基于Simulink的語音通信系統設計與分析

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，在Simulink仿真環境下實現模擬語音通信系統的設計，對通信系統的各種模塊進行設計，利用圖片、公式、表格等方式更直觀的表現語音通信系統的工作情況。該文分析驗證了噪聲干擾對系統運行狀態的影響，給出了不同誤碼率情況下系統的工作性能，進一步分析了PCM技術在語音通信方面的應用前景和發展趨勢。

關鍵詞：PCM技術;Simulink仿真;語音通信;誤碼率

中圖分類號：TP391? ? ? 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2020）35-0004-03

開放科學（資源服務）標識碼（OSID）：

1 背景

如今通信技術的發展勢頭迅猛，數據及仿真圖像或視頻這種實體類信息傳輸在整個通信行業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，未來通信行業的語音類信息將會略有減少，但是依舊是整個通信系統的重中之重。其中應用最早和最廣泛的語音編碼技術為脈沖編碼調制（PCM）技術[1-2]。

2 Simulink仿真

Matlab軟件中有很多極其方便的仿真工具，在系統建模和環境模擬方面發揮了巨大作用。它的運行核心是matlab，以這個為基礎，可以用來實現系統運行實時仿真等功能，并且可以創建模型[3]。Simulink為動態系統仿真、建模和綜合分析提供了一個集成環境。這個仿真軟件同時提供了一個強大的模型基礎，可以用于很多的數據分析。在此種情況下，可減少大量的寫入程序，直接用鼠標操作來構建復雜且可變的系統[4-5]。Simulink支持多速率系統，即在系統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來完成不同用戶之間界面的創建過程，并在不同用戶之間產生聯系。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，研發分析和各種可視化操作，批量腳本創建，建模環境的特殊定制，信號參數的定義和測試數據[7]。

3 脈沖編碼調制（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準，信號就由連續變為離散。在采樣值足夠大的情況下，當采樣的連續模擬信號為有限的，那么通過采樣的信號可以直接恢復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傳輸的調制信號[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，兩者相乘必須經過一個乘法器。圖1為抽樣模塊的系統框圖。

3.2 量化

抽樣后的信號無法直接變成可以在信道內傳輸的信號，此時就需要經過量化。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換成一組離散的取值，這組取值是通過一組規定的電平值所表示的。在數理邏輯的方面，量化過程是依據某種或幾種特定的標準，將連續無界的數據轉化成一組離散且有界的數。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

量化的數字信號需要編碼轉換成代碼，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并具有良好的再生性能。 因此在實際設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代數字信號傳輸中，量化和編碼之間沒有間隔，幾乎是同時完成的，所以根據實際情況，設計此模塊。量化編碼模塊的設計如圖2所示。

3.4 PCM譯碼

編碼和譯碼的過程是相互轉換的，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換后才可以輸出。本系統設計的譯碼模塊如圖3所示。

在此次設計中，不能輸入大于1的輸入信號。相關輸入與輸出關系如表1所示。

4 系統仿真性能分析

4.1 整體設計圖

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

4.2 無噪聲系統運行結果

首先要測試的是系統正常工作時的信號狀態，此時不需要加入任何噪聲，測試結果如圖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的正弦模擬信號作為輸入信號，經抽樣過程后得到離散信號，再經過PCM編碼模塊后得到一組二進制數字信號，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現輸出波形并沒有失真，由此得知本次設計的通信系統工作正常，且參數配置正確。

4.3 加入噪聲后的系統結果

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

在圖6、圖7中，從上到下分別是輸入、數字編碼二進制、錯誤代碼、輸出的波形，通過此兩圖的對比可以看出來，當誤碼率變高的時候，輸出的波形失真會越來越嚴重，當誤碼率為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量，最好的方法就是降低噪聲，控制誤碼率。

5 結束語

PCM是語音數字化通信的基本技術。本文完成了Simulink環境下基于PCM的語音通信系統設計與仿真。仿真結果能夠反映出系統配置合理，運行穩定。加入噪聲后，系統運行指標變化明顯，在不同誤碼率的情況下給出不同的譯碼曲線圖。語音通信過程復雜，制約因素較多，系統設計仍需進一步完善。

參考文獻：

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

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

[3] 張治平.基于仿真技術的虛擬通信實驗系統設計與實現[D].成都：電子科技大學，2011.

[4] 程菊花，姜武.基于MATLAB的PCM調制系統的仿真與分析[J].浙江傳媒學院學報，2005，12（3）：25-27.

[5] 李探元，任宏，劉小寶.基于Simulink的脈沖編碼調制系統設計[J].無線通信技術，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：機械工業出版社，2010.

【通聯編輯：謝媛媛】