数字语音通信系统的设计与实现

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。

2.数字通信系统基本原理

2.1

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

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 i m kT q =≤i-1i 当m m(kT)

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 ：

()x y f

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。

图2 2FSK调制器

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。

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