单路数字语音通信系统的仿真.docx
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单路数字语音通信系统的仿真
湖南工程学院
课程设计
课程名称通信原理课程设计
课题名称单路数字语音通信系统的仿真
专业
班级
学号
姓名
指导教师曾志刚
2015年1月6日
湖南工程学院
课程设计任务书
课程名称通信原理
题目单路数字语音通信系统的仿真
专业班级
学生姓名学号：
指导老师曾志刚
审批
任务书下达日期2014年12月22日
设计完成日期2015年1月6日
设计内容与设计要求
一、设计内容：
利用SystemView对一个单路语音数字通信系统进行仿真，信道视为理想信道，语音编码方式和调制方式不限。
1、确定一个单路语音通信系统的系统方框图；
2、利用SystemView对系统进行仿真。
二、设计要求
1、给出系统框图以和仿真电路图，说明各模块参数设置；
2、给出语音编码、调制、解调、解码的仿真结果，并对其进行分析；
主要设计条件
SystemView软件；
说明书格式
1.课程设计封面；
2.任务书；
3.说明书目录；
4.设计基本原理与系统框图。
5.各单元电路设计；
6.系统进行调试结果；
7.总结与体会；
8.附录；
9.参考文献。
进度安排
12月22日：
下达设计任务书，介绍课题内容与要求；
12月23日：
查找资料；
12月24日—12月27日：
设计系统框图、完成仿真电路图的连接；
12月28日—31日：
设置调试仿真参数，得出仿真结果并进行分析；
1月1日—1月5日：
编写并打印设计报告；
1月6日：
答辩。
参考文献
1、樊昌信主编，通信原理，国防工业出版社。
2、南利平主编，通信原理简明教程，清华大学出版社。
3、浣喜明，通信原理实验指导书，湖南工程学院。
4、罗卫兵等，SystemView动态系统分析和通信系统仿真设计，西安电子科技大学出版社。
一设计思路
信号可以分为模拟信号和数字信号，根据传输信号的不同，我们将通信系统分为模拟通信系统和数字通信系统，一般来说数字通信系统其有效性和可靠性都强于模拟通信系统，所以现实生活中的模拟信号通常被转换为数字信号以便信号高效可靠的传输。
数字传输一般分为数字基带传输和数字调制传输，数字调制能提高信号的性能，特别是抗干扰能力，能有效利用频带，将信息变换为便于传送的形式，所以通常将数字信号进行调制后再进行传输。
在本次设计中我们要求实现单路数字语音的通信，在发送端为实现信号有效高速的传输，首先把模拟语音信号通过抽样、量化、编码转变为数字基带信号，编码后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，将载有信息的信号频率搬迁到信道的频带之内，使信号与信道的频谱特性相匹配，减少噪声的干扰。
在接收端，首先将调制信号解调，得到数字基带信号，通过解码后，还原为原来的模拟信号。
二各模块电路设计与仿真
Ⅰ.编码与译码
1基本原理
将模拟信号转换为数字信号，要经过抽样、量化、编码。
常用的编码方式有PCM、DPCM、DPCM等编码方式，由于PCM抗干扰能力强，失真小，传输特性稳定等众多优点，被广泛用于在通信系统中完成将模拟信号数字化功能。
通常把从模拟信号抽样，量化，编码，直到变换成为二进制符号的基本过程，称为脉冲编码调制PCM，简称脉码调制。
抽样即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。
量化即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。
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。
编码即是用一组二进制码组来表示每一个有固定电平的量化值。
然而，实际上量化是在编码过程中同时完成的，故编码过程也称为模/数变换，可记作A/D。
1）抽样
抽样可以看做周期性单位冲激脉冲与模拟信号相乘，由奈奎斯特定理可以得出，要想还原模拟信号，其抽样频率必须大于模拟信号最高频率的两倍。
2）量化
在量化时可以采用均匀量化，也可以采用非均匀量化，均匀量化是在抽样信号的取值范围内均匀划分量化等级的量化方法。
它产生的量化噪声也是均匀的，与信号在取样点的幅度无关。
因此，均匀量化会出现话音弱时的信噪比低、干扰大，而话音强时的信噪比高、干扰小的反常情况。
故本次课程设计采用非均匀量化。
非均匀量化的具体办法是压缩、扩张法，即在发送端对抽样信号先进行压缩处理再均匀量化，压缩器特性曲线在小信号时的斜率大，大信号时的斜率小，使抽样信号的小样值部分被充分放大，大样值部分被适当压缩。
被压缩的抽样信号虽然再经过均匀量化，但在接收端，解码后的被压缩量化抽样信号之量化信噪比却得到了均衡，故能在较高的信噪比下，用与压缩器特性正好相反的扩张器恢复被压缩抽样信号的本来面目。
国际电信联盟ITU提供两种建议，即A压缩律和
压缩律。
我国大陆采用A压缩律。
实际中采用13折线法来近似A压缩律的曲线。
3）编码
量化后的信号，已经是取值离散的数字信号。
下一步的问题是如何将这个数字信号编码。
得到量化电压，可以采取不同的编码方法对其编码。
即自然二进制码和折叠二进制码。
由于折叠码使编码电路变得简单，且其误码对小电压的影响较小，有利于较小语音信号的平均量化噪声，故采用折叠码进行编码。
近似A压缩律的13折线法中采用的折叠码有8位。
其中第一位表示量化值的极性正负，后面的7位分为段落码和段内码两部分。
其中第2~4位是段落码，其他4位为段内码。
段内码代表的16个量化电平是均匀划分的，但是各个段落的斜率不等，长度不等，所以不同段落的量化间隔是不同的。
2、设计与仿真
根据PCM原理的系统框图，用SystemView做出的仿真如图2-2所示。
图2-2PCM系统的仿真图
在SystemView系统仿真软件中，提供了A律和
律两种标准的压缩器和扩张器，在此仿真中我们采用A律。
系统时间设置，采样频率为200Hz，抽样点数为256
各图符功能和参数设置：
（1）图符14的扫频信号和图符15的低通滤波器来产生随机模拟信号。
（2）图符2为A率压缩器，用于对模拟信号的非均匀量化。
（3）图符3为8位的A/D转换器，用于实现对信号的抽样和编码，其中每一个抽样值编码为8位的二进制码。
（4）图符13为D/A转换器，用于将锁存器送来的8位二进制码进行译码，转换为模拟值。
（5）图符5为A率的扩张器，用于对还原的压缩信号进行扩张恢复。
（6）图符11为截止频率为25Hz的低通滤波器，用于对还原的信号滤除高频分量，恢复出原始信号。
图2-3分别为信号源波形，压扩后的波形，恢复的波形。
图2-3仿真结果
Ⅱ调制与解调
1、基本原理
信号的调制有幅度键控调制2ASK，频率键控调制2FSK，相移键控2PSK和差分相移键控法2DPSK这四种基本方法。
在前三种调制中2PSK有最好的误码性能，但在传输系统中存在相位不确定性，容易造成接收码元“0”和“1”的颠倒，产生误码，所以我们一般用差分相移键控法2DPSK对数字信号进行调制。
1）调制
2DPSK信号的产生过程是，首先对数字基带信号进行差分编码，即由绝对码变为相对码（差分码）然后进行绝对调相。
差分码可取传号差分码和空号差分码。
传号差分码的编码规则为：
式中
为模2加，
为
的前一个码元，最初的
可任意设定。
在使用传号差分码的条件下，载波相位遇1变遇0不变，载波相位的相对变化携带了数字信息。
2DPSK调制框图如图2-4所示：
2）解调
对2DPSK信号的解调有两种办法，第一种是相位比较法，又称差分解调，直接比较相邻码元的相位，从而判决接收码元是“0”还是“1”。
为此，需将前一码元延迟一码元时间，然后将当前码元相位和前一码元相位作比较。
另一种是相干解调，解调出来是相对码，所以需将其做逆码变换。
用差分解调法时不需要恢复本地载波，只需由收到的信号单独完成。
将2DPSK信号延时一个码元间隔Ts，然后与2DPSK信号本身相乘。
相乘器起相位比较的作用，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。
差分解调框图如图2-5所示
2、设计与仿真
根据以上框图在SystemView做出仿真图如图2-6所示。
图2-62DPSK差分解调仿真图
各图符功能和参数设置：
（1）图符0为伪随机信号，用以产生一系列的随机数字信号。
（2）图符1（异或）、7（延迟）组成了码反变换部分，把信号延迟一个码元周期后与当前码元相异或，得到相对码。
图符7的抽样保持用于延迟一个码元周期。
（3）图符2、9用于相对码的绝对调相。
（4）图符3、8为延迟解调，将收到的信号延迟一个码元周期后与当前信号相乘。
（5）图符4为三阶的Butterworth低通滤波器，截止频率为20Hz，滤除高频分量。
（6）图符5、10为抽样保持，6、11组成抽样判决部分，还原出信号。
系统时间设置:
采样频率为1000HZ，采样点数为2048。
运行该模块得到的结果如图2-7所示：
图2-72DPSK差分解调仿真波形
从上到下依次为调制波形、差分码；DPSK信号、乘法器输出；滤波器输出和最后经过抽样判决得到的解调信号；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的波形，即相对码，可以看到该波形符合“1变，0不变”的规则。
第三个波形为调制后的波形，该波形属于对相对码的绝对调相。
第四个波形为解调时延迟相乘后的波形；第五个波形为经过低通滤波器后的波形；第六个波形为解调后经抽样判决得到的波形，第一和第六个位输入输出比较图，可以看出解调基本成功。
三、系统总体设计和调试
在实际传输中，在发送端，A/D转换后将一个抽样值转换为并行的8位二进制码，所以发送时须先经过并串转换方能发送。
在总体设计图中图符79为8选一数据选择器，用于实现编码得到的8位二进制码的并串转换和分时传送。
图符12、13、19、20组成了一个8进制计数器，用于控制8选一数据选择器的分时发送。
在接收端同样要先串并转换再锁存才能进行D/A转换。
同时在接收端要正确区分8位数据的开始与结束，才能正确还原出原始信号，否则，接收端译码出来的信号与原始信号将不一致。
图符24为8位移位寄存器，用于实现8位分时传送的数据的接收和串并转换。
图符30为8位锁存器，用于将接收到的数据每8位作为一个整体锁存。
输入的模拟信号频率为30Hz，根据奈奎斯特定理，A/D转换器的抽样频率（即图符22）取30Hz。
每个抽样值转换为8位的二进制码，在仿真中因为数据选择器（图符79）为边沿触发，计数器（图符19）的计数频率为抽样信号的16倍即480Hz才能达到预期效果。
同理，移位寄存器（图符24）的频率也为480Hz。
每接收8位数据，锁存器（图符30）锁存一次，故锁存器的频率要与数据选择器一致。
为使其信号同步，故使用同一个脉冲信号即图符13，经过八分频输入19、133两个计数器，分别输入数据选择器和锁存器。
在解码端JK触发器（图符98）用来锁存初始信号。
将以上PCM编解码部分加上并串、串并接口和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的系统。
总系统图和有关参数见附录。
下图分别为输出波形，压扩后波形，PCM编码输出（2DPSK调制解调输入）波形，2DPSK解调波形（PCM解码输入），解压后的波形，解码输出。
由第一个波形和最后一个来看，除了一些细小的地方，信号基本上得到恢复‘单路语音通信系统仿真成功。
四、总结与体会
刚刚接到课题时，我像大多数同学那样，感觉很茫然，有很多知识自己还不懂，所以我去了图书馆借了几本通信原理教程书，专门针对几个仿真模块好好的看了遍课本。
然后就是去熟悉systemview仿真软件。
通过一边看老师的课件一边练习一些简单的操作慢慢的熟悉了软件的绘图仿真，其实熟悉了软件的图库后去绘图是蛮简单的，最复杂的是参数的设置。
一开始仿真的时候我总是得不到正确的仿真图形，最后没有办法又去同学那借来《通信系统仿真》一书，按照书上的参数去设置最后才得到正确的仿真图形。
当然在仿真的时候还遇到了其他问题，比如数据选择器，移位寄存器和锁存器工作原理。
此次的设计还算成功，但有些地方还是做得不足，如设计中的延时，抽样保持等，从而导致仿真图形没能达到同步。
这些需要我们在以后的学习中进一步探索。
这次的课程设计不仅加深了对课本知识的理解，有利于接下来的通信原理考试外，同时对整个单数语音通信系统也有了更好的理解。
最后衷心的感谢曾老师的悉心指导和朋友的热情帮助，谢谢大家！
五附录
总体仿真图如图所示：
各图符具体参数设置如表5.1所示。
表5.1各图符参数
Token
Attribute
Type
Parameters
0
Source
GaussNoise
S,tdDev=500e-3vMean=0v
4
Comm
Compander
A-Law,MaxInput=±1
12
Logic
Invert
GateDelay=0sec,Threshold=500e-3v
TrueOutput=1v,FalseOutput=0v,RiseTime=0sec,FallTime=0sec
13
Source
PulseTrain
Amp=1v,Freq=480Hz,PulseW=1.04167e-3sec,Offset=-500e-3v,
Phase=0deg
14
Operator
LinearSys
ButterworthLowpassIIR5Poles
Fc=10Hz,QuantBits=None,InitCndtn=0,DSPModeDisable
15
Logic
ADC
Two'sComplement,GateDelay=0sec
Threshold=500e-3v,TrueOutput=1v
FalseOutput=0v,No.Bits=8
MinInput=-1.28v,MaxInput=1.27v
RiseTime=0sec,Analog=t4Output0
Clock=t22Output0,Output0=Q-0t79,Output1=Q-1t79,Output2=Q-2t79,Output3=Q-3t79,Output4=Q-4t79,Output5=Q-5t79,Output6=Q-6t79,Output7=Q-7t79,Output8=Q-8,Output9=Q-9,Output10=Q-10,Output11=Q-11,Output12=Q-12,Output13=Q-13,Output14=Q-14,Output15=Q-15
19
Logic
Cntr-4
GateDelay=0sec,Threshold=500e-3v,TrueOutput=1v,FalseOutput=0v,
RiseTime=0sec,FallTime=0sec,
P-Enable*=t20Output0,CEP=t20Output0,CET=t20Output0,Clock=t13Output0
20
Source
StepFct
Amp=1v,Start=0sec,Offset=0v
21
Source
StepFct
Amp=0v,Start=0sec,Offset=0v
24
Logic
Shft-8in
GateDelay=0sec,Threshold=500e-3v,TrueOutput=1v,FalseOutput=0v,
RiseTime=0sec,FallTime=0sec,
InputA=t157Output0,InputB=t27Output0,Clock=t13Output0,MR*=t98Output0,Output0=Q-0t30
27
Source
StepFct
Amp=1v,Start=0sec,Offset=0v
30
Logic
Latch-8T
GateDelay=0sec,Threshold=500e-3v,TrueOutput=1v,FalseOutput=0v,
RiseTime=0sec,FallTime=0sec,DataD-0=t24Output7,DataD-1=t24,Output6,DataD-2=t24Output5,DataD-3=t24Output4,DataD-4=t24Output3
34
Comm
DeCompand
A-Law,MaxInput=±1
35
Operator
LinearSys
ButterworthLowpassIIR5Poles,
Fc=10Hz,QuantBits=None,InitCndtn=0,DSPModeDisabled
79
Logic
Mux-D-8
GateDelay=0sec,Threshold=500e-3v,TrueOutput=1v,FalseOutput=0v,RiseTime=0sec,FallTime=0sec,S-0=t19Output0,S-1=t19Output1,S-2=t19Output2,I-0=t15Output0
I-1=t15Output1
98
Logic
FF-JK*
GateDelay=0sec,Threshold=500e-3v,TrueOutput=1v,FalseOutput=0v,
RiseTime=0sec,FallTime=0sec,Set*=t99Output0,J=t99Output0,Clock=t13Output0,K*=t99Output0,Clear*=t99Output0
99
Source
StepFct
Amp=1v,Start=0sec,Offset=0v
101
Sink
Analysis
Inputfromt14OutputPort0
132
Logic
Invert
GateDelay=0sec,Threshold=500e-3v
TrueOutput=1v
FalseOutput=0v
RiseTime=0sec
FallTime=0sec
133
Logic
Cntr-4
GateDelay=0sec,Threshold=500e-3v
TrueOutput=1v,FalseOutput=0v
RiseTime=0sec,FallTime=0sec
P-Enable*=t134Output0
CEP=t134Output0,CET=t134Output0,Clock=t13Output0,MR*=t132Output0,InputP-0=None,InputP-1=None,InputP-2=None,InputP-3=None,Output0=Q-0,Output1=Q-1,
Output2=Q-2,Output3=Q-3t132t30,Output4=T-Count
134
Source
StepFct
Amp=1v,Start=0sec,Offset=0v
141
Logic
DAC
Two'sComplement,GateDelay=0sec
Threshold=500e-3v,No.Bits=8
MinOutput=-1.28v,MaxOutput=1.27v,D-0=t30Output0,D-1=t30Output1,D-2=t30Output2,D-3=t30Output3,D-4=t30Output4,D-5=t30Output5,D-6=t30Output6,D-7=t30Output7,D-8=None,D-9=None,D-10=None,D-11=None,D-12=None,D-13=None,D-14=None,D-15=None
156
Operator
XOR
Threshold=500e-3,True=1
False=-1
157
Operator
Compare
Comparison=‘<=’
TrueOutput=1v
FalseOutput=0v
AInput=t163Output0
BInput=t166Output0
158
Operator
Delay
Non-Interpolating
Delay=2e-3sec,Output0=Delayt156,Output1=Delay–dT
159
Operator
Delay
Non-Interpolating,Delay=2e-3sec
Output0=Delayt161,Output1=Delay–dT
160
Multiplier
NonParametric
Inputsfrom156162
Outputsto159161
161
Multiplier
NonParametric
Inputsfrom159160
Outputsto164
162
Source
Sinusoid
Amp=1v
Freq=1e+3Hz
Phase=0deg
Output0=Sinet160
Output1=Cosine
163
Operator
SampleHold
CtrlThreshold=100e-3v
Signal=t164Output0
Control=t165Output0
164
Operator
LinearSys
ButterworthLowpassIIR
3Poles
Fc=480Hz
QuantBits=None
InitCndtn=Tr
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