语音信号频带传输通信系统仿真基于DPCM编码与ASK调制

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/Simulink1 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&reg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2.2 DPCM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2-2 DPCM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， T 0为码元持续时间；g(t)是持续时间为T 0、高度为1的矩形脉冲；n a 是第n 个符号的电平取值。

若取 n a =⎩⎨⎧-），出现的概率为（，出现的概率为P P 101 (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2-3 2ASK 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。

乘法器二进制不归零信号Cos ωc t2()ASK t e()()2cos ASK c e t s t t ω=()0()n n s t a g t nT =-∑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。

开关电路图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。

3.1 DPCM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3-1 DPCM编码与解码方针方框图将Simulink的参数中的Max step size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3-2 Simulink参数设置将信号源的抽样时间Sample Time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Predictor numerator、Quantization partition、Quantization codebook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 =0 0.9990codebook =Columns 1 through 6-0.0611 -0.0534 -0.0443 -0.0369 -0.0302 -0.0231Columns 7 through 12-0.0156 -0.0079 0.0000 0.0079 0.0156 0.0231Columns 13 through 170.0302 0.0369 0.0443 0.0534 0.0611partition =Columns 1 through 6-0.0577 -0.0489 -0.0407 -0.0336 -0.0267 -0.0194Columns 7 through 12-0.0118 -0.0039 0.0039 0.0118 0.0194 0.0267Columns 13 through 160.0336 0.0407 0.0489 0.0577DPCM编码模块的抽样时间与信号源一致，如图3-4所示：图3-4 DPCM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3-5 DPCM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3.2 ASK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。