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1、数字语音通信系统设计 姓 名： 郭 耀 华 学 号：120104030030 班 级：通信工程1班 课程名称：通 信 原 理 指导教师：许 成 谦2015年4月第 14 页数字语音通信系统设计郭耀华（燕山大学 信息科学与工程学院）摘要：本文是关于一个数字语音通信系统的设计与实现，首先介绍数宇通信系统的基本原理，然后分别从信源编码、信道编码与数宇调制与解调三个方面介绍本系统的设计与实现。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，非均匀量一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，循环码的编码与解码设备都不太
2、复杂，而且纠错的能力较强。在数宇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 数字通信系统的基本原理1.1 数字通信系统的模型1.2 信息源它的作用是把各种消息转换为原始电信号，信源分为模拟信源与数字源。本文的偷入信号采用模拟信源，通过A/U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、量化与编码。模拟号首先被抽样。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，
3、但是其值仍然是连续的，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。故量化信号已是数宇信号了，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fh介且带宽受到限制时，则以间隔时间为T1/2 fH的周期性冲击脉冲对它抽样时，信号不发生混叠，即奈全斯特的定理。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:mg(kT=qi;当mi-1m(KT)m在非均匀量化时，量化间隔是随信随号抽样值的不同而变化的。信号抽样值小时，量化间隔也小;信号抽样值大时，量化间隔也大。非均
4、匀量化的实现方法通常是在进行量化之前，先将信一号抽样值压缩，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：y=f(x)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。1.3 信源编码与译码它的基本功能一是提高信息传愉的有效性，即通过某种数据压缩技术设法减少码元数目与降低码元速率。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。1.4 信道编码与译码信道编码的目的是增强
5、数字信号的抗干扰能力。数字信号在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(监督码)，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。1.5 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与，它的频带宽度是两倍的基带信号宽度(B)与|f2-f1|之与
6、，2FSK键控法理论框图如图所示。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2 脉冲编码调制2.1 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与简单，下图为PCM系统的原理框图：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)，经信逆传输到达接收端，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rn (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
7、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律与律方式，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。2.2 PCM编码原理2.2.1 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
8、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。2.2.2 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。一个模拟信一号经过抽样量化后，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yk，k=1，2 ，3，L。yk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xk与xk+1之间时，量化器输出电平为yk。这个量化过程可以表达为:y=Q(x)=Qxkxxk+1
9、=yk, k =1,2,3,这里xk称为分层电平或判决阀值。通常k=xk+1-xk称为量化间隔。模拟信号的量化分为均匀量化与非均匀量化。(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v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
10、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，非任均匀量化时，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与A压缩律。美国采用压缩律，我国与欧洲各国均采用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折现法编码，压扩特性如下图所示A律13折线压扩特性图这样，
11、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。2.2.3 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，这里的编码与译码与差错控制编码与译码是完全不同的，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:低速编码与高速编码。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、棍合型。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。量化级段内码1511111411101
12、3110112110011101110101091001810007011160110501014010030011200101000100000段落序号段落码81117110610151004011301020011000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。其余四位表示段内码，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
13、处理的结果，8个段落被划分成128个量化级。段落码与8个段落之间的关系如表1所示;段内码与16个量化级之间的关系见表2。3 信道编码与译码在数字电视与通信系统中，为提高信息传输可靠性，广泛使用了其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，或者一说增加整个系统的抗干扰性。对信逆编码有以下要求: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与具有纠错能力，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
14、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信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。3.1 差错控制的基本概念3.1.1 差错控制的特点由于通信线路上总有噪声存在，噪声与有用信息中的结果，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。3.1.2 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”。在这两类基础上又派生出一种称为“
15、混合纠错”。(1)反馈纠错这种方式在是发信端采用某种能发现一定程度传输差错的简单编码方法对所传信息进行编码，加入少量监督码元，在接收端则根据编码规则收到的编码信号进行检查，一量检测出(发现)有错码时，即向发信端发出询问的信号，要求重发。发信端收到询问信一号时，立即重发已发生传输差错的那部分发信息，直到正确收到为止。所谓发现差错是指在若干接收码元中知道有一个或一些是错的，但不一定知道错误的准确位置。(2)前向纠错这种方式是发信端采用某种在解码时能纠正一定程度传输差错的较复杂的编码方法，使接收端在收到信码中不仅能发现错码，还能够纠正错码。采用前向纠错方式时，不需要反馈信道，也无需反复重发而延误传输
16、时间，对实时传输有利，但是纠错设一备比较复杂。(3)混合纠错混合纠错的方式是:少量纠错在接收端自动纠正，差错较严重，超出自行纠正能力时，就向发信端发出询问信一号，要求重发。因此，“混合纠错”是“前向纠错”及“反馈纠错”两种方式的混合。对于不同类型的信道，应采用不同的差错控制技术，否则就将事倍功半。反馈纠错可用于双向数据通信，前向纠错则用于单向数字信号的传输，例如广播数字电视系统，因为这种系统没有反馈通道。4 数字调制与解调为了使数字信号在带通信道中传输，必须用数字信号对载波进行调制。如同传输模拟信号时一样，传输数字信号时也有三种基本的调制方式：幅度键控、频移键控、相移键控。它们分别对应于用正弦
17、波的幅度、频率与相位传递数宇基带信号，可以看成是模拟线性调制角调制的特殊情况。4.1 2FSK调制原理4.1.1 2FSK信号的产生2FSK是利用数字基带信号控制载波的频率来传送信息。例如，“1”码用频率fl来传愉，“0”码用频率f2来传输，而其振幅与初始相位不变。故其表示式为式中，假设码元的初始相位分别为1与2；w1=2f1与w2=2f2为两个不同的码元的角频率;幅度为A为一常数，表示码元的包络为矩形脉冲。2FSK信号的产生方法有两种:(1)模拟法，即用数字基带信号作为调制信号进行调频。如下图(a)所示。(2)键控法，用数字基带信号g (t)及其反相g (t)分别控制两个开关门电路，以此对两
18、个载波发生器进行选通。如图(b)所示。这两种方法产生的2FSK信号的波形基本相同，只有一点差异，即由调频器产生的2FSK信号在相邻码元之间的相位是连续的，而键控法产生的2FSK信号，则分别有两个独立的频率源产生两个不同频率的信号，故相邻码元的相位不一定是连续的。由键控法产生原理可知，以为相位离散的2FSK信号可以看成不同频率交替发送的两个2ASK信号之与，即其中g(t)是脉宽为Ts的矩形脉冲表示的NRZ数字基带信号。其中an为an的反码，即若ak=1，则ak=0；反之亦然。2FSK信号的产生由于相位离散的2FSK信号可以看成是两个2ASK信号之与，所以，这里可以直接用2ASK信号的频谱分析结果，比较方便，即：2FSK信号带宽为式中，Rs=fs是基带的带宽。参考文献：1 樊昌信等.通信原理（第6版）M.， 北京：国防工业出版社，20012 曹志刚，钱亚生. 现代通信原理M.，北京：清华大学出版社，2001