語音通信系統(tǒng)仿真與分析

葉青娣

[摘要]利用Simulink仿真軟件模擬語音通信的全過程。針對DSB-AM調(diào)制,分析比較不同功率的高斯白噪聲、載波同步以及過調(diào)幅對相干解調(diào)和非相干解調(diào)的影響,仿真結(jié)果說明相干解調(diào)的總體性能優(yōu)于非相干解調(diào)的總體性能。

[關(guān)鍵詞]調(diào)制白噪聲載波相干解調(diào)非相干解調(diào)

中圖分類號:TN92文獻標識碼:A文章編號:1671-7597(2009)1210017-02

一、引言

目前,MATLAB/Simulink軟件已經(jīng)成為解決工程實際問題的重要手段之一。Simulink軟件具有豐富的模塊庫,其中公共模塊庫共包含9個模塊庫[1]:連續(xù)系統(tǒng)模塊庫、離散系統(tǒng)模塊庫等。除此之外,還集成了許多面向不同專業(yè)領(lǐng)域的專業(yè)模塊庫。

本文利用Simulink模塊化、直觀和操作簡單的特點,對語音通信系統(tǒng)進行建模和仿真,并進行性能分析與比較。

二、語音通信系統(tǒng)總體設計

在本設計中,信源文件為一段語音,其采樣率為22.05kHz,16位單聲道。信源經(jīng)過一個帶限濾波器后,單邊帶寬被限制為1kHz。調(diào)制模型采用常規(guī)幅度調(diào)制(AM),載頻為4kHz,調(diào)制信號加入窄帶高斯白噪聲。解調(diào)器采用兩種解調(diào)方式:相干解調(diào)和非相干解調(diào)——平方律檢波,比較在不同功率的噪聲背景下兩種解調(diào)方式得到的語音信號的質(zhì)量。最后,將所得的解調(diào)信號接入simulink的示波器與信源信號進行比較,同時將解調(diào)的信號送入音頻設備聽其質(zhì)量。

基于simulink的語音通信系統(tǒng)仿真模型如圖1所示:

圖1語音通信系統(tǒng)框圖

三、語音通信子系統(tǒng)設計

(一)信源

在simulink的DSP Blockset中提供了兩種與操作平臺相關(guān)的音頻讀模塊[2]:

1.From Wave Device:Simulink在仿真過程中將“實時地”從音頻接口讀入一個連續(xù)的音頻流數(shù)據(jù)。

2.From Wave File:從wav音頻文件中“實時地”讀入數(shù)據(jù)并輸出。

本文采用從wav音頻文件中“實時地”讀入數(shù)據(jù)并輸出的方式。

(二)語音信號的調(diào)制與解調(diào)

1.語音信號的調(diào)制

在調(diào)制模塊中選擇DSB-AM調(diào)制,載頻為4khz,采樣率為22.05khz。由調(diào)幅的原理可知[3],信源疊加一個直流分量然后與載波相乘即可得到DSB-AM信號。直流分量先設置DC=1,然后改變直流分量值,分析比較不同直流分量對兩種解調(diào)性能的影響。

2.相干解調(diào)

相干解調(diào)仿真子系統(tǒng)如圖2所示。模塊輸入為DSB-AM信號,解調(diào)信號輸出到示波器和音頻輸出設備。用于解調(diào)的載波信號先設置為與調(diào)制載波信號同頻同相,即4khz,初相位為0。然后,修改載波值,分析比較載波同步對解調(diào)性能的影響。

圖2相干解調(diào)

為了無失真的恢復調(diào)制信號,低通濾波器的通帶截止頻率設計為1khz,阻帶截止頻率設計為1.5khz,通帶紋波為1dB,阻帶衰減為50dB,采用Kaiser窗函數(shù),階數(shù)為130階。

最后,為了去除疊加的直流分量,無失真的恢復信源信號,經(jīng)過低通濾波的信號需要再通過一個高通濾波器。高通濾波器也采用FIR濾波器,阻帶頻率為50hz,通帶頻率為信源信號頻率1khz,采用Kaiser窗函數(shù),階數(shù)為68階。

3.非相干解調(diào)——平方律檢波

非相干解調(diào)子系統(tǒng)采用平方律包絡檢波,如圖3所示。由于信源信號經(jīng)過帶限后頻率限制在W=1khz之內(nèi),載波的頻率為Wc=4khz,于是AM信號的頻率在Wc-W=3khz和Wc+W=5khz之間。

圖3平方律檢波

經(jīng)過平方處理以后DSB-AM信號的頻率成份包含2W=2khz以內(nèi)部分和2(Wc-W)-2(Wc+W)即6khz-10khz部分。為了無失真的恢復調(diào)制信號,需要濾除2(Wc-W)-2(Wc+W)即6khz ～10khz頻率部分,僅保留2W=2khz

以內(nèi)的頻率部分。于是,FIR低通濾波器通帶頻率設計為2khz,阻帶頻率為2.5khz,通帶紋波為1dB,阻帶衰減為50dB,采用Kaiser窗函數(shù),階數(shù)為130階。

和相干解調(diào)子系統(tǒng)類似,為了去除疊加的直流分量,無失真的恢復信源信號,經(jīng)過低通濾波的信號也需要再通過一個高通濾波器。高通濾波器的參數(shù)設計同相干解調(diào)中高通濾波器。

四、性能比較與分析

(一)相干解調(diào)與非相干解調(diào)性能比較與分析

當信道加入均值為0,方差為0.01的高斯白噪聲,系統(tǒng)仿真時間設置成為8s的時候,仿真結(jié)果如圖4所示。圖5是信道加入均值為0,方差為0.0001的高斯白噪聲,系統(tǒng)仿真時間設置成為8s的時候的仿真結(jié)果?？梢钥吹疆斣肼暦讲顬?.01的時候,解調(diào)出來的SNR要比噪聲方差為0.0001的時候的SNR要小,同時也可以播放解調(diào)出來的語音信號,聽其與原語音信號的質(zhì)量差異。

從圖4和圖5中可以看到,當載波同步的時候,由相干解調(diào)出的語音信號的噪聲較小,其信噪比SNR較大。當不斷增大噪聲的功率,也就是噪聲的方差的時候,用耳機去聽相干解調(diào)和非相干解調(diào)的語音信號的質(zhì)量發(fā)現(xiàn),非相干解調(diào)的語音信號完全淹沒在噪聲之中,但相干解調(diào)的語音信號仍然可以辨別,所以相干解調(diào)的性能要好于非相干解調(diào)的性能。

圖4噪聲方差為0.01載波同步仿真輸出

圖5噪聲方差為0.0001載波同步仿真輸出

(二)載波同步對相干解調(diào)性能的影響

當載波不同步時,相干解調(diào)的性能會大大下降。仿真結(jié)果如圖6,用于調(diào)制的載波初相位為零,而用于相干解調(diào)的本地載波初相位設置為0.5π,可以看到相干解調(diào)出來的信號基本被噪聲淹沒,信號的信噪比很低,而對非相干解調(diào)沒有影響。

圖6載波不同步解調(diào)

(三)過調(diào)幅對包絡檢波的影響

為了仿真方便,采用1KHz的正弦波為信源。在AM調(diào)制的時候,信源疊加的直流分量DC=0.5。采用非相干包絡檢波的方法解調(diào)出來的信號出現(xiàn)了切削失真,其信號的負值部分被削去了,而采用相干解調(diào)的方式解調(diào)出來的信號卻與原發(fā)送信號基本一致。

五、結(jié)論

本文利用Simulink仿真軟件模擬了語音通信的全過程。針對DSB-AM調(diào)制,分析比較不同功率的高斯白噪聲、載波同步以及過調(diào)幅對相干解調(diào)和非相干解調(diào)的影響,仿真結(jié)果說明相干解調(diào)的總體性能優(yōu)于非相干解調(diào)的總體性能。

參考文獻:

[1]黃永安、馬路、劉慧敏,MATLAB7.0/Simulink6.0建模仿真開發(fā)與高級工程應用[M].北京:清華大學出版社,2005,46-62.

[2]邵玉斌,MATLAB/SIMULINK通信系統(tǒng)建模與仿真實例分析[M].北京:清華大學出版社,2008,134-138.

[3]樊昌興、曹麗娜,通信原理[M].北京:國防工業(yè)出版社,2008,87-96.