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数字语音通信系统的设计与实现.doc
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数字语音通信系统的设计与实现.doc
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摘要
本文是关于一个数字语音通信系统的设计与实现,首先介绍数字通信系统
的基本原理,然后分别从信源编码、信道编码和数字调制与解调三个方面介绍
本系统的设计与实现,最后通过 Matlab 程序分模块仿真,完成通信系统的实
现。本系统信源编码中脉冲编码调制采用非均匀量化,A 律压缩 13 折线法编
码,非均匀量可以得到较高的信噪比并且非均匀量化时,量化噪声功率的均方
根值基本上与信号抽样值成比例。信道编码采用循环码,循环码的编码和解码
设备都不太复杂,而且纠错的能力较强。在数字调制中采取了二进制频移键控
调制方式,此方法利用数字基带信号控制在波的频率来传送信息,解调时用了
相干解调,方法简便,容易实现。
关键字:信源编码与译码 信道编码与译码 数字调制与解调
1.背景介绍
随着数字通信系统的发展,语言通信已成为人们日常生活的一部分,手
机,电话和网络语音通信等已经逐渐深入人们的日常生活,通信技术是信息
技术中极重要的组成部分。从广义说,各种信息的传递均可称之为通信。但
由于现代信息的内容极为广泛,因而人们并不把所有信息传递纳入通信的范
围。通常只把语音、文字、数据、图像等信息的传递和传播称为通信。面向
公众的单向通信,如报纸、广播、电视便不包括在内。但这种单向传播方
式,由于通信技术的发展,也在发生变化。现代通信技术的主要内容及发展
方向,是以光纤通信为主体调卫星通信、无线电通信为辅助的宽带化、综合
化(有的称数字化)、个人化、智能化的通信网络技术。本设计基于数字通
信系统设计的基本原理,通过信源编码与译码,信道编码与译码以及数字调
制与解调等模块的设计以实现语音通信。
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2.数字通信系统基本原理
2.1 数字通信系统的模型
图 1 数字通信系统的模型
2.2 信息源
它的作用是把各种消息转换为原始电信号,信源分为模拟信源和数字信
源。本文的输入信号采用模拟信源,通过 A/D 转换把输入的模拟信号转换为数
字信号,模拟信号转化为数字信号包括三个步骤:抽样、量化和编码。模拟信
号首先被抽样。通常抽样是按照等时间间隔进行的,虽然在理论上并不是必须
如此的。模拟信号被抽样后,成为抽样信号,它在时间上是离散的,但是其取
值仍然是连续的,所以是离散模拟信号。第二步是量化。量化的结果使抽样信
号变成量化信号,其取值是离散的。故量化信号已是数字信号了,它可以看
成是多进制的数字脉冲信号。第三步是编码。
第一步:抽样的定理。设一个连续模拟信号 m(t)中的最高频率<
Hf
且带宽
受到限制时,则以间隔时间为
1/ 2 HT f£
的周期性冲击脉冲对它抽样时,信号
不发生混叠,即奈奎斯特的定理。
第二步:量化。模拟信号的抽样值为 m(KT),其中 T 是抽样周期,k 是整
数。量化原理公式:
,( )q im kT q= £i - 1 i当m m( kT) <m
,在非均匀量化时,量化间
隔是随信号抽样值的不同而变化的。信号抽样值小时,量化间隔也小;信号
抽样值大时,量化间隔也大。非均匀量化的实现方法通常是在进行量化之
前,先将信号抽样值压缩,再进行均匀量化。其压缩是用一个非线性电路将
输入电压 x 变换成输出电压
y
:
( )xy f=
信
息
源
信
源
编
码
器
信
道
编
码
器
数
字
调
制
器
信
道
数
字
解
调
器
信
道
译
码
器
信
源
译
码
器
受
信
者
噪声源
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第三步:脉冲编码调制。通常把从模拟信号抽样、量化,直到变换成为二进制符号的过
程,称为脉冲编码调制。
2.3 信源编码与译码
它的基本功能一是提高信息传输的有效性,即通过某种数据压缩技术设法
减少码元数目和降低码元速率。码元速率决定传输所占的带宽,而传输带宽反
映了通信的有效性。二是完成模/数(A/D)转换,即当信息源给出的是模拟信
号时,信源编码器将其转换成数字信号,以实现模拟信号的数字化传输。信源
译码是信源编码的逆过程。
2.4 信道编码与译码
信道编码的目的是增强数字信号的抗干扰能力。数字信号是信道传输时受
到噪声等影响后将会引起差错。为了减小差错,信道编码器对传输的信息码元
按一定的规则加入保护成分(监督元),组成所谓的“抗干扰编码”。接收端的
信道译码器按相应的逆规则进行解码,从中发现错误或纠正错误,提高通信系
统的可靠性。
2.6 数字调制与解调
二进制频移键控,是用载波的频率来携带二进制信息的调制方式。也就是
说,0 值对应一个频率 f1,1 对应另一个频率 f2。二进制频移键控可以采用
模拟信号调频电路来实现;但更容易实现的方法是键控法。
由于二进制频移键控已调信号可以看作两个不同载波的幅度键控已调信号
之和,它的频带宽度是两倍的基带信号宽度(B)和| f2- f1|之和,2FSK
键控法理论框图如图所示。
选择
开关
载波1
输出
二进制
信息
载波2
图 2 2FSK 调制器
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2FSK 的解调有很多方法,本系统采用相干解调,原理图 3 如图所示
图 3 2FSK 非相干解调
3.脉冲编码调制
3.1 脉冲编码调制
脉冲编码调制(pulse code modulation,PCM)是概念上最简单、理论
上最完善的编码系统,是最早研制成功、使用最为广泛的编码系统,但也是数
据量最大的编码系统。PCM 的编码原理比较直观和简单,下图为 PCM 系统的原
理框图:
PCM 通信系统方框图
图中,输入的模拟信号 m(t)经抽样、量化、编码后变成了数字信号(PCM
信号),经信道传输到达接收端,由译码器恢复出抽样值序列,再由低通滤波器
滤出模拟基带信号 m(t)。通常,将量化与编码的组合称为模/数变换器(A/D
变换器);而译码与低通滤波的组合称为数/模变换器(D/A 变换器)。前者完成
由模拟信号到数字信号的变换,后者则相反,即完成数字信号到模拟信号的变
换。
带 通 滤
波器
带 通 滤
波器
相乘器
相乘器
低 通 滤
波器
低 通 滤
波器
抽 样 判
决器
Cosω1t
Cosω2t
ω1
ω2
抽样脉冲
输出
输入
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PCM 在通信系统中完成将语音信号数字化功能,它的实现主要包括三个步
骤完成:抽样、量化、编码。分别完成时间上离散、幅度上离散、及量化信号
的二进制表示。根据 CCITT 的建议,为改善小信号量化性能,采用压扩非均匀
量化,有两种建议方式,分别为 A 律和μ律方式,我国采用了 A 律方式,由于
A 律压缩实现复杂,常使用 13 折线法编码,采用非均匀量化 PCM 编码。
3.2 PCM 编码原理
3.2.1 抽样
所谓抽样,就是对模拟信号进行周期性扫描,把时间上连续的信号变成时
间上离散的信号。该模拟信号经过抽样后还应当包含原信号中所有信息,也就
是说能无失真的恢复原模拟信号。它的抽样速率的下限是由抽样定理确定的。
3.2.2 量化
量化,就是把经过抽样得到的瞬时值将其幅度离散,即用一组规定的电
平,把瞬时抽样值用最接近的电平值来表示。
从数学上来看,量化就是把一个连续幅度值的无限数集合映射成一个离散
幅度值的有限数集合。一个模拟信号经过抽样量化后,得到已量化的脉冲幅度
调制信号,它仅为有限个数值。
如下图所示,量化器输出 L 个量化值
k
y
,k=1,2,3,…,L。
k
y
常称为
重建电平或量化电平。当量化器输入信号幅度 x 落在
k
x
与
1�k
x
之间时,量化器
输出电平为
k
y
。这个量化过程可以表达为:
� �
1
( ) , 1, 2,3, ,
k k k
y Q x Q x x x y k L
�
� � � � � � L
这里
k
x
称为分层电平或判决阈值。通常
kkk
xx ���
�1
称为量化间隔。
模拟信号的量化分为均匀量化和非均匀量化。
(a).均匀量化:
用这种方法量化输入信号时,无论对大的输入信号还是小的输入信号一律
都采用相同的量化间隔。为了适应幅度大的输入信号,同时又要满足精度要
求,就需要增加样本的位数。但是,对话音信号来说,大信号出现的机会并不
多,增加的样本位数就没有充分利用。为了克服这个不足,就出现了非均匀量
模拟入
y
x
量化器
量化值
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