語音信號(hào)模擬傳輸系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

巢湖學(xué)院機(jī)械與電子工程學(xué)院 李素平

通信原理課程是電子信息類、通信類專業(yè)的必修課程，也是后續(xù)學(xué)習(xí)專業(yè)方向知識(shí)的基礎(chǔ)課程。該課程主要講解信息傳輸過程中的基本原理和基本方法，考慮到傳輸?shù)男盘?hào)有數(shù)字信號(hào)和模擬信號(hào)，通信過程也就有數(shù)字通信系統(tǒng)和模擬通信系統(tǒng)。數(shù)字通信系統(tǒng)固然有其突出的優(yōu)勢，但考慮到系統(tǒng)的復(fù)雜性和成本問題，短距離通信更多的采用模擬通信系統(tǒng)[1]。通信原理教學(xué)過程中往往會(huì)采用一些教學(xué)案例輔助教學(xué)，但是學(xué)生普遍感覺課程教學(xué)案例過于抽象化與實(shí)際聯(lián)系較少，不利于課程內(nèi)容的理解和應(yīng)用[2]。語音信號(hào)易于獲取，每位同學(xué)都可以將自身語音信號(hào)作為被傳輸對(duì)象進(jìn)行分析，這可以在很大程度上激發(fā)同學(xué)們的學(xué)習(xí)主動(dòng)性和積極性。

考慮到上述問題，論文提出了語音信號(hào)模擬調(diào)制系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，以錄制的語音作為信號(hào)源，對(duì)其進(jìn)行幅度調(diào)制和解調(diào)，并觀察接收前后音頻信號(hào)傳輸效果。該設(shè)計(jì)不但可以作為教學(xué)案例使模擬調(diào)制知識(shí)的講解更為形象也可以開發(fā)為通信原理的擴(kuò)展性實(shí)驗(yàn)。

1.實(shí)驗(yàn)原理

通信系統(tǒng)中常需要對(duì)基帶信號(hào)進(jìn)行變換把信號(hào)轉(zhuǎn)換為適合在信道中傳輸?shù)男问?，并在接收端進(jìn)行反變換，完成這種變換和反變換的通常是調(diào)制器和解調(diào)器[3]。含有調(diào)制解調(diào)的系統(tǒng)又稱為帶通傳輸系統(tǒng)，發(fā)送端對(duì)信號(hào)進(jìn)行調(diào)制接收端需要對(duì)信號(hào)進(jìn)行解調(diào)，解調(diào)有相干解調(diào)和非相干解調(diào)兩類解調(diào)方法。語音信號(hào)模擬傳輸系統(tǒng)采用了幅度調(diào)制方式，該類調(diào)制方式結(jié)構(gòu)簡單易實(shí)現(xiàn)，接收端采用了相干解調(diào)。

2.實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)步驟

語音傳輸實(shí)驗(yàn)以錄制的語音為信號(hào)源，通過調(diào)用Matlab中的modulate、demod、fdatool等函數(shù)實(shí)現(xiàn)信號(hào)的調(diào)制解調(diào)及帶通濾波器（IIR）的設(shè)計(jì)，并在接收端對(duì)比傳輸前后語音信號(hào)。具體實(shí)驗(yàn)步驟如下：

（1）錄制一段語音并制作成語音文件“hao.wav”（錄音內(nèi)容為中文普通話：“好好學(xué)習(xí)，天天向上”）；

（2）設(shè)計(jì)頻域帶通濾波器用于模擬帶通信道特性；

（3）語音信號(hào)幅度調(diào)制，并利用帶通信道傳輸已調(diào)信號(hào)；

（4）接收端信號(hào)解調(diào)并回放語音信號(hào)，對(duì)比收發(fā)兩端音頻信號(hào)。

3.實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

下面以已錄制的一段語音為例，說明語音信號(hào)模擬傳輸系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的實(shí)現(xiàn)過程。

3.1 語音信號(hào)錄制

實(shí)驗(yàn)錄制的語音文件命名為：“hao.wav”，內(nèi)容為普通話“好好學(xué)習(xí)，天天向上”。實(shí)驗(yàn)時(shí)可以錄制任意內(nèi)容的音頻信號(hào)，作為實(shí)驗(yàn)的擴(kuò)展。

利用MATLAB中的“wavread”讀入語音信號(hào)，將它賦值給某一向量。實(shí)驗(yàn)中，采樣值放在向量y中，fs為采樣頻率（Hz）。

圖1 語音信號(hào)時(shí)域/頻域波形

信號(hào)時(shí)域波形顯示為8個(gè)包絡(luò)，各個(gè)包絡(luò)間有延時(shí)，這和聲音內(nèi)為“好好學(xué)習(xí)，天天向上”共有8個(gè)字符，各個(gè)字符間有停頓的事實(shí)相符。信號(hào)頻譜中能量從高到低用顏色表示依次為紅色、黃色和綠色。顯然，頻譜圖中信號(hào)能量分布和時(shí)域波形是對(duì)應(yīng)的，共有8個(gè)能量包絡(luò)，且信號(hào)主要集中在低頻部分。

3.2 語音信號(hào)幅度調(diào)制

Matlab中的“modulate”函數(shù)可用于語音信號(hào)的幅度調(diào)制。

圖2 已調(diào)語音信號(hào)頻域波形

實(shí)驗(yàn)中調(diào)制信號(hào)為錄制的語音信號(hào)，抽樣頻率fs為44100Hz，fc為17640Hz，采用了AM（Amplitude Modulation）幅度調(diào)制方式。由圖2可知，已調(diào)信號(hào)頻率向高頻搬移，以載波頻率17640Hz為中心，這和模擬調(diào)制系統(tǒng)的理論是一致的。學(xué)生對(duì)比調(diào)制前后頻譜圖可以形象的觀察到已調(diào)信號(hào)的頻率搬移效果。

3.3 帶通濾波器設(shè)計(jì)

調(diào)用Matlab的“fdatool”工具箱，利用fdatool設(shè)計(jì)一個(gè)IIR帶通濾波器，用于模擬帶通信道。基本步驟如下[4-5]：

(1)在Matlab命令窗口下輸入“fdatool”命令，“回車”調(diào)出濾波器設(shè)計(jì)界面；

(2)在Responc Type中選擇濾波器類型為帶通濾波器Bandpass；

(3)在Design Method中選擇IIR,下拉選擇butterworth；

(4)在Filter Order中選擇Specify Order為10；

(5)在Frequency Specification中設(shè)定Fs為語音信號(hào)采樣頻率44100Hz或者直接填“fs”，通帶下限中心頻率Fc1為400Hz，通帶上限中心頻率Fc2為3400Hz，這是考慮到語音信號(hào)的頻率范圍為300Hz到3400Hz；

(6)單擊”Design Filter”即可完成濾波器設(shè)計(jì)；

(7)最后，使用菜單【File/Export】可導(dǎo)出或保存濾波器系數(shù)a，b。

3.4 語音信號(hào)解調(diào)

圖3 解調(diào)后語音信號(hào)時(shí)域/頻域波形

Matlab中的“demod”函數(shù)可用于語音信號(hào)的幅度解調(diào)。實(shí)驗(yàn)中采用的解調(diào)方式為相干解調(diào)。解調(diào)后信號(hào)頻率搬移回低頻，但是信號(hào)高頻部分能量有損失。這是由于傳輸信道采用了帶通濾波器，而設(shè)計(jì)的帶通信道衰減了經(jīng)過信道傳輸?shù)囊颜{(diào)信號(hào)的高頻成分。語音信主要集中在低頻部分300Hz-3400Hz，高頻成分對(duì)語音信號(hào)的感知影響很低。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：雖然接收端解調(diào)后聲音信號(hào)在高頻部分有損失，但不影響音頻信號(hào)的傳輸質(zhì)量。所設(shè)計(jì)語音信號(hào)傳輸系統(tǒng)很好地完成了聲音信號(hào)的傳輸。

4.實(shí)驗(yàn)結(jié)果

在語音信號(hào)傳輸系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)中設(shè)計(jì)了幅度調(diào)制和解調(diào)，實(shí)現(xiàn)了語音信號(hào)的模擬帶通傳輸。對(duì)比圖5所示的收發(fā)兩端語音信號(hào)波形，可以看到設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)較好地實(shí)現(xiàn)了語音信號(hào)傳輸，同時(shí)利用Matlab中的音頻播放函數(shù)“soundsc”播放語音文件，可以更為直觀地感受系統(tǒng)語音傳輸質(zhì)量。

圖4 傳輸前后信號(hào)波形圖

5.結(jié)語

通信原理課程理論性強(qiáng)，需要學(xué)生理解大量的數(shù)學(xué)推算較為抽象不易理解，因此案例式授課是非常有必要的。論文基于Matlab仿真設(shè)計(jì)了語音信號(hào)模擬帶通傳輸系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)了語音信號(hào)的帶通傳輸并可以實(shí)時(shí)播放傳輸前后聲音信號(hào)，感受語音傳輸質(zhì)量。實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)理論結(jié)合實(shí)際，每位同學(xué)都可以將自身語音信號(hào)作為被傳輸對(duì)象進(jìn)行分析，這在很大程度上激發(fā)了同學(xué)們的學(xué)習(xí)興趣和學(xué)習(xí)積極性。該實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)不但可以作為教學(xué)案例使調(diào)制解調(diào)知識(shí)的講解更為形象也可以開發(fā)為通信原理的擴(kuò)展性實(shí)驗(yàn)。

[1]張愛軍.模擬通信與數(shù)字通信淺述[J].開封大學(xué)學(xué)報(bào),1999(02):58-62.

[2]王海華.Matlab/Simulink仿真在“通信原理”教學(xué)中的應(yīng)用研究[J].湖北理工學(xué)院學(xué)報(bào),2015,31(03):67-70.

[3]樊昌信,曹麗娜.通信原理[M].7版.北京:國防工業(yè)出版社,2012.

[4]施琴紅,趙明鏡.基于MATLAB/FDATOOL工具箱的IIR數(shù)字濾波器的設(shè)計(jì)及仿真[J].科技廣場,2010(07):56-58.

[5]王坤非,王泰華,姚學(xué)召,等.基于MATLAB/Simulink FIR數(shù)字濾波器設(shè)計(jì)的不同實(shí)現(xiàn)方法研究[J].電子測量技術(shù),2017,40(01):17-20.