擴頻通信系統(tǒng)傳輸語音信號的仿真設(shè)計

江騰蛟， 廖佐標(biāo)

（①嘉應(yīng)學(xué)院 物理與光信息科技學(xué)院，廣東 梅州 514015;②中國移動通信集團廣東有限公司梅州分公司, 廣東 梅州 514021）

0 引言

擴頻通信，即擴展頻譜通信技術(shù)(Spread Spectrum Communication)，是應(yīng)用頻譜展寬技術(shù)，實現(xiàn)加密、選址通信的一門新學(xué)科。擴頻通信由于具有抗干擾性強、載獲率低、碼分多址、信號隱蔽、保密和易于組網(wǎng)等許多獨特的優(yōu)點，便成為一種非常重要的通信方式，其應(yīng)用也越來越普及[1]。文中就是將語音模擬信號數(shù)字化再經(jīng)擴頻系統(tǒng)傳輸，采用SystemView軟件進行仿真設(shè)計，并分析了擴頻通信系統(tǒng)的噪聲對語音傳輸?shù)挠绊憽?/p>

1 系統(tǒng)仿真模型與各模塊參數(shù)

直擴系統(tǒng)（DS-SS，Direct seqcuence spread spectrdm）屬于擴頻通信中的一種，由于原理簡單，應(yīng)用廣泛，大家對它的研究比較多[2-5]，故文中采用直擴系統(tǒng)來進行仿真研究，系統(tǒng)發(fā)送機和接收機模型方框如圖1所示，并采用SystemView軟件仿真設(shè)計語音模擬信號數(shù)字化后再擴頻通信的系統(tǒng)，模型如圖2所示，參數(shù)如表1所示，系統(tǒng)定時窗口設(shè)置為樣本數(shù)等于28 8001、采樣頻率等于8e+3 Hz。SystemView是美國Elanix公司設(shè)計和開發(fā)的信號及系統(tǒng)仿真軟件,主要用于電路與通信系統(tǒng)的設(shè)計、仿真,能滿足從數(shù)字信號處理、濾波器設(shè)計、直到復(fù)雜的通信系統(tǒng)等不同層次的設(shè)計、仿真要求[6]。為了分析該擴頻系統(tǒng)的性能，另外還設(shè)計了一個沒有使用擴頻傳輸技術(shù)的語音模擬信號數(shù)字化通信系統(tǒng)，在圖2基礎(chǔ)上去掉部分部件，其他的圖符及參數(shù)不變，如圖3所示。

圖1 直接擴頻系統(tǒng)發(fā)送機和接收機模型方框

語音信號數(shù)字化再經(jīng)擴頻傳輸系統(tǒng)的System View仿真，首先，用Windows XP附帶的錄音軟件錄一段話，或者網(wǎng)上下載一段WAV格式的音頻文件，格式為“PCM 8 kHz 8 bit 單聲道 7 kbit/s”作為音頻輸入文件，經(jīng)過與階躍信號相乘后縮小電平幅度，再經(jīng)過低通濾波，濾除2 kHz以上的高頻信號，隨后經(jīng)過增量調(diào)制，將語音模擬信號波形轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號波形，作為擴頻系統(tǒng)的源數(shù)字信號，從而進入擴頻調(diào)制和射頻調(diào)制，然后發(fā)射出去，在信道上傳輸?shù)臅r候加入適當(dāng)?shù)脑肼?。接收端?jīng)過解擴、解調(diào)后，恢復(fù)出原來的數(shù)字信號，最后用脈沖調(diào)幅器和積分器進行數(shù)模轉(zhuǎn)換，恢復(fù)出音頻模擬信號，采用增量調(diào)制與解調(diào)方式將語音模擬信號數(shù)/模轉(zhuǎn)換[7-8]，其原理如圖4所示。

圖2 語音信號數(shù)字化擴頻傳輸系統(tǒng)SystemView仿真

表1 系統(tǒng)各主要模塊參數(shù)

圖4 增量ΔM調(diào)制與解調(diào)原理

2 仿真結(jié)果與分析

在沒有加入噪聲情況，運行圖2的仿真系統(tǒng)，得到波形圖如圖5所示，通過上面的測試，輸出音頻信號盡管存在著一定的噪聲干擾，但仍然可以比較清晰地還原。存在著一定的噪聲干擾的原因并非擴頻傳輸過程產(chǎn)生的噪聲，可能是模數(shù)轉(zhuǎn)換（增量調(diào)制）時的一系列誤差導(dǎo)致的。

圖5 輸入與輸出波形比較

通過分別加入5 mV、15 mV、45 mV電平幅度高斯白噪聲，可以看到噪聲電平越高對系統(tǒng)影響越大，像輸入45 mV電平幅度的高斯白噪聲，后來系統(tǒng)輸出的波形幾乎找不到原來的語音信號，都被噪聲淹沒了，如圖6所示。

圖7為語音信號未經(jīng)擴頻傳輸系統(tǒng)SystemView仿真，分別加入5 mV、15 mV、45 mV電平幅度高斯白噪聲，運行圖3的系統(tǒng)得出的輸出波形。比較圖7波形圖與圖6波形圖可得，由于語音信號是沒有經(jīng)過擴頻系統(tǒng)傳輸，圖7的波形圖相對于原始信號失真較大，受干擾較嚴(yán)重，信號不易恢復(fù)。而使用擴頻傳輸系統(tǒng)的語音信號，得到的輸出波形如圖6所示，與圖7比較，失真沒那么大，受干擾沒那么嚴(yán)重，信號相對容易恢復(fù)。因此可得出，信號未經(jīng)擴頻處理的傳輸系統(tǒng)抗干擾能力較弱，而使用了擴頻通信技術(shù)的傳輸系統(tǒng)抗干擾能力強，這正是擴頻通信技術(shù)最大的優(yōu)點之一。

圖6 分別加入不同幅度噪聲輸出波形

圖7 未經(jīng)擴頻系統(tǒng)分別不同幅度噪聲輸出波形

3 結(jié)語

文中是利用SystemView軟件仿真語音模擬信號經(jīng)擴頻通信系統(tǒng)傳輸?shù)难芯浚治隽擞性肼暫蜎]有噪聲的情況。經(jīng)分析，該系統(tǒng)分別加入5 mV、15 mV、45 mV電平幅度高斯白噪聲，可以看到噪聲電平越高對系統(tǒng)影響越大，像輸入45 mV電平幅度的高斯白噪聲，后來系統(tǒng)輸出的波形幾乎找不到原來的語音信號，都被噪聲淹沒了；在相同噪聲條件下，語音信號有經(jīng)過擴頻通信系統(tǒng)，到的輸出波形失真比沒有經(jīng)過擴頻通信系統(tǒng)小很多。仿真設(shè)計的系統(tǒng)，具備了直接擴頻系統(tǒng)的信號處理能力，對于語音經(jīng)過擴頻系統(tǒng)傳輸?shù)耐ㄐ偶夹g(shù)研究具有一定意義。

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