Simulink仿真在通信原理課程實(shí)例教學(xué)中的應(yīng)用

李 素 平

(巢湖學(xué)院 機(jī)械與電子工程學(xué)院， 安徽 巢湖 238000)

0 引 言

通信即互通信息，通信技術(shù)和通信產(chǎn)業(yè)是20世紀(jì)80年代以來(lái)發(fā)展最快的領(lǐng)域之一。通信技術(shù)日新月異地發(fā)展，使更多的人們期望掌握通信的基本原理，通信原理課程備受重視，幾乎成為所有電子專業(yè)的必修課程[1-2]。本科教學(xué)中通信原理課程著重講解通信過(guò)程中的基本原理和基本方法，該課程理論性強(qiáng)，實(shí)踐要求高[3]。

通信原理教學(xué)過(guò)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(jué)課程教學(xué)案例過(guò)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。在通信原理課程教學(xué)改革中，很多教師引入了軟硬件平臺(tái)結(jié)合多媒體的教學(xué)方法，雖然教學(xué)效果有了一定的提高，但缺乏對(duì)教學(xué)內(nèi)容的改革，尤其是教學(xué)實(shí)例的改革與探索[4-6]?？紤]到上述問(wèn)題，提出了基于語(yǔ)音實(shí)例的通信原理課程建設(shè)，進(jìn)行通信原理課程教學(xué)實(shí)例的改革和探索?？紤]到Simulink 軟件在通信系統(tǒng)仿真中被廣泛應(yīng)用，其可以動(dòng)態(tài)呈現(xiàn)各類信號(hào)并可以隨時(shí)播放音頻文件的特性[7-10]，故采用Simulink仿真語(yǔ)音信號(hào)數(shù)字化傳輸過(guò)程作為通信原理課程教學(xué)實(shí)例的改革案例并給予說(shuō)明。

1 Simulink仿真語(yǔ)音實(shí)例在通信原理課程教學(xué)中的應(yīng)用

通信原理課程采用語(yǔ)音作為應(yīng)用實(shí)例，是因?yàn)槭紫痊F(xiàn)代通信系統(tǒng)中的信源雖然有不同的形式如聲音、圖像、文字等，但人類社會(huì)中的語(yǔ)音顯然是最常見(jiàn)的傳輸最多的聲音信號(hào)；其次語(yǔ)音信號(hào)易于獲取，每位同學(xué)都可以將自身語(yǔ)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[11-13]。音頻通信尤其是語(yǔ)音通信是人類社會(huì)必然涉及到的一類通信系統(tǒng)，語(yǔ)音是人類互通信息的主要方式之一。

通信原理課程主要討論了通信過(guò)程中涉及到的基本原理和基本方法，根據(jù)信道中傳輸信號(hào)不同分為模擬通信系統(tǒng)和數(shù)字通信系統(tǒng)，考慮到數(shù)字信號(hào)的抗干擾性能，數(shù)字通信系統(tǒng)應(yīng)用更為普及。數(shù)字通信系統(tǒng)中，信源為數(shù)字信號(hào)，而日常生活中大部分信源如語(yǔ)音信號(hào)為連續(xù)變化的模擬信號(hào)。那么要實(shí)現(xiàn)模擬信號(hào)在數(shù)字系統(tǒng)中的傳輸，必須在發(fā)送端將模擬信號(hào)數(shù)字化經(jīng)信道傳輸后再在接收端進(jìn)行逆變換。對(duì)于能實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離傳輸?shù)臄?shù)字通信又必然會(huì)涉及信道編碼等技術(shù)。本文以語(yǔ)音信號(hào)的數(shù)字化傳輸為例，案例涉及模擬信號(hào)的數(shù)字化轉(zhuǎn)換及數(shù)字信號(hào)信道編碼等技術(shù)，以尋求理論與實(shí)際應(yīng)用相結(jié)合，探索通信原理課程實(shí)例教學(xué)的改革方法。

2 脈沖編碼調(diào)制原理

脈沖編碼調(diào)制( Pulse Code Modulation，PCM)是把一個(gè)取值連續(xù)的模擬信號(hào)變換成時(shí)間離散、取值離散的數(shù)字信號(hào)在信道中傳輸?shù)倪^(guò)程，經(jīng)由抽樣、量化和編碼3個(gè)過(guò)程完成，信號(hào)接收端再通過(guò)譯碼器和低通濾波器還原出原始信號(hào)[1]。所謂抽樣，就是對(duì)模擬信號(hào)進(jìn)行周期性掃描，把時(shí)間上連續(xù)的信號(hào)變成時(shí)間上離散的信號(hào)。抽樣后模擬信號(hào)要經(jīng)過(guò)量化編碼才能成為數(shù)字信號(hào)。通常采用的非均勻量化是將抽樣值壓縮后再進(jìn)行均勻量化，廣泛采用的兩種對(duì)數(shù)壓縮律是μ壓縮律和A壓縮律。美國(guó)采用μ壓縮律，我國(guó)和歐洲各國(guó)采用A壓縮律，因此，PCM編碼采用的也是A壓縮律。編碼是把量化后的信號(hào)變換成二進(jìn)制數(shù)字信號(hào)的過(guò)程，其相反的過(guò)程稱為譯碼。

語(yǔ)音信號(hào)數(shù)字化傳輸中所涉及的模數(shù)轉(zhuǎn)換其核心是PCM編碼技術(shù)，PCM編碼也是通信原理課程教學(xué)的重點(diǎn)和難點(diǎn)之一[14-16]?；谏鲜隹紤]，設(shè)計(jì)了語(yǔ)音信號(hào)的PCM編譯碼數(shù)字化傳輸實(shí)例。實(shí)例設(shè)計(jì)中使用Simulink進(jìn)行仿真，立體呈現(xiàn)語(yǔ)音信號(hào)通信過(guò)程，對(duì)比收發(fā)兩端語(yǔ)音信號(hào)的變化并分析。

3 基于Simulink仿真的語(yǔ)音數(shù)字傳輸實(shí)例

基于Simulink的語(yǔ)音數(shù)字傳輸實(shí)例采用錄制的語(yǔ)音信號(hào)作為信號(hào)源，語(yǔ)音數(shù)字傳輸過(guò)程如圖1所示，需要依次經(jīng)過(guò)PCM編碼、Hamming編碼、信道、Hamming譯碼、PCM譯碼和低通濾波。其中PCM編碼是信源編碼，Hamming編碼是信道編碼。

圖1 語(yǔ)音數(shù)字傳輸實(shí)例設(shè)計(jì)框圖

3.1 語(yǔ)音導(dǎo)入導(dǎo)出

課堂授課時(shí)現(xiàn)場(chǎng)錄制語(yǔ)音，讓學(xué)生觀察音頻信號(hào)時(shí)頻波形并回放聲音，原始語(yǔ)音信號(hào)時(shí)頻波形如圖2所示。錄制的是一段持續(xù)時(shí)間為5 s的英文，信號(hào)采樣頻率為22.05 kHz。可以利用函數(shù)from wave file 將錄制的語(yǔ)音文件導(dǎo)入到Simulink仿真系統(tǒng)中。在接收端，可以使用To Audio Device 功能模塊播放聲音信號(hào)，直觀地感受語(yǔ)音信號(hào)數(shù)字化傳輸效果。

圖2 原始語(yǔ)音信號(hào)時(shí)域/頻域波形

3.2 語(yǔ)音數(shù)字傳輸實(shí)例設(shè)計(jì)

課前完成語(yǔ)音數(shù)字傳輸系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，傳輸系統(tǒng)仿真模型如圖3所示，采用單頻正弦信號(hào)進(jìn)行仿真驗(yàn)證。課程授課時(shí)，直接將上述錄制的音頻文件導(dǎo)入到系統(tǒng)中進(jìn)行仿真。

圖4和圖5中，第1行是發(fā)送端語(yǔ)音信號(hào)波形，第2行是經(jīng)過(guò)數(shù)字化傳輸后接收端信號(hào)波形。接受端采用了巴特沃斯低通濾波器，一定程度上濾除了噪聲的影響。但當(dāng)信道中有噪聲時(shí)，接收端信號(hào)仍會(huì)受到噪聲影響。仿真系統(tǒng)使用了To Audio Device可以直接播放語(yǔ)音信號(hào)，更為形象地判斷音頻信號(hào)的傳輸質(zhì)量。

可以通過(guò)設(shè)置參數(shù)Error probability調(diào)節(jié)信道特性，圖6中參數(shù)Error probability設(shè)置為0，即為理想信道沒(méi)有加性噪聲。表1所示是誤碼率與參數(shù)Error probability關(guān)系表，實(shí)驗(yàn)表明系統(tǒng)誤碼率隨參數(shù)Error probability值的增大而增大。

圖3 語(yǔ)音信號(hào)數(shù)字傳輸系統(tǒng)仿真模型

圖4 理想信道時(shí)系統(tǒng)收發(fā)兩端信號(hào)波形

圖5 非理想信道時(shí)系統(tǒng)收發(fā)兩端信號(hào)波形

圖6 二進(jìn)制對(duì)稱信道參數(shù)調(diào)節(jié)框

圖7、8所示是系統(tǒng)的PCM編碼信號(hào)，PCM編碼輸出8位為1幀，結(jié)合系統(tǒng)時(shí)鐘即可讀出信號(hào)數(shù)據(jù)。顯而易見(jiàn)，PCM編碼是單極性非歸零基帶信號(hào)。結(jié)合圖4到圖8，顯然PCM編碼將模擬語(yǔ)音信號(hào)轉(zhuǎn)換為了數(shù)字信號(hào)，而通過(guò)接收端的譯碼，最后又得到了模擬音頻信號(hào)，成功實(shí)現(xiàn)了語(yǔ)音信號(hào)的數(shù)字化傳輸。

表1 誤碼率與參數(shù)Error probability關(guān)系表

圖7 部分PCM編碼放大效果圖

圖8 部分PCM編碼

下面簡(jiǎn)要分析PCM編碼器和PCM譯碼器的設(shè)計(jì)過(guò)程。

(1) PCM編碼器設(shè)計(jì)。PCM編碼器仿真模型如圖9所示。其中零階保持器對(duì)輸入語(yǔ)音信號(hào)進(jìn)行平頂抽樣。限幅器將抽樣后信號(hào)幅度值限制在[-1,1]范圍內(nèi)。A-Law Compressor為13折線A律壓縮器，由通信原理基本知識(shí)知其參數(shù)應(yīng)設(shè)置為87.6。比較器模塊的門限值設(shè)為0，其輸出為PCM編碼的最高位極性碼。取絕對(duì)值壓縮后的信號(hào)數(shù)值，用增益模塊將樣值放大到0～127的范圍內(nèi)，然后用間隔為1的量化器進(jìn)行四舍五入取整，最后編碼為7位二進(jìn)制序列，作為PCM編碼的低7位送入復(fù)用器。復(fù)用器將輸入的多路信號(hào)合成一路8位信號(hào)，最高位為8位二進(jìn)制數(shù)的極性碼。

圖9 PCM編碼器仿真模型

該部分內(nèi)容及相關(guān)參數(shù)的調(diào)節(jié)涉及到了PCM的抽樣、壓縮量化和編碼3個(gè)過(guò)程的知識(shí)點(diǎn)，通過(guò)相關(guān)功能模塊參數(shù)的調(diào)節(jié)，可以使學(xué)生更為深入的理解編碼原理。

(2) PCM譯碼器設(shè)計(jì)。PCM譯碼是編碼的逆過(guò)程，其仿真模型如圖10所示。涉及到的模塊功能與PCM編碼器中對(duì)應(yīng)模塊實(shí)現(xiàn)的功能是相逆的，故不再贅述。乘法器，作用是將輸入的信號(hào)相乘，模擬濾波器的設(shè)計(jì)采用了巴特沃斯低通濾波器。

圖10 PCM譯碼器仿真模型

通過(guò)課堂現(xiàn)場(chǎng)調(diào)節(jié)PCM編譯碼器參數(shù)，可以使學(xué)生更為直觀地掌握PCM原理和編譯碼方法，同時(shí)也進(jìn)一步學(xué)習(xí)了Simulink仿真軟件。

4 結(jié) 語(yǔ)

語(yǔ)音通信實(shí)例仿真設(shè)計(jì)有利于發(fā)揮學(xué)生學(xué)習(xí)通信原理課程的主動(dòng)性與創(chuàng)造性，學(xué)生可以更為直觀地了解PCM編碼和譯碼過(guò)程，觀察模擬信號(hào)數(shù)字化傳輸過(guò)程中的關(guān)鍵點(diǎn)波形，了解信號(hào)傳輸過(guò)程中的變化。將語(yǔ)音實(shí)例的通信過(guò)程引入到通信原理課程教學(xué)中，能帶動(dòng)通信原理課程教學(xué)內(nèi)容的改革，有效地彌補(bǔ)通信原理課程實(shí)例的不足，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性和能動(dòng)性。