完美升级版数字语音通信系统的设计与实现毕业论文设计Word文档下载推荐.docx
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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22FSK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32FSK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(pulsecodemodulation,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。
3.2PCM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调制信号,它仅为有限个数值。
如下图所示,量化器输出L个量化值,k=1,2,3,…,L。
常称为重建电平或量化电平。
当量化器输入信号幅度x落在与之间时,量化器输出电平为。
这个量化过程可以表达为:
这里称为分层电平或判决阈值。
通常称为量化间隔。
模拟信号的量化分为均匀量化和非均匀量化。
(a).均匀量化:
用这种方法量化输入信号时,无论对大的输入信号还是小的输入信号一律都采用相同的量化间隔。
为了适应幅度大的输入信号,同时又要满足精度要求,就需要增加样本的位数。
但是,对话音信号来说,大信号出现的机会并不多,增加的样本位数就没有充分利用。
为了克服这个不足,就出现了非均匀量化的方法。
(b).非均匀量化:
非均匀量化是根据信号的不同区间来确定量化间隔的。
对于信号取值小的区间,其量化间隔也小;
反之,量化间隔就大。
它与均匀量化相比,有两个突出的优点。
首先,当输入量化器的信号具有非均匀分布的概率密度(实际中常常是这样)时,非均匀量化器的输出端可以得到较高的平均信号量化噪声功率比;
其次,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。
因此量化噪声对大、小信号的影响大致相同,即改善了小信号时的量化信噪比。
实际中,非均匀量化的实际方法通常是将抽样值通过压缩再进行均匀量化。
通常使用的压缩器中,大多采用对数式压缩。
广泛采用的两种对数压缩律是压缩律和A压缩律。
美国采用压缩律,我国和欧洲各国均采用A压缩律,所谓A压缩律也就是压缩器具有如下特性的压缩律:
,。
由于A律压缩实现复杂,常使用13折线法编码,压扩特性图如下图所示:
A律函数13折线压扩特性图
这样,它基本上保持了连续压扩特性曲线的优点,又便于用数字电路实现,本设计中所用到的PCM编码正是采用这种压扩特性来进行编码的。
1
按折线
分段时的
段落
2
3
4
5
6
7
8
斜率
16
表113折线时的值与计算值的比较
表1中第二行的值是根据时计算得到的,第三行的值是13折线分段时的值。
可见,13折线各段落的分界点与曲线十分逼近,同时按2的幂次分割有利于数字化。
3.2.3.编码
所谓编码就是把量化后的信号变换成代码,其相反的过程称为译码。
当然,这里的编码和译码与差错控制编码和译码是完全不同的,前者是属于信源编码的范畴。
在现有的编码方法中,若按编码的速度来分,大致可分为两大类:
低速编码和高速编码。
通信中一般都采用第二类。
编码器的种类大体上可以归结为三类:
逐次比较型、折叠级联型、混合型。
在逐次比较型编码方式中,无论采用几位码,一般均按极性码、段落码、段内码的顺序排列。
下面结合13折线的量化来加以说明。
段落序号
段落码
量化级
段内码
111
15
1111
14
1110
110
13
1101
12
1100
101
11
1011
10
1010
100
9
1001
1000
011
0111
0110
010
0101
0100
001
0011
0010
000
0001
0000
表2段落码表3段内码
在13折线法中,无论输入信号是正是负,均按8段折线(8个段落)进行编码。
若用8位折叠二进制码来表示输入信号的抽样量化值,其中用第一位表示量化值的极性,其余七位(第二位至第八位)则表示抽样量化值的绝对大小。
具体的做法是:
用第二至第四位表示段落码,它的8种可能状态来分别代表8个段落的起点电平。
其它四位表示段内码,它的16种可能状态来分别代表每一段落的16个均匀划分的量化级。
这样处理的结果,8个段落被划分成27=128个量化级。
段落码和8个段落之间的关系如表2所示;
段内码与16个量化级之间的关系见表3。
3.3PCM脉冲编码调制的仿真
3.3.1PCM抽样的仿真
PCM抽样的MATLAB程序设计按如下步骤进行:
(1)确定输入的模拟信号为sa(200t);
(2)根据输入的模拟信号,确定抽样频率,对输入信号进行抽样,并将正常抽样和会产生失真的抽样进行对比,对抽样定理加以验证;
(3)编写程序,画出满足采样定理和不满足的时、频域图形。
MATLAB源程序:
functionsample()
t0=10;
%定义时间长度
ts=0.001;
fs=1/ts;
t=[-t0/2:
ts:
t0/2];
%定义时间序列
df=0.5;
%定义频率分辨率
x=sin(200*t);
m=x./(200*t+eps);
w=t0/(2*ts)+1;
%确定t=0的点
m(w)=1;
%修正t=0点的信号值
m=m.*m;
[M,mn,dfy]=fft_seq(m,ts,df);
%傅立叶变换
M=M/fs;
f=[0:
dfy:
dfy*length(mn)-dfy]-fs/2;
%定义频率序列
figure
(1)
subplot(2,1,1);
plot(t,m);
xlabel('
时间'
);
ylabel('
幅值'
title('
原始信号(fh=200/2piHz)的波形'
axis([-0.15,0.15,0,1.5]);
subplot(2,1,2);
plot(f,abs(fftshift(M)));
频率'
%信号持续的时间
ts1=0.005;
%满足抽样条件的抽样间隔
fs1=1/ts1;
t1=[-t0/2:
ts1:
%定义满足抽样条件的时间序列
x1=sin(200*t1);
m1=x1./(200*t1+eps);
w1=t0/(2*ts1)+1;
m1(w1)=1;
%修正t=0时的信号值
m1=m1.*m1;
%定义信号
[M1,mn1,df1]=fft_seq(m1,ts1,df);
%对满抽样条件的信号进行傅立叶变换
M1=M1/fs1;
N1=[M1,M1,M1,M1,M1,M1,M1,M1,M1,M1,M1,M1,M1];
f1=[-7*df1*length(mn1):
df1:
6*df1*length(mn1)-df1]-fs1/2;
figure
(2)
stem(t1,m1);
抽样正常(fs=200Hz)时的信号波形'
axis([-0.15,0.15,0,1]);
subplot(2,1,2)
plot(f1,abs(fftshift(N1)));
ts2=0.01;
%不满足抽样条件的抽样间隔
fs2=1/ts2;
t2=[-t0/2:
ts2:
%定义不满足抽样条件的时间序列
x2=sin(200*t2);
m2=x2./(200*t2+eps);
w2=t0/(2*ts2)+1;
m2(w2)=1;
%修正t=0时的信号值
m2=m2.*m2;
[M2,mn2,df2]=fft_seq(m2,ts2,df);
%对不满足抽样条件的信号进行傅立叶变换
M2=M2/fs2;
N2=[M2,M2,M2,M2,M2,M2,M2,M2,M2,M2,M2,M2,M2];
f2=[-7*df2*length(mn2):
df2:
6*df2*length(mn2)-df2]-fs2/2;
figure(3)
stem(t2,m2);
抽样失真(fs=100Hz)时的信号波形'
subplot(2,1,2)
plot(f2,abs(fftshift(N2)));
function[M,m,df]=fft_seq(m,ts,df)
fs=1/ts;
ifnargin==2n1=0
elsen1=fs/df
end
n2=length(m);
n=2^(max(nextpow2(n1),nextpow2(n2)));
M=fft(m,n);
m=[m,zeros(1,n-n2)];
df=fs/n
PCM抽样仿真结果:
原始信号的波形和频谱
PCM正常抽样时信号的波形及频谱
PCM抽样失真时信号的波形及频谱
3.3.2PCM均匀量化的仿真
PCM均匀量化的MATLAB程序设计按如下步骤进行:
(1)确定输入模拟信号为sin(t);
(2)根据均匀量化的原理均匀量化的算法程序;
(3)绘制并比较模拟输入信号与量化输出的波形。
PCM均匀量化源程序如下:
functionaverage()
t=[0:
0.01:
4*pi];
y=sin(t);
w=jylh(y,1,64);
plot(t,y);
幅度'
axis([0,4*pi,-1.1,1.1]);
原始信号'
plot(t,w);
均匀量化后的信号'
functionh=jylh(f,V,L)
n=length(f);
t=2*V/L;
p=zeros(1,L+1);
fori=1:
L+1,p(i)=-V+(i-1)*t;
n
iff(i)>
V,h(i)=V;
iff(i)<
=-V,h(i)=-V;
flag=0;
forj=2:
L/2+1
if(flag==0)
if(f(i)<
p(j))
h(i)=p(j-1);
flag=1;
end;
forj=L/2+2:
L+1
h(i)=p(j);
end
end
nq=V^2/(3*L^2);
仿真结果:
3.3.3PCMA律非均匀量化的MATLAB实现
PCMA律非均匀量化的MATLAB程序设计按如下步骤进行:
(1)确定输入模拟信号;
(2)根据非均匀量化的原理确定A律非均匀量化的算法程序;
源程序如下:
functiona_quantize()
y=sin(8000*pi*t);
figure
subplot(2,1,1)
plot(t,y)
axis([00.0005-1.21.2])
)ylabel('
)
z=a_pcm(y,87.6);
subplot(2,1,2)plot(t,z)
)
A律量化后的信号'
functiony=a_pcm(x,a)
t=1/a;
length(x)
ifx(i)>
=0
if(x(i)<
=t)
y(i)=(a*x(i))/(1+log(a));
else
y(i)=(1+log(a*x(i)))/(1+log(a));
if(x(i)>
=-t)
y(i)=-(a*-x(i))/(1+log(a));
y(i)=-(1+log(a*-x(i)))/(1+log(a));
3.3.4PCMA律13折线编码的MATLAB实现
(2)根据给均匀量化的原理确定非均匀量化的算法程序;
(3)将上述编码的十进制数转化成8位二进制数。
functiona_13code()
t=0:
0.000025:
0.00025;
y=sin(8000*pi*t)
z=line13(y)
c=pcmcode(z)
functiony=line13(x)
x=x/max(x);
z=sign(x);
x=abs(x);
if((x(i)>
=0)&
(x(i)<
1/64))
y(i)=16*x(i);
=1/64)&
1/32))
y(i)=8*x(i)+1/8;
=1/32)&
1/16))
y(i)=4*x(i)+2/8;
=1/16)&
1/8))
y(i)=2*x(i)+3/8;
=1/8)&
1/4))
y(i)=x(i)+4/8;
=1/4)&
1/2))
y(i)=1/2*x(i)+5/8;
=1/2)&
=1))
y(i)=1/4*x(i)+6/8;
y=z.*y;
functionf=pcmcode(y)
f=zeros(length(y),8);
z=sign(y);
y=y.*128;
y=fix(y);
y=abs(y);
length(y)
if(y(i)==128)
y(i)=127.999;
forj=6:
-1:
f(i,8-j)=fix(y(i)/2^j);
y(i)=mod(y(i),(2^j));
length(y);
if(z(i)==1)
f(i,1)=0;
f(i,1)=1;
程序运行结果:
y=
00.58780.95110.95110.58780.0000-0.5878-0.9511-0.9511-0.5878-0.0000
z=
00.90451.00001.00000.90450.0000-0.9045-1.0000-1.0000-0.9045-0.0000
c=
10000000
01110011
01111111
00000000
11110011
11111111
4.信道编码和译码
在数字电视和通信系统中,为提高信息传输可靠性,广泛使用了具有一定纠错能力的信道编码技术,如奇偶校验码、行列监督码、恒比码、汉明码、循环码(CRC)等编码技术。
信道编码的本质是增加通信的可靠性,或者说增加整个系统的抗干扰性。
对信道编码有以下要求:
1.透明性:
要求对所传消息的内容不加任何限制;
2.有纠错能力;
3.效率高:
为了与信道频谱匹配和具有纠错能力,通常要向原信号添加一些码,要求加入最少的比特数而得到最大的利益;
4.包含适当的定时信息。
在这些要求中,除编码的必须信息外,所作的处理主要有两条:
一是要求码列的频谱特性适应通道的频谱特性从而使传输过程中能量损失最小,提高信噪比。
减少发生差错的可能性;
二是增加纠错能力,使得即便出现差错,也能得到纠正。
4.1差错控制的基本概念
4.1.1差错的特点
由于通信线路上总有噪声存在,噪声和有用信息中的结果,就会出现差错。
噪声可分为两类,一类是热噪声,另一类是冲激噪声,热噪声引起的差错是一种随机差错,亦即某个码元的出错具有独立性,与前后码元无关。
冲激噪声是由短暂原因造成的,例如点击的启动、停止,电器设备的放弧等。
冲击噪声引起的差错是成群的,其差错持续时间称为突发错的长度。
衡量信道传输性能的指标之一是误码率PO,PO=错误接收的码元数/接收的总码元数。
目前普通电话线路中,当传输速率在600~2400bit/s时,PO在之间,对于大多数通信系统,PO在之间,而计算机之间的数据传输则要求误码率低于。
4.1.2差错控制的基本方式
差错控制方式基本上分为两类,一类称为“反馈纠错”,另一类称为“前向纠错”。
在这两类
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- 完美 升级 数字 语音 通信 系统 设计 实现 毕业论文