隔相等是否来区分。在数字电话通信中，均匀量化则有显著不足，关键是小信号信噪比小，大信号信噪比大，同时，在确保电话通话质量前提下，编码位数较多。为了降低编码位数和提升小信号信噪比，可采取非均匀量化措施。
非均匀量化可经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。为了对不一样信号强度保持信号量噪比恒定，在理论上要求压缩特征为对数特征。国际电信联盟ITU提供两种提议，即A压缩律和压缩律。中国大陆采取A压缩律。实际中采取13折线法来近似A压缩律曲线。
2）编码
得到量化电压后，有不一样编码方法对其编码。即自然二进制码和折叠二进制码。因为折叠码误码对小电压影响较小，有利于较小语音信号平均量化噪声，故采取折叠码进行编码。
在13折线法中采取折叠码有8位。其中第一位表示量化值极性正负，后面7位分为段落码和段内码两部分。其中第2~4位是段落码，其它4位为段内码。段内码代表16个量化电平是均匀划分。

2、设计和仿真
依据PCM原理系统框图，用SystemView做出仿真图3所表示。

图3 PCM系统SystemView仿真

各图符功效及参数设置：
①用图符0高斯噪声和图符9低通滤波器来产生一个400Hz随机模拟信号。
②图符3为A率压缩器，用于对模拟信号非均匀量化。
③图符6为8位A/D转换器，用于实现对信号抽样及编码，其中每一个抽样值编码为8位二进制码。
④图符10为D/A转换器，用于将锁存器送来8位二进制码进行译码，转换为模拟值。
⑤图符11为A率扩张器，用于对还原压缩信号进行扩张恢复。
⑥图符13为400Hz低通滤波器，用于对还原信号滤除高频分量，恢复出原始信号。
运行该PCM系统得到仿真图形图5所表示。
图5中，第一个波形为输入模拟信号，第二个波形为模拟信号经A率压缩后信号。能够看出，信号源波形经过压扩后，小信号显著进行了放大。第三个波形为译码后得到波形。第四个波形为经过低通滤波还原出来波形。除了细微地方，信号基础得以恢复。

图5 PCM系统仿真波形图

Ⅱ 调制和解调
1、基础原理
数字调制三种基础方法为幅度键控调制（ASK）、频率键控调制（FSK）和相位键控调制（PSK）。三者中，2PSK信号含有最好误码率性能。不过2PSK信号传输系统中存在相位不确定性，造成接收码元“0”和“1”颠倒。为此，采取差分相移键控法（2DPSK）。
1）调制
2PSK是利用载波绝对相位传送数字信息，所以又称为绝对调相。而2DPSK是用前后码元载波相位相对改变来传送数字信息，所以又称为相对调相。
2DPSK信号产生过程是，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。码反变换规则为：
(1.1)
式1.1中为模2加，为前一个码元，最初可任意设定。
模2加
2PSK调制
延迟Ts

2DPSK信号
图6 2DPSK调制框图
2DPSK调制框图图6所表示。.

2）解调
a
b
c
d
cp
解调信号
对2DPSK信号解调有两种措施，一个是相干解调，另一个是差分解调。用差分解调法时不需要恢复当地载波，只需由收到信号单独完成。将2DPSK信号延时一个码元间隔Ts，然后和2DPSK信号本身相乘。相乘器起相位比较作用，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。差分解调框图图7所表示。
延迟Ts
LPF
抽样判决
位同时
2DPSK信号
图7 差分解调框图

差分解调又称延迟解调，只有2DPSK信号才能采取这种方法解调。差分相干解调不需要相干载波，不过抗噪声能力差，而且要做到正确延迟一个码元周期也较难实现。

2、设计和仿真
依据以上框图在SystemView做出仿真图以下图所表示。

各图符功效及参数设置：
①图符0为伪随机信号，频率为1600Hz，用以产生一系列随机数字信号。
②图符4、3用于相对码绝对调相。
③图符5、6解调，将收到信号和目前信号相乘。
④图符7为三阶Butterworth低通滤波器，频率为320Hz，滤除高频分量。
⑤图符9、10、17、16、12组成抽样判决部分，还原出信号。

运行该模块得到仿真结果图10所表示。

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波形，即相对码，能够看到该波形符合“1变，0不变”规则。第三个波形为调制后波形，该波形属于对相对码绝对调相。第四个波形为解调后经抽样判决得到波形，能够看到，波形和第一个波形相同，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系统。总系统图以下图所表示。

调试结果：
① 11所表示为输入模拟语音信号。

②图12所表示为模拟信号经过A律压缩后波形。

③图13所表示为压缩信号经过编码后PCM信号。

④图14所表示为待发送PCM信号经码反变换后图。

⑤图15所表示为PCM信号经过调制后图。

⑥图16所表示为发送PCM信号解调得到信号图。

⑦图17所表示为原始语音信号译码还原出来信号图。

从图17可看出，除了部分细小地方，信号基础上得到恢复。

四 总结和体会
为期两周课程设计已靠近尾声，即使有两周时间但感觉却那么短暂，天天全部过得很充实。在这两周时间里，我收获了很多，感慨也很多。 
刚拿到课程设计任务书时，感觉很迷茫，有种无从下手感觉，因为在此之前，我从没接触过system view这个软件，仔细看了下设计要求我就去图书馆借了几本介绍这个软件书及相关资料。前两天全部是不停在熟悉软件和了解设计原理，在利用软件时候因为有很多元器件我全部不熟悉，所以常常会出现问题，但老师全部会给我们指导，碰到极难了解地方，老师总是很耐心给我们讲解，经过自己查找资料和老师讲解，于是慢慢对软件熟悉了，碰到部分问题便自己反复思索，处理不了再和和同学们讨论，最终我逐步明白了单路数字语音通信系统原理，它由四个单元模块组成：编码，调制，解调，解码。在了解了这些单元电路基础性质和原理后，我就开始逐步研究每个单元电路组成。很快，每个单元模块仿真全部很成功，波形也全部出来了。 
不过在把单元电路连接成总电路时，却总出不最终波形，这让我很着急，试着改了几次，波形还是不对，老师说是参数设置不正确，我在书上找到了功率谱密度计算方法，并仔细查看了带通滤波器和低通滤波器截止频率和输入语音信号之间关系，不停调试后，最终把总波形也调出来了。 
课程设计其实并没有我想象那么难，当我们碰到不懂地方，只要自己能够耐心去弄明白，去翻书，掌握更系统知识，答案在不知不觉中就出来了。 
这次课程设计使我深刻认识到课程设计并不是走过场，它不仅填补了理论知识不足，让我们深入认识到理论联络实践关键性，而且很好巩固了自己专业课理论知识，让我对通信原理这门课程有了一个很系统认识，一份耕耘一份收获，假如我们付出了足够努力，一定能收获很多。我相信即使我不一定做到最好，但我一定会竭尽全力做到愈加好。 
在设计系统仿真图和设置参数时候，我总是碰到很多问题，每次跑去向老师请教，曾老师全部会很耐心帮助我处理我碰到迷惑。所以衷心感谢负责我们课程设计曾老师!

参考文件
[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，通信原理试验，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。