语音通信系统仿真与分析

叶青娣

[摘要]利用Simulink仿真软件模拟语音通信的全过程。针对DSB-AM调制,分析比较不同功率的高斯白噪声、载波同步以及过调幅对相干解调和非相干解调的影响,仿真结果说明相干解调的总体性能优于非相干解调的总体性能。

[关键词]调制白噪声载波相干解调非相干解调

中图分类号:TN92文献标识码:A文章编号:1671-7597(2009)1210017-02

一、引言

目前,MATLAB/Simulink软件已经成为解决工程实际问题的重要手段之一。Simulink软件具有丰富的模块库,其中公共模块库共包含9个模块库[1]:连续系统模块库、离散系统模块库等。除此之外,还集成了许多面向不同专业领域的专业模块库。

本文利用Simulink模块化、直观和操作简单的特点,对语音通信系统进行建模和仿真,并进行性能分析与比较。

二、语音通信系统总体设计

在本设计中,信源文件为一段语音,其采样率为22.05kHz,16位单声道。信源经过一个带限滤波器后,单边带宽被限制为1kHz。调制模型采用常规幅度调制(AM),载频为4kHz,调制信号加入窄带高斯白噪声。解调器采用两种解调方式:相干解调和非相干解调——平方律检波,比较在不同功率的噪声背景下两种解调方式得到的语音信号的质量。最后,将所得的解调信号接入simulink的示波器与信源信号进行比较,同时将解调的信号送入音频设备听其质量。

基于simulink的语音通信系统仿真模型如图1所示:

图1语音通信系统框图

三、语音通信子系统设计

(一)信源

在simulink的DSP Blockset中提供了两种与操作平台相关的音频读模块[2]:

1.From Wave Device:Simulink在仿真过程中将“实时地”从音频接口读入一个连续的音频流数据。

2.From Wave File:从wav音频文件中“实时地”读入数据并输出。

本文采用从wav音频文件中“实时地”读入数据并输出的方式。

(二)语音信号的调制与解调

1.语音信号的调制

在调制模块中选择DSB-AM调制,载频为4khz,采样率为22.05khz。由调幅的原理可知[3],信源叠加一个直流分量然后与载波相乘即可得到DSB-AM信号。直流分量先设置DC=1,然后改变直流分量值,分析比较不同直流分量对两种解调性能的影响。

2.相干解调

相干解调仿真子系统如图2所示。模块输入为DSB-AM信号,解调信号输出到示波器和音频输出设备。用于解调的载波信号先设置为与调制载波信号同频同相,即4khz,初相位为0。然后,修改载波值,分析比较载波同步对解调性能的影响。

图2相干解调

为了无失真的恢复调制信号,低通滤波器的通带截止频率设计为1khz,阻带截止频率设计为1.5khz,通带纹波为1dB,阻带衰减为50dB,采用Kaiser窗函数,阶数为130阶。

最后,为了去除叠加的直流分量,无失真的恢复信源信号,经过低通滤波的信号需要再通过一个高通滤波器。高通滤波器也采用FIR滤波器,阻带频率为50hz,通带频率为信源信号频率1khz,采用Kaiser窗函数,阶数为68阶。

3.非相干解调——平方律检波

非相干解调子系统采用平方律包络检波,如图3所示。由于信源信号经过带限后频率限制在W=1khz之内,载波的频率为Wc=4khz,于是AM信号的频率在Wc-W=3khz和Wc+W=5khz之间。

图3平方律检波

经过平方处理以后DSB-AM信号的频率成份包含2W=2khz以内部分和2(Wc-W)-2(Wc+W)即6khz-10khz部分。为了无失真的恢复调制信号,需要滤除2(Wc-W)-2(Wc+W)即6khz ～10khz频率部分,仅保留2W=2khz

以内的频率部分。于是,FIR低通滤波器通带频率设计为2khz,阻带频率为2.5khz,通带纹波为1dB,阻带衰减为50dB,采用Kaiser窗函数,阶数为130阶。

和相干解调子系统类似,为了去除叠加的直流分量,无失真的恢复信源信号,经过低通滤波的信号也需要再通过一个高通滤波器。高通滤波器的参数设计同相干解调中高通滤波器。

四、性能比较与分析

(一)相干解调与非相干解调性能比较与分析

当信道加入均值为0,方差为0.01的高斯白噪声,系统仿真时间设置成为8s的时候,仿真结果如图4所示。图5是信道加入均值为0,方差为0.0001的高斯白噪声,系统仿真时间设置成为8s的时候的仿真结果。可以看到当噪声方差为0.01的时候,解调出来的SNR要比噪声方差为0.0001的时候的SNR要小,同时也可以播放解调出来的语音信号,听其与原语音信号的质量差异。

从图4和图5中可以看到,当载波同步的时候,由相干解调出的语音信号的噪声较小,其信噪比SNR较大。当不断增大噪声的功率,也就是噪声的方差的时候,用耳机去听相干解调和非相干解调的语音信号的质量发现,非相干解调的语音信号完全淹没在噪声之中,但相干解调的语音信号仍然可以辨别,所以相干解调的性能要好于非相干解调的性能。

图4噪声方差为0.01载波同步仿真输出

图5噪声方差为0.0001载波同步仿真输出

(二)载波同步对相干解调性能的影响

当载波不同步时,相干解调的性能会大大下降。仿真结果如图6,用于调制的载波初相位为零,而用于相干解调的本地载波初相位设置为0.5π,可以看到相干解调出来的信号基本被噪声淹没,信号的信噪比很低,而对非相干解调没有影响。

图6载波不同步解调

(三)过调幅对包络检波的影响

为了仿真方便,采用1KHz的正弦波为信源。在AM调制的时候,信源叠加的直流分量DC=0.5。采用非相干包络检波的方法解调出来的信号出现了切削失真,其信号的负值部分被削去了,而采用相干解调的方式解调出来的信号却与原发送信号基本一致。

五、结论

本文利用Simulink仿真软件模拟了语音通信的全过程。针对DSB-AM调制,分析比较不同功率的高斯白噪声、载波同步以及过调幅对相干解调和非相干解调的影响,仿真结果说明相干解调的总体性能优于非相干解调的总体性能。

参考文献:

[1]黄永安、马路、刘慧敏,MATLAB7.0/Simulink6.0建模仿真开发与高级工程应用[M].北京:清华大学出版社,2005,46-62.

[2]邵玉斌,MATLAB/SIMULINK通信系统建模与仿真实例分析[M].北京:清华大学出版社,2008,134-138.

[3]樊昌兴、曹丽娜,通信原理[M].北京:国防工业出版社,2008,87-96.