基于Simulink的語音通信系統(tǒng)設(shè)計與分析

毛文杰 朱其剛 楊金梁 任丙忠 李瀅潞

摘要：該文主要分析利用PCM技術(shù)，在Simulink仿真環(huán)境下實現(xiàn)模擬語音通信系統(tǒng)的設(shè)計，對通信系統(tǒng)的各種模塊進行設(shè)計，利用圖片、公式、表格等方式更直觀的表現(xiàn)語音通信系統(tǒng)的工作情況。該文分析驗證了噪聲干擾對系統(tǒng)運行狀態(tài)的影響，給出了不同誤碼率情況下系統(tǒng)的工作性能，進一步分析了PCM技術(shù)在語音通信方面的應(yīng)用前景和發(fā)展趨勢。

關(guān)鍵詞：PCM技術(shù);Simulink仿真;語音通信;誤碼率

中圖分類號：TP391? ? ? 文獻標(biāo)識碼：A

文章編號：1009-3044（2020）35-0004-03

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1 背景

如今通信技術(shù)的發(fā)展勢頭迅猛，數(shù)據(jù)及仿真圖像或視頻這種實體類信息傳輸在整個通信行業(yè)占有的比重越來越大。然而人們對語音類信息傳遞所占的比重仍無法被替代，未來通信行業(yè)的語音類信息將會略有減少，但是依舊是整個通信系統(tǒng)的重中之重。其中應(yīng)用最早和最廣泛的語音編碼技術(shù)為脈沖編碼調(diào)制（PCM）技術(shù)[1-2]。

2 Simulink仿真

Matlab軟件中有很多極其方便的仿真工具，在系統(tǒng)建模和環(huán)境模擬方面發(fā)揮了巨大作用。它的運行核心是matlab，以這個為基礎(chǔ)，可以用來實現(xiàn)系統(tǒng)運行實時仿真等功能，并且可以創(chuàng)建模型[3]。Simulink為動態(tài)系統(tǒng)仿真、建模和綜合分析提供了一個集成環(huán)境。這個仿真軟件同時提供了一個強大的模型基礎(chǔ)，可以用于很多的數(shù)據(jù)分析。在此種情況下，可減少大量的寫入程序，直接用鼠標(biāo)操作來構(gòu)建復(fù)雜且可變的系統(tǒng)[4-5]。Simulink支持多速率系統(tǒng)，即在系統(tǒng)的不同部分的不同組合下的不同采樣率。Simulink可以通過拖動并單擊鼠標(biāo)來完成不同用戶之間界面的創(chuàng)建過程，并在不同用戶之間產(chǎn)生聯(lián)系。Simulink與MATLAB緊密相連，可直接訪問MATLAB中的各種工具，用于算法仿真，研發(fā)分析和各種可視化操作，批量腳本創(chuàng)建，建模環(huán)境的特殊定制，信號參數(shù)的定義和測試數(shù)據(jù)[7]。

3 脈沖編碼調(diào)制（PCM）過程

3.1 抽樣

抽樣的過程簡單來說就是以時間作為參考標(biāo)準(zhǔn)，信號就由連續(xù)變?yōu)殡x散。在采樣值足夠大的情況下，當(dāng)采樣的連續(xù)模擬信號為有限的，那么通過采樣的信號可以直接恢復(fù)到原始信號且原始模擬信號可以被采樣值完全取代，然后對語音信號進行抽樣，使其變成與原來不同且更適合在信道內(nèi)傳輸?shù)恼{(diào)制信號[6]。

在實際通信中通常采用8kHz為信號的抽樣頻率，在此仿真中抽樣的間隔為0.001s，脈沖帶寬為0.5，目的是更方便的觀察波形和結(jié)果。抽樣后的波形是模擬信號和脈沖信號相乘所得到的波形，其中，兩者相乘必須經(jīng)過一個乘法器。圖1為抽樣模塊的系統(tǒng)框圖。

3.2 量化

抽樣后的信號無法直接變成可以在信道內(nèi)傳輸?shù)男盘枺藭r就需要經(jīng)過量化。在量化過程中，這種信號從幅度上被劃分為若干個小幅度，將落入該小幅度的值轉(zhuǎn)換成一組離散的取值，這組取值是通過一組規(guī)定的電平值所表示的。在數(shù)理邏輯的方面，量化過程是依據(jù)某種或幾種特定的標(biāo)準(zhǔn)，將連續(xù)無界的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化成一組離散且有界的數(shù)。在信號處理過程中，量化的方式有兩種：均勻量化和非均勻量化。

3.3 量化

量化的數(shù)字信號需要編碼轉(zhuǎn)換成代碼，以便計算機能夠更好地識別和操作，因此編碼的目的是以二進制表示數(shù)字電平信號的形成。 二進制碼不僅可以承受高噪聲水平的干擾，而且可以很容易地實現(xiàn)并具有良好的再生性能。 因此在實際設(shè)備中二進制碼的編碼器，也稱為量化編碼器，它們通過編碼和量化在一個步驟中完成。所有的碼字統(tǒng)稱為碼型，包括自然二進制碼、折疊碼、反卷積碼、格雷碼等。

在此仿真中將量化和編碼放在同一模塊表述是因為在現(xiàn)代數(shù)字信號傳輸中，量化和編碼之間沒有間隔，幾乎是同時完成的，所以根據(jù)實際情況，設(shè)計此模塊。量化編碼模塊的設(shè)計如圖2所示。

3.4 PCM譯碼

編碼和譯碼的過程是相互轉(zhuǎn)換的，編碼后的信號不可以直接輸出，而是要通過譯碼器和低通濾波器進行轉(zhuǎn)換后才可以輸出。本系統(tǒng)設(shè)計的譯碼模塊如圖3所示。

在此次設(shè)計中，不能輸入大于1的輸入信號。相關(guān)輸入與輸出關(guān)系如表1所示。

4 系統(tǒng)仿真性能分析

4.1 整體設(shè)計圖

本系統(tǒng)設(shè)計所應(yīng)用的信號不可以直接傳輸，只能在通過調(diào)制后進入信道，然后進行信號傳輸。因此，在系統(tǒng)加入高斯白噪聲的同時也需要將調(diào)制器和解調(diào)器加入系統(tǒng)，在調(diào)制器的選擇方面一般選用BPSK調(diào)制，在高斯白噪聲信號進入信道之前設(shè)置調(diào)制器，之后設(shè)置解調(diào)器。在現(xiàn)實通信系統(tǒng)中，為形成一個完整的通信系統(tǒng)，不僅僅是包括原有的系統(tǒng)，還包括信源、采樣編碼、調(diào)制解調(diào)器、解碼和接收器。為了使系統(tǒng)的設(shè)計變化與實際通信接近，本課題將加入高斯白噪聲，本系統(tǒng)設(shè)計的整體框圖如圖4所示。

4.2 無噪聲系統(tǒng)運行結(jié)果

首先要測試的是系統(tǒng)正常工作時的信號狀態(tài)，此時不需要加入任何噪聲，測試結(jié)果如圖5所示。

在圖5中，由上至下波形分別為輸入信號、抽樣信號、編碼信號與解碼信號。本次測試采用一個連續(xù)的正弦模擬信號作為輸入信號，經(jīng)抽樣過程后得到離散信號，再經(jīng)過PCM編碼模塊后得到一組二進制數(shù)字信號，接著通過解碼器和低通濾波器，繪成正弦模擬信號。將輸出的正弦信號與輸入信號對比后發(fā)現(xiàn)輸出波形并沒有失真，由此得知本次設(shè)計的通信系統(tǒng)工作正常，且參數(shù)配置正確。

4.3 加入噪聲后的系統(tǒng)結(jié)果

在對設(shè)計的系統(tǒng)進行測試時，誤碼率會影響傳輸質(zhì)量從而影響結(jié)果。為此，在編碼器與解碼器中間設(shè)置一個二進制信道，從而系統(tǒng)得到一個不變的誤碼率，在這種條件下進行系統(tǒng)測試，能夠合理地檢測各種性能。當(dāng)誤碼率為0.01時，結(jié)果如圖6所示;當(dāng)誤差率為0.1時，結(jié)果如圖7所示。

在圖6、圖7中，從上到下分別是輸入、數(shù)字編碼二進制、錯誤代碼、輸出的波形，通過此兩圖的對比可以看出來，當(dāng)誤碼率變高的時候，輸出的波形失真會越來越嚴(yán)重，當(dāng)誤碼率為0.1的時候，此時的輸出波形完全失真，無法還原原信號，這也代表著通信行為無法進行，由此可知想要提高通信的質(zhì)量，最好的方法就是降低噪聲，控制誤碼率。

5 結(jié)束語

PCM是語音數(shù)字化通信的基本技術(shù)。本文完成了Simulink環(huán)境下基于PCM的語音通信系統(tǒng)設(shè)計與仿真。仿真結(jié)果能夠反映出系統(tǒng)配置合理，運行穩(wěn)定。加入噪聲后，系統(tǒng)運行指標(biāo)變化明顯，在不同誤碼率的情況下給出不同的譯碼曲線圖。語音通信過程復(fù)雜，制約因素較多，系統(tǒng)設(shè)計仍需進一步完善。

參考文獻：

[1] 高穎，馮浩，張順，等.基于Simulink的模擬與數(shù)字通信系統(tǒng)建模與仿真[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2013，36（7）：64-67.

[2] 金鑫.數(shù)字通信系統(tǒng)中自適應(yīng)均衡技術(shù)[J].通信電源技術(shù)，2019，36（4）：198-199.

[3] 張治平.基于仿真技術(shù)的虛擬通信實驗系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)[D].成都：電子科技大學(xué)，2011.

[4] 程菊花，姜武.基于MATLAB的PCM調(diào)制系統(tǒng)的仿真與分析[J].浙江傳媒學(xué)院學(xué)報，2005，12（3）：25-27.

[5] 李探元，任宏，劉小寶.基于Simulink的脈沖編碼調(diào)制系統(tǒng)設(shè)計[J].無線通信技術(shù)，2011，20（4）：10-13.

[6] 樊昌信，曹麗娜.通信原理[M].6版.北京：國防工業(yè)出版社，2006.

[7] 張德豐.MATLAB/Simulink建模與仿真實例精講[M].北京：機械工業(yè)出版社，2010.

【通聯(lián)編輯：謝媛媛】