語音信號PCM系統(tǒng)的實現(xiàn)與測試

1、洛 陽 理 工 學 院課 程 設 計 報 告 課程名稱 通信原理 設計題目 語音信號PCM系統(tǒng)的實現(xiàn)與測試 專 業(yè) 通信工程 班 級 B10050000 學 號 B100500000 姓 名 LLL 完成日期 2012年12月31日 課 程 設 計 任 務 書設計題目： 語音信號PCM系統(tǒng)的實現(xiàn)與測試 設計內容與要求：設計內容：1.從wav文件中提取語音信號，通過A律壓擴編碼，并轉換成8位串行數據發(fā)送；2.信道中混有高斯噪聲；3.接收信號轉換成7位并行數據，并A律壓擴譯碼，再恢復成8位并行數據，生成新的wav文件；設計要求：1.獨立完成語音信號PCM系統(tǒng)；2.通過短時wav文件測試仿真系統(tǒng)；3

2、.分析A律編碼前后語音信號頻譜的變化。 指導教師： XXX 2012年12月16日課 程 設 計 評 語 成績： 指導教師：_ 年 月 日洛 陽 理 工 學 院 課 程 設 計 報 告一PCM系統(tǒng)原理1.1 PCM基本概念PCM即脈沖編碼調制，在通信系統(tǒng)中完成將語音信號數字化功能。PCM的實現(xiàn)主要包括三個步驟完成：抽樣、量化、編碼。分別完成時間上離散、幅度上離散、及量化信號的二進制表示。根據CCITT的建議，為改善小信號量化性能，采用壓擴非均勻量化，有兩種建議方式，分別為A律和律方式，我國采用了A律方式，由于A律壓縮實現(xiàn)復雜，常使用 13 折線法編碼。1.2 PCM原理框圖低通濾波A率壓縮抽

3、樣量 化編 碼低通濾波A率擴張解 調解 碼信道再 生話音輸入話音輸出非均勻量化PCM編碼示意圖如下： 圖1.1.1 PCM編碼原理圖1.3 抽樣所謂抽樣，就是對模擬信號進行周期性掃描，把時間上連續(xù)的信號變成時間上離散的信號。該模擬信號經過抽樣后還應當包含原信號中所有信息，也就是說能無失真的恢復原模擬信號。它的抽樣速率的下限是由抽樣定理確定的。1.4 量化從數學上來看，量化就是把一個連續(xù)幅度值的無限數集合映射成一個離散幅度值的有限數集合。如圖2所示，量化器Q輸出L個量化值ky，k=1，2，3，L。ky常稱為重建電平或量化電平。當量化器輸入信號幅度落在與之間時，量化器輸出電平為。這個量化過程可以表

4、達為：這里稱為分層電平或判決閾值。通常稱為量化間隔。模擬入量化器量化值 圖1.4.1模擬信號的量化分為均勻量化和非均勻量化。由于均勻量化存在的主要缺點是：無論抽樣值大小如何，量化噪聲的均方根值都固定不變。因此，當信號較小時，則信號量化噪聲功率比也就很小，這樣，對于弱信號時的量化信噪比就難以達到給定的要求。通常，把滿足信噪比要求的輸入信號取值范圍定義為動態(tài)范圍，可見，均勻量化時的信號動態(tài)范圍將受到較大的限制。為了克服這個缺點，實際中，往往采用非均勻量化。非均勻量化是根據信號的不同區(qū)間來確定量化間隔的。對于信號取值小的區(qū)間，其量化間隔也??；反之，量化間隔就大。它與均勻量化相比，有兩個突出的優(yōu)點。首

5、先，當輸入量化器的信號具有非均勻分布的概率密度（實際中常常是這樣）時，非均勻量化器的輸出端可以得到較高的平均信號量化噪聲功率比；其次，非均勻量化時，量化噪聲功率的均方根值基本上與信號抽樣值成比例。因此量化噪聲對大、小信號的影響大致相同，即改善了小信號時的量化信噪比。實際中，非均勻量化的實際方法通常是將抽樣值通過壓縮再進行均勻量化。通常使用的壓縮器中，大多采用對數式壓縮。廣泛采用的兩種對數壓縮律是壓縮律和A壓縮律。美國采用壓縮律，我國和歐洲各國均采用A壓縮律，因此，PCM編碼方式采用的也是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： A律壓擴特性是連續(xù)曲線，A值不同壓擴特性亦不同，在

6、電路上實現(xiàn)這樣的函數規(guī)律是相當復雜的。實際中，往往都采用近似于A律函數規(guī)律的13折線（A=87.6）的壓擴特性。這樣，它基本上保持了連續(xù)壓擴特性曲線的優(yōu)點，又便于用數字路實現(xiàn)，本設計中所用到的PCM編碼正是采用這種壓擴特性來進行編碼的。如下圖所示：表1.4.1列出了13折線時的值與計算值的比較未壓縮（1）（2）（3）（4）（5）（6）（7）（8） 0A律函數13折線表1.4.1列出了13折線時的x值與計算x值的比較。 y0182838485868781x01128160.6130.6115.417.7913.9311.981按折線分段時的x011281641321161814121段落1234

7、5678斜率161684211214 表 1.4.1表中第二行的值是根據A=87.6時計算得到的，第三行的值是13折線分段時的值。可見，13折線各段落的分界點與曲線十分逼近，同時按2的冪次分割有利于數字化。1.5 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。當然，這里的編碼和譯碼與差錯控制編碼和譯碼是完全不同的，前者是屬于信源編碼的范疇。在現(xiàn)有的編碼方法中，若按編碼的速度來分，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為三類：逐次比較型、折疊級聯(lián)型、混合型。在逐次比較型編碼方式中，無論采用幾位碼，一般均按極性碼、段落碼、段內碼的

8、順序排列。下面結合13折線的量化來加以說明。段落序號段落碼81117110610151004011301020011000量化級段內碼15111114111013110112110011101110101091001810007011160110501014010030011200101000100000表1.5.1 表1.5.2在13折線法中，無論輸入信號是正是負，均按8段折線（8個段落）進行編碼。若用8位折疊二進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

9、表8個段落的起點電平。其它四位表示段內碼，它的16種可能狀態(tài)來分別代表每一段落的16個均勻劃分的量化級。這樣處理的結果，8個段落被劃分成27128個量化級。段落碼和8個段落之間的關系如表2所示；段內碼與16個量化級之間的關系見表3。二SystemView介紹SystemView是美國ELANIX公司推出的，基于Windows環(huán)境下運行的用于系統(tǒng)仿真分析的可視化軟件工具，它使用功能模塊(Token)去描述程序，無需與復雜的程序語言打交道，不用寫一句代碼即可完成各種系統(tǒng)的設計與仿真，快速地建立和修改系統(tǒng)、訪問與調整參數，方便地加入注釋。利用System View，可以構造各種復雜的模擬、數字、數模

10、混合系統(tǒng)，各種多速率系統(tǒng)，因此，它可用于各種線性或非線性控制系統(tǒng)的設計和仿真。用戶在進行系統(tǒng)設計時，只需從System View配置的圖標庫中調出有關圖標并進行參數設置，完成圖標間的連線，然后運行仿真操作，最終以時域波形、眼圖、功率譜等形式給出系統(tǒng)的仿真分析結果。SystemView的庫資源十分豐富，包括含若干圖標的基本庫（Main Library）及專業(yè)庫(Optional Library)，基本庫中包括多種信號源、接收器、加法器、乘法器，各種函數運算器等；專業(yè)庫有通訊（Communication）、邏輯（Logic）、數字信號處理（DSP）、射頻/模擬（RF/Analog）等；它們特別適合

11、于現(xiàn)代通信系統(tǒng)的設計、仿真和方案論證，尤其適合于無線電話、無繩電話、尋呼機、調制解調器、衛(wèi)星通訊等通信系統(tǒng)；并可進行各種系統(tǒng)時域和頻域分析、譜分析，及對各種邏輯電路、射頻/模擬電路（混合器、放大器、RLC電路、運放電路等）進行理論分析和失真分析。 System View能自動執(zhí)行系統(tǒng)連接檢查，給出連接錯誤信息或尚懸空的待連接端信息，通知用戶連接出錯并通過顯示指出出錯的圖標。這個特點對用戶系統(tǒng)的診斷是十分有效的。 System View的另一重要特點是它可以從各種不同角度、以不同方式，按要求設計多種濾波器，并可自動完成濾波器各指標如幅頻特性（伯特圖）、傳遞函數、根軌跡圖等之間的轉換。 在系統(tǒng)設計

12、和仿真分析方面，System View還提供了一個真實而靈活的窗口用以檢查、分析系統(tǒng)波形。在窗口內，可以通過鼠標方便地控制內部數據的圖形放大、縮小、滾動等。另外，分析窗中還帶有一個功能強大的“接收計算器”，可以完成對仿真運行結果的各種運算、譜分析、濾波。 System View還具有與外部文件的接口，可直接獲得并處理輸入/輸出數據。提供了與編程語言VC+或仿真工具Matlab的接口，可以很方便的調用其函數。還具備與硬件設計的接口：與Xilinx公司的軟件Core Generator配套，可以將System View系統(tǒng)中的部分器件生成下載FPGA芯片所需的數據文件；另外，System View

13、還有與DSP芯片設計的接口，可以將其DSP庫中的部分器件生成DSP芯片編程的C語言源代碼。三PCM系統(tǒng)的設計與仿真3.1 PCM編碼器模塊 3.1.1 PCM編碼器原理圖PCM編碼器模塊主要有信號源（圖符87）、低通濾波器（圖符62）、瞬時壓縮器（圖符44）、A/D轉換器（圖符57）、并串轉換器（圖符49）、輸出端子（圖符60）構成。圖3.1圖符參數表如下：圖符號庫：圖符名稱改變的參數設置87Source：SinusoidAmplidue=1v Freq=10e+3HZ62Operator：Linear SysButterworth Lowpass IIR3 poles;Fc=11e+3Hz4

14、4Comm:CompanderA-Low Maxoutput=1V57Logic:ADCMininput= -2.5Vmaxinput=2.5V49Logic:muxGate delay=0 Threshold=500e-3 Tureoutput=1 False output=059/65Source:pulse trainFc=20e+3Hz50Source:pulse trainFc=40e+3Hz51Source:pulse trainFc=80e=3Hz 表3.1.1.13.1.2 PCM編碼器組件功能實現(xiàn)(a)低通濾波器：為實現(xiàn)信號的語音頻率特性，考慮到濾波器在通帶和阻帶之間的過渡，

15、采用了低通濾波器，而沒有設計帶通濾波器。(b)瞬時壓縮器：瞬時壓縮器（圖符44）使用了我國現(xiàn)采用A律壓縮，注意在譯碼時擴張器也應采用A律解壓。(c) A/D轉換器：完成經過瞬時壓縮后信號時間及幅度的離散，根據低通采樣定理，采樣頻率應大于信號最高頻率兩倍以上。 (d)數據選擇器：圖符49為帶使能端的8路數據選擇器，與74151功能相同，在這里完成A/D轉換后的數據的并/串轉換，圖符65、50、51為選擇控制端，在這里控制輪流輸出并行數據為串行數據。通過數據選擇器還可以實現(xiàn)碼速轉換功能。3.2 PCM譯碼模塊 3.2.1PCM譯碼原理PCM譯碼器是實現(xiàn)PCM編碼的逆系統(tǒng)。PCM譯碼器模塊主要有8位

16、移位寄存器（圖符66）、8位鎖存器（圖符67）、D/A轉換器（圖符63）、瞬時擴張器（圖符47）、低通濾波器（圖符48）、輸出端子（圖符64）構成。 圖3.2.1.1圖符參數表如下：66Logic:Shft-8inGate delay=0 Threshold=500e-3 Ture output=1 False output=067Logic:Latch-8TGate delay=0 Threshold=500e-3 Ture output=1 False output=063Logic:DACMinoutput= -2.5V maxoutput=2.5V47Comm:DeCompanderA

17、-Low Maxoutput=1V48Operator：Linear SysButterworth Lowpass IIR3 poles;Fc=11e+3Hz3.2.2 PCM編碼器組件功能實現(xiàn)(a) 8位移位寄存器(圖符66)：移位寄存器中的數據可以在移位脈沖作用下一次逐位右移或左移，數據既可以并行輸入、并行輸出，也可以串行輸入、串行輸出，還可以并行輸入、串行輸出，串行輸入、并行輸出，十分靈活，用途也很廣。(b) 8位鎖存器（圖符67）：輸出端的狀態(tài)不會隨輸入端的狀態(tài)變化而變化， 僅在有鎖存信號時輸入的狀態(tài)被保 存到輸出，直到下一個鎖存信號到來時才改變。典型的鎖存器邏輯電路是D觸發(fā)器電路。(

18、c) D/A轉換器(圖符63)：用來實現(xiàn)與A/D轉換相反的過程，實現(xiàn)數字量轉化為模擬量，從而達到譯碼最基本的要求，也就是最起碼要有步驟。(d) 擴張器（圖符47）：實現(xiàn)與瞬時壓縮器相反的功能，由于采用 A 律壓縮，擴張也必須采用A律瞬時擴張器。(e) 低通濾波器（圖符48）：由于采樣脈沖不可能是理想沖激函數會引入孔徑失真，量化時也會帶來量化噪聲，及信號再生時引入的定時抖動失真，需要對再生信號進行幅度及相位的補償，同時濾除高頻分量，在這里使用與編碼模塊中相同的低通濾波器。3.3 2DPSK調制 3.3.1 2DPSK調制原理2DPSK方式是用前后相鄰碼元的載波相對相位變化來表示數字信息。假設前后

19、相鄰碼元的載波相位差為Dj，可定義一種數字信息與Dj之間的關系為則一組二進制數字信息與其對應的2DPSK信號的載波相位關系如下表所示數字信息與Dj 之間的關系也可以定義為2DPSK信號調制過程波形如下圖所示。 圖3.3.1.1可以看出，2DPSK信號的實現(xiàn)方法可以采用：首先對二進制數字基帶信號進行差分編碼，將絕對碼表示二進制信息變換為用相對碼表示二進制信息，然后再進行絕對調相，從而產生二進制差分相位鍵控信號。2DPSK信號調制器原理圖如下圖所示： 圖3.3.1.2QDCKan發(fā)送碼時鐘dn-1dn其中碼變換即差分編碼器如下圖所示。在差分編碼器中：an為二進制絕對碼序列，dn為差分編碼序列。D觸

20、發(fā)器用于將序列延遲一個碼元間隔，在SystemView中此延遲環(huán)節(jié)一般可不采用D觸發(fā)器，而是采用操作庫中的“延遲圖符塊”。 圖3.3.1.33.3.2 2DPSK調制原理圖圖3.3.2.1其中圖符12產生絕對碼序列,圖符10和圖符11實現(xiàn)差分編碼；圖符7輸出正弦波；圖符8對正弦波反相；圖符10為鍵控開關。圖符2輸出2DPSK信號。圖符的參數設置如下表所示：圖符號庫：圖符名稱改變的參數設置7Source：SinusoidAmplidue=1v Freq=100e+3HZ8Operator:Neqate2Logic:SPDT10Logic:XORTrue output=1V falseoutput

21、=-1V12Source: PN SeqAmp = 1 v，Offset = 0 v，Rate = 10e+3 Hz，Levels = 2，Phase = 0 deg 表3.3.2.13.4 2DPSK解調 3.4.1 2DPSK解調原理相干解調法：2DPSK信號可以采用相干解調方式(極性比較法)，對2DPSK信號進行相干解調，恢復出相對碼，再通過碼反變換器變換為絕對碼，從而恢復出發(fā)送的二進制數字信息。解調器原理圖和解調過程各點時間波形如圖 (a)、(b)所示：圖3.4.1.1 2DPSK信號相干解調器原理圖和解調過程各點時間波形其中碼反變換器即差分譯碼器組成如圖14所示。在差分譯碼器中：為差

22、分編碼序列，為差分譯碼序列。D觸發(fā)器用于將序列延遲一個碼元間隔，在SystemView中此延遲環(huán)節(jié)一般可不使用D觸發(fā)器，而是使用操作庫中的“延遲圖符塊”。DQCK位同步時鐘dndn-1an圖3.4.1.2 差分譯碼器3.4.2 2DPSK解調原理圖圖3.4.2.1其中，圖符28為帶通濾波器，圖符21為乘法器，圖符20為低通濾波器，圖符23、24實現(xiàn)抽樣判決，圖符27、82實現(xiàn)差分解碼。圖符40輸出再生的絕對碼。圖符的參數設置如下表所示：圖符號庫：圖符名稱改變的參數設置28Operator:Linear SysButterworth BandpassLow=90e+3HZ high=110e+3

23、HZ27Operator:DelayDelay=100e-621Multiplier23Operator:samplesample rate=100e+3HZ24Operator:sample holdLast sample Gain=120Operator：Linear SysButterworth Lowpass IIR3 poles;Fc=11e+3Hz82Logic:XORTrue output=1V falseoutput=-1V79Source：SinusoidAmplidue=1v Freq=100e+3HZ 表3.4.2.13.5 PCM系統(tǒng)全圖整個PCM系統(tǒng)是由信源模塊、PC

24、M編譯碼碼系統(tǒng)、并串/并串轉換系統(tǒng)、2DPSK調制解調系統(tǒng)。系統(tǒng)仿真模型如下： 圖3.5.1圖符88子系統(tǒng)展開 圖3.5.2圖3.5.1和3.5.2參數如下表：圖符號庫：圖符名稱改變的參數設置87Source：SinusoidAmplidue=1v Freq=10e+3HZ62/48/20Operator：Linear SysButterworth Lowpass IIR3 poles;Fc=11e+3Hz44Comm:CompanderA-Low Maxoutput=1V57Logic:ADCMininput= -2.5V maxinput=2.5V49Logic:muxGate delay

25、=0 Threshold=500e-3 Ture output=1False output=066Logic:Shft-8inGate delay=0 Threshold=500e-3 Ture output=1False output=067Logic:Latch-8TGate delay=0 Threshold=500e-3 Ture output=1False output=063Logic:DACMinoutput= -2.5V maxoutput=2.5V52/5355/60/64/30/31Sink：Analysis47Comm:DeCompanderA-Low Maxoutput

26、=1V59/65/74Source:pulse trainFc=20e+3Hz50Source:pulse trainFc=40e+3Hz51Source:pulse trainFc=80e=3Hz69Source:pulse trainFc=160e+3Hz7Source：SinusoidAmplidue=1v Freq=100e+3HZ8Operator:Neqate2Logic:SPDT10/82Logic:XORTrue output=1V falseoutput=-1V84Adder86/28Operator:Linear SysButterworth BandpassLow=90e+3HZ high=110e+3HZ85Source：Gauss NoiseStd Dev=1V11/27Operator:DelayDelay=100e-621Multiplier23Operator:samplesample rate=100e+3HZ24Operator:sample holdLast sample Gain=179Source：SinusoidAmplidue=1v Freq=100