通信原理三級項(xiàng)目-數(shù)字語音通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、-. z. -. -可修編- .數(shù)字語音通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)姓 名： 郭 耀 華 學(xué) 號：0 班 級：通信工程1班 課程名稱：通 信 原 理指導(dǎo)教師：許 成 謙2015年4月-. z.數(shù)字語音通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)郭耀華燕山大學(xué) 信息科學(xué)與工程學(xué)院摘要：本文是關(guān)于一個(gè)數(shù)字語音通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，首先介紹數(shù)宇通信系統(tǒng)的根本原理，然后分別從信源編碼、信道編碼和數(shù)宇調(diào)制與解調(diào)三個(gè)方面介紹本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。本系統(tǒng)信源編碼中脈沖編碼調(diào)制采用非均勻量化，A律壓縮13折線法編碼，非均勻量一可以得到較高的信噪比并且非均勻量化時(shí)，量化噪聲功率的均方根值根本上與信號抽樣值成比例。信道編碼采用循環(huán)碼，循環(huán)碼的編碼和解碼設(shè)備都不太

2、復(fù)雜，而且糾錯(cuò)的能力較強(qiáng)。在數(shù)宇調(diào)制中采取了二進(jìn)制頻移鍵控調(diào)制方式，此方法利用數(shù)字基帶信號控制在波的頻率來傳送信息，解調(diào)時(shí)用了相干解調(diào)，方法簡便，容易實(shí)現(xiàn)。關(guān)鍵字:信源編碼與譯碼 信道編碼與譯碼 數(shù)字調(diào)制與解調(diào)數(shù)字通信系統(tǒng)的根本原理數(shù)字通信系統(tǒng)的模型信息源它的作用是把各種消息轉(zhuǎn)換為原始電信號，信源分為模擬信源和數(shù)字源。本文的偷入信號采用模擬信源，通過A/U轉(zhuǎn)換把輸入的模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，模擬信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號包括三個(gè)步驟:抽樣、量化和編碼。模擬號首先被抽樣。通常抽樣是按照等時(shí)間間隔進(jìn)展的，雖然在理論上并不是必須如此的。模擬信號被抽樣后，成為抽樣信號，它在時(shí)間上是離散的，但是其值仍然是連續(xù)的

3、，所以是離散模擬信號。第二步是量化。量化的結(jié)果使抽樣信號變成量化信號，其取值是離散的。故量化信號已是數(shù)宇信號了，它可以看成是多進(jìn)制的數(shù)字脈沖信號。第三步是編碼。第一步:抽樣的定理。設(shè)一個(gè)連續(xù)模擬信號m(t)中的最高頻率fh介且?guī)捠艿较拗茣r(shí)，則以間隔時(shí)間為T1/2 fH的周期性沖擊脈沖對它抽樣時(shí)，信號不發(fā)生混疊，即奈全斯特的定理。第二步:量化。模擬信號的抽樣值為m (KT)，其中T是抽樣周期，k是整數(shù)。量化原理公式:mg(kT=qi;當(dāng)mi-1m(KT)m在非均勻量化時(shí)，量化間隔是隨信隨號抽樣值的不同而變化的。信號抽樣值小時(shí)，量化間隔也小;信號抽樣值大時(shí)，量化間隔也大。非均勻量化的實(shí)現(xiàn)方法通常

4、是在進(jìn)展量化之前，先將信一號抽樣值壓縮，再進(jìn)展均勻量化。其壓縮是用一個(gè)非線性電路將輸入電壓*變換成輸出電壓y：y=f(*)第三步:脈沖編碼調(diào)制。通常把從模擬信號抽樣、量化，直到變換成為二進(jìn)制符號的過程，稱為脈沖編碼調(diào)制。信源編碼與譯碼它的根本功能一是提高信息傳愉的有效性，即通過*種數(shù)據(jù)壓縮技術(shù)設(shè)法減少碼元數(shù)目和降低碼元速率。碼元速率決定傳輸所占的帶寬，而傳輸帶寬反映了通信的有效性。二是完成模/數(shù)(A/D)轉(zhuǎn)換，即當(dāng)信息源給出的是模擬信號時(shí)，信源編碼器將其轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，以實(shí)現(xiàn)模擬信號的數(shù)字化傳輸。信源譯碼是信源編碼的逆過程。信道編碼與譯碼信道編碼的目的是增強(qiáng)數(shù)字信號的抗干擾能力。數(shù)字信號在信道

5、傳輸時(shí)受到噪聲等影響后將會引起過失。為了減小過失，信道編碼器對傳輸?shù)男畔⒋a元按一定的規(guī)則參加保護(hù)成分(監(jiān)視碼)，組成所謂的抗干擾編碼。接收端的信道譯碼器按相應(yīng)的逆規(guī)則進(jìn)展解碼，從中發(fā)現(xiàn)錯(cuò)誤或糾正錯(cuò)誤，提高通信系統(tǒng)的可靠性。數(shù)字調(diào)制與解調(diào)二進(jìn)制頻移鍵控，是用載波的頻率來攜帶二進(jìn)制信息的調(diào)制方式。也就是說，0值對應(yīng)一個(gè)頻率f1, 1對應(yīng)另一個(gè)頻率f2。二進(jìn)制頻移鍵控可以采用模擬信號調(diào)頻電路來實(shí)現(xiàn);但更容易實(shí)現(xiàn)的方法是鍵控法。由于二進(jìn)制頻移鍵控已調(diào)信號可以看作兩個(gè)不同載波的幅度鍵控已調(diào)信號之和，它的頻帶寬度是兩倍的基帶信號寬度(B)和|f2-f1|之和，2FSK鍵控法理論框圖如下圖。2FSK的解調(diào)有

6、很多方法，本系統(tǒng)采用相干解調(diào)，原理圖3如下圖脈沖編碼調(diào)制脈沖編碼調(diào)制脈沖編碼調(diào)制(pulse code modulation，PCM)是概念上最簡單、理論上最完善的編碼系統(tǒng)，是最早研制成功、使用最為廣泛的編碼系統(tǒng)，但也是數(shù)據(jù)量最大的編碼系統(tǒng)。PCM的編碼原理比擬直觀和簡單，下列圖為PCM系統(tǒng)的原理框圖：圖中，輸入的模擬信號m(t)經(jīng)抽樣、量化、編碼后變成了數(shù)字信號PCM信號)，經(jīng)信逆?zhèn)鬏數(shù)竭_(dá)接收端，由譯碼器恢復(fù)出抽樣值序列，再由低通濾波器濾出模擬基帶信號rn (t)。通常，將量化與編碼的組合稱為模/數(shù)變換器(A/D變換器);而譯碼與低通濾波的組合稱為數(shù)/模變換器(D/A變換器)。前者完成由模擬

7、信號到數(shù)字信號的變換，后者則相反，即完成數(shù)字信號到模擬信號的變換。PCM在通信系統(tǒng)中完成將語音信號數(shù)字化功能，它的實(shí)現(xiàn)主要包括三個(gè)步驟完成：抽樣、量化、編碼。分別完成時(shí)間上離散、幅度上離散、及量化信號的二進(jìn)制表示。根據(jù)CCITT的建議，為改善小信號量化性能，采用壓擴(kuò)非均勻量化，有兩種建議方式，分別為A律和律方式，我用了A律方式，由于A律壓縮實(shí)現(xiàn)復(fù)雜，常使用13折線法編碼，采用非均勻量化PCM編碼。PCM編碼原理2.2.1 抽樣所謂抽樣，就是對模擬信號進(jìn)展周期性掃描，把時(shí)間上連續(xù)的信號變成時(shí)間上離散的信號。該模擬信號經(jīng)過抽樣后還應(yīng)當(dāng)包含原信號中所有信息，也就是說能無失真的恢復(fù)原模擬信號。它的抽樣

8、速率的下限是由抽樣定理確定的。2.2.2 量化量化，就是把經(jīng)過抽樣得到的瞬時(shí)值將其幅度離散，即用一組規(guī)定的電平，把瞬時(shí)抽樣值用最接近的電平值來表示。從數(shù)學(xué)上來看，量化就是把一個(gè)連續(xù)幅度值的無限數(shù)集合映射成一個(gè)離散幅度值的有限數(shù)集合。一個(gè)模擬信一號經(jīng)過抽樣量化后，得到已量化的脈沖幅度調(diào)制信號，它僅為有限個(gè)數(shù)值。如下列圖所示，量化器輸出L個(gè)量化值yk，k=1，2 ，3，L。yk常稱為重建電平或量化電平。當(dāng)量化器輸入信號幅度*落在*k與*k+1之間時(shí)，量化器輸出電平為yk。這個(gè)量化過程可以表達(dá)為:y=Q(*)=Q*k*k+1=yk, k =1,2,3,這里*k稱為分層電平或判決閥值。通常k=*k+1

9、-*k稱為量化間隔。模擬信號的量化分為均勻量化和非均勻量化。.均勻量化：用這種方法量化輸入信號時(shí)，無論對大的輸入信號還是小的輸入信號一律都采用一樣的量化間隔。為了適應(yīng)幅度大的輸入信號，同時(shí)又要滿足精度要求，就需要增加樣本的位數(shù)。但是，對話音信號來說，大信號出現(xiàn)的時(shí)機(jī)并不多，增加的樣本位數(shù)就沒有充分利用。為了克制這個(gè)缺乏，就出現(xiàn)了非均勻量化的方法。.非均勻量化：非均勻量化是根據(jù)信號的不同區(qū)間來確定量化間隔的。對于信號取值小的區(qū)間，其量化間隔v也小;反之，量化間隔就大。它與均勻量化相比，有兩個(gè)突出的優(yōu)點(diǎn)。首先，當(dāng)輸入量化器的信號具有非均勻分布的概率密度(實(shí)際中常常是這樣)時(shí)，非均勻量化器的輸出端可

10、以得到較高的平均信號量化噪聲功率比;其次，非任均勻量化時(shí)，量化噪聲功率的均方根值根本上與信號抽樣值成比例。因此量化噪聲對大、小信號的影響大致一樣，即改善了小信號時(shí)的量化信噪比。實(shí)際中，非均勻量化的實(shí)際方法通常是將抽樣值通過壓縮再進(jìn)展均勻量化。通常使用的壓縮器中，大多采用對數(shù)式壓縮。廣泛采用的兩種對數(shù)壓縮律是壓縮律和A壓縮律。美用壓縮律，我國和歐洲各國均采用A壓縮律，所謂A壓縮律也就是壓縮器具有如下特性的壓縮律:由于A律壓縮實(shí)現(xiàn)復(fù)雜，常使用13折現(xiàn)法編碼，壓擴(kuò)特性如下列圖所示A律13折線壓擴(kuò)特性圖這樣，它根本上保持了連續(xù)壓擴(kuò)特性曲線的優(yōu)點(diǎn)，又便于用數(shù)字電路實(shí)現(xiàn)，本設(shè)計(jì)中所用到的PCM編碼正是采用

11、這種壓擴(kuò)特性來進(jìn)展編碼的。2.2.3 編碼所謂編碼就是把量化后的信號變換成代碼，其相反的過程稱為譯碼。當(dāng)然，這里的編碼和譯碼與過失控制編碼和譯碼是完全不同的，前者是屬于信源編碼的疇。在現(xiàn)有的編碼方法中，假設(shè)按編碼的速度來分，大致可分為兩大類:低速編碼和高速編碼。通信中一般都采用第二類。編碼器的種類大體上可以歸結(jié)為三類:逐次比擬型、折疊級聯(lián)型、棍合型。在逐次比擬型編碼方式中，無論采用幾位碼，一般均按極性碼、段落碼、段碼的順序排列。下面結(jié)合13折線的量化來加以說明。量化級段碼15111114111013110112110011101110101091001810007011160110501014

12、010030011200101000100000段落序號段落碼81117110610151004011301020011000在13折線法中，無論輸入信號是正是負(fù)，均按8段折線8個(gè)段落進(jìn)展編碼。假設(shè)用8位折疊二進(jìn)制碼來表示輸入信號的抽樣量化值，其中用第一位表示量化值的極性，其余七位(第二位至第八位)則表示抽樣量化值的絕對大小。具體的做法是:用第二至第四位表示段落碼，它的8種可能狀態(tài)來分別代表8個(gè)段落的起點(diǎn)電平。其余四位表示段碼，它的16種可能狀態(tài)來分別代表每一段落的16個(gè)均勻劃分的量化級。這樣處理的結(jié)果，8個(gè)段落被劃分成128個(gè)量化級。段落碼和8個(gè)段落之間的關(guān)系如表1所示;段碼與16個(gè)量化級之

13、間的關(guān)系見表2。信道編碼和譯碼在數(shù)字電視和通信系統(tǒng)中，為提高信息傳輸可靠性，廣泛使用了其有一定糾錯(cuò)能力的信道編碼技術(shù)，如奇偶校驗(yàn)碼、行列監(jiān)視碼、恒比碼、漢明碼、循環(huán)碼(CRC)等編碼技術(shù)。信道編碼的本質(zhì)是增加通信的可靠性，或者一說增加整個(gè)系統(tǒng)的抗干擾性。對信逆編碼有以下要求:1.透明性：要求對所傳消息的容不加任何限制;2.有糾錯(cuò)能力;3.效率高：為了與信道頻譜匹配和具有糾錯(cuò)能力，通常要向原信號添加一些碼，要求參加最少的比特?cái)?shù)而得到最大的利益;4.包含適當(dāng)?shù)亩〞r(shí)信息。在這些要求中，除編碼的必須信息外，所作的處理主要有兩條:一是要求碼列的頻譜特性適應(yīng)信道的頻譜特性從而使傳輸過程中能量損失最小，提高

14、信噪比。減少發(fā)生過失的可能性;二是增加糾錯(cuò)能力，使得即便出現(xiàn)過失，也能得到糾正。過失控制的根本概念3.1.1 過失控制的特點(diǎn)由于通信線路上總有噪聲存在，噪聲和有用信息中的結(jié)果，就會出現(xiàn)過失。噪聲可分為兩類，一類是熱噪聲，另一類是沖激噪聲，熱噪聲引起的過失是一種隨機(jī)過失，亦即*個(gè)碼元的出錯(cuò)具有獨(dú)立性，與前后碼元無關(guān)。沖激噪聲是由短暫原因造成的。3.1.2 過失控制的根本方式過失控制方式，根本上分為兩類，一類稱為反應(yīng)糾錯(cuò)，另一類稱為前向糾錯(cuò)。在這兩類根底上又派生出一種稱為混合糾錯(cuò)。(1)反應(yīng)糾錯(cuò)這種方式在是發(fā)信端采用*種能發(fā)現(xiàn)一定程度傳輸過失的簡單編碼方法對所傳信息進(jìn)展編碼，參加少量監(jiān)視碼元，在接

15、收端則根據(jù)編碼規(guī)則收到的編碼信號進(jìn)展檢查，一量檢測出(發(fā)現(xiàn))有錯(cuò)碼時(shí)，即向發(fā)信端發(fā)出詢問的信號，要求重發(fā)。發(fā)信端收到詢問信一號時(shí)，立即重發(fā)已發(fā)生傳輸過失的那局部發(fā)信息，直到正確收到為止。所謂發(fā)現(xiàn)過失是指在假設(shè)干接收碼元中知道有一個(gè)或一些是錯(cuò)的，但不一定知道錯(cuò)誤的準(zhǔn)確位置。(2)前向糾錯(cuò)這種方式是發(fā)信端采用*種在解碼時(shí)能糾正一定程度傳輸過失的較復(fù)雜的編碼方法，使接收端在收到信碼中不僅能發(fā)現(xiàn)錯(cuò)碼，還能夠糾正錯(cuò)碼。采用前向糾錯(cuò)方式時(shí)，不需要反應(yīng)信道，也無需反復(fù)重發(fā)而延誤傳輸時(shí)間，對實(shí)時(shí)傳輸有利，但是糾錯(cuò)設(shè)一備比擬復(fù)雜。(3)混合糾錯(cuò)混合糾錯(cuò)的方式是:少量糾錯(cuò)在接收端自動糾正，過失較嚴(yán)重，超出自行糾正

16、能力時(shí)，就向發(fā)信端發(fā)出詢問信一號，要求重發(fā)。因此，混合糾錯(cuò)是前向糾錯(cuò)及反應(yīng)糾錯(cuò)兩種方式的混合。對于不同類型的信道，應(yīng)采用不同的過失控制技術(shù)，否則就將事倍功半。反應(yīng)糾錯(cuò)可用于雙向數(shù)據(jù)通信，前向糾錯(cuò)則用于單向數(shù)字信號的傳輸，例如播送數(shù)字電視系統(tǒng)，因?yàn)檫@種系統(tǒng)沒有反應(yīng)通道。數(shù)字調(diào)制與解調(diào)為了使數(shù)字信號在帶通信道中傳輸，必須用數(shù)字信號對載波進(jìn)展調(diào)制。如同傳輸模擬信號時(shí)一樣，傳輸數(shù)字信號時(shí)也有三種根本的調(diào)制方式：幅度鍵控、頻移鍵控、相移鍵控。它們分別對應(yīng)于用正弦波的幅度、頻率和相位傳遞數(shù)宇基帶信號，可以看成是模擬線性調(diào)制角調(diào)制的特殊情況。2FSK調(diào)制原理4.1.1 2FSK信號的產(chǎn)生2FSK是利用數(shù)字基

17、帶信號控制載波的頻率來傳送信息。例如，1碼用頻率fl來傳愉，0碼用頻率f2來傳輸，而其振幅和初始相位不變。故其表示式為式中，假設(shè)碼元的初始相位分別為1和2；w1=2f1和w2=2f2為兩個(gè)不同的碼元的角頻率;幅度為A為一常數(shù)，表示碼元的包絡(luò)為矩形脈沖。2FSK信號的產(chǎn)生方法有兩種:(1)模擬法，即用數(shù)字基帶信號作為調(diào)制信號進(jìn)展調(diào)頻。如下列圖(a)所示。(2)鍵控法，用數(shù)字基帶信號g (t)及其反相g (t)分別控制兩個(gè)開關(guān)門電路，以此對兩個(gè)載波發(fā)生器進(jìn)展選通。如圖(b)所示。這兩種方法產(chǎn)生的2FSK信號的波形根本一樣，只有一點(diǎn)差異，即由調(diào)頻器產(chǎn)生的2FSK信號在相鄰碼元之間的相位是連續(xù)的，而鍵控法產(chǎn)生的2FSK信號，則分別有兩個(gè)獨(dú)立的頻率源產(chǎn)生兩個(gè)不同頻率的信號，故相鄰碼元