Simulink仿真在通信原理课程实例教学中的应用

李 素 平

(巢湖学院 机械与电子工程学院， 安徽 巢湖 238000)

0 引 言

通信即互通信息，通信技术和通信产业是20世纪80年代以来发展最快的领域之一。通信技术日新月异地发展，使更多的人们期望掌握通信的基本原理，通信原理课程备受重视，几乎成为所有电子专业的必修课程[1-2]。本科教学中通信原理课程着重讲解通信过程中的基本原理和基本方法，该课程理论性强，实践要求高[3]。

通信原理教学过程中往往会采用一些教学案例辅助教学，但是学生普遍感觉课程教学案例过于抽象化与实际联系较少，不利于课程内容的理解和应用。在通信原理课程教学改革中，很多教师引入了软硬件平台结合多媒体的教学方法，虽然教学效果有了一定的提高，但缺乏对教学内容的改革，尤其是教学实例的改革与探索[4-6]。考虑到上述问题，提出了基于语音实例的通信原理课程建设，进行通信原理课程教学实例的改革和探索。考虑到Simulink 软件在通信系统仿真中被广泛应用，其可以动态呈现各类信号并可以随时播放音频文件的特性[7-10]，故采用Simulink仿真语音信号数字化传输过程作为通信原理课程教学实例的改革案例并给予说明。

1 Simulink仿真语音实例在通信原理课程教学中的应用

通信原理课程采用语音作为应用实例，是因为首先现代通信系统中的信源虽然有不同的形式如声音、图像、文字等，但人类社会中的语音显然是最常见的传输最多的声音信号；其次语音信号易于获取，每位同学都可以将自身语音信号作为被传输对象进行分析，这可以在很大程度上激发同学们的学习主动性和积极性[11-13]。音频通信尤其是语音通信是人类社会必然涉及到的一类通信系统，语音是人类互通信息的主要方式之一。

通信原理课程主要讨论了通信过程中涉及到的基本原理和基本方法，根据信道中传输信号不同分为模拟通信系统和数字通信系统，考虑到数字信号的抗干扰性能，数字通信系统应用更为普及。数字通信系统中，信源为数字信号，而日常生活中大部分信源如语音信号为连续变化的模拟信号。那么要实现模拟信号在数字系统中的传输，必须在发送端将模拟信号数字化经信道传输后再在接收端进行逆变换。对于能实现远距离传输的数字通信又必然会涉及信道编码等技术。本文以语音信号的数字化传输为例，案例涉及模拟信号的数字化转换及数字信号信道编码等技术，以寻求理论与实际应用相结合，探索通信原理课程实例教学的改革方法。

2 脉冲编码调制原理

脉冲编码调制( Pulse Code Modulation，PCM)是把一个取值连续的模拟信号变换成时间离散、取值离散的数字信号在信道中传输的过程，经由抽样、量化和编码3个过程完成，信号接收端再通过译码器和低通滤波器还原出原始信号[1]。所谓抽样，就是对模拟信号进行周期性扫描，把时间上连续的信号变成时间上离散的信号。抽样后模拟信号要经过量化编码才能成为数字信号。通常采用的非均匀量化是将抽样值压缩后再进行均匀量化，广泛采用的两种对数压缩律是μ压缩律和A压缩律。美国采用μ压缩律，我国和欧洲各国采用A压缩律，因此，PCM编码采用的也是A压缩律。编码是把量化后的信号变换成二进制数字信号的过程，其相反的过程称为译码。

语音信号数字化传输中所涉及的模数转换其核心是PCM编码技术，PCM编码也是通信原理课程教学的重点和难点之一[14-16]。基于上述考虑，设计了语音信号的PCM编译码数字化传输实例。实例设计中使用Simulink进行仿真，立体呈现语音信号通信过程，对比收发两端语音信号的变化并分析。

3 基于Simulink仿真的语音数字传输实例

基于Simulink的语音数字传输实例采用录制的语音信号作为信号源，语音数字传输过程如图1所示，需要依次经过PCM编码、Hamming编码、信道、Hamming译码、PCM译码和低通滤波。其中PCM编码是信源编码，Hamming编码是信道编码。

图1 语音数字传输实例设计框图

3.1 语音导入导出

课堂授课时现场录制语音，让学生观察音频信号时频波形并回放声音，原始语音信号时频波形如图2所示。录制的是一段持续时间为5 s的英文，信号采样频率为22.05 kHz。可以利用函数from wave file 将录制的语音文件导入到Simulink仿真系统中。在接收端，可以使用To Audio Device 功能模块播放声音信号，直观地感受语音信号数字化传输效果。

图2 原始语音信号时域/频域波形

3.2 语音数字传输实例设计

课前完成语音数字传输系统的设计，传输系统仿真模型如图3所示，采用单频正弦信号进行仿真验证。课程授课时，直接将上述录制的音频文件导入到系统中进行仿真。

图4和图5中，第1行是发送端语音信号波形，第2行是经过数字化传输后接收端信号波形。接受端采用了巴特沃斯低通滤波器，一定程度上滤除了噪声的影响。但当信道中有噪声时，接收端信号仍会受到噪声影响。仿真系统使用了To Audio Device可以直接播放语音信号，更为形象地判断音频信号的传输质量。

可以通过设置参数Error probability调节信道特性，图6中参数Error probability设置为0，即为理想信道没有加性噪声。表1所示是误码率与参数Error probability关系表，实验表明系统误码率随参数Error probability值的增大而增大。

图3 语音信号数字传输系统仿真模型

图4 理想信道时系统收发两端信号波形

图5 非理想信道时系统收发两端信号波形

图6 二进制对称信道参数调节框

图7、8所示是系统的PCM编码信号，PCM编码输出8位为1帧，结合系统时钟即可读出信号数据。显而易见，PCM编码是单极性非归零基带信号。结合图4到图8，显然PCM编码将模拟语音信号转换为了数字信号，而通过接收端的译码，最后又得到了模拟音频信号，成功实现了语音信号的数字化传输。

表1 误码率与参数Error probability关系表

图7 部分PCM编码放大效果图

图8 部分PCM编码

下面简要分析PCM编码器和PCM译码器的设计过程。

(1) PCM编码器设计。PCM编码器仿真模型如图9所示。其中零阶保持器对输入语音信号进行平顶抽样。限幅器将抽样后信号幅度值限制在[-1,1]范围内。A-Law Compressor为13折线A律压缩器，由通信原理基本知识知其参数应设置为87.6。比较器模块的门限值设为0，其输出为PCM编码的最高位极性码。取绝对值压缩后的信号数值，用增益模块将样值放大到0～127的范围内，然后用间隔为1的量化器进行四舍五入取整，最后编码为7位二进制序列，作为PCM编码的低7位送入复用器。复用器将输入的多路信号合成一路8位信号，最高位为8位二进制数的极性码。

图9 PCM编码器仿真模型

该部分内容及相关参数的调节涉及到了PCM的抽样、压缩量化和编码3个过程的知识点，通过相关功能模块参数的调节，可以使学生更为深入的理解编码原理。

(2) PCM译码器设计。PCM译码是编码的逆过程，其仿真模型如图10所示。涉及到的模块功能与PCM编码器中对应模块实现的功能是相逆的，故不再赘述。乘法器，作用是将输入的信号相乘，模拟滤波器的设计采用了巴特沃斯低通滤波器。

图10 PCM译码器仿真模型

通过课堂现场调节PCM编译码器参数，可以使学生更为直观地掌握PCM原理和编译码方法，同时也进一步学习了Simulink仿真软件。

4 结 语

语音通信实例仿真设计有利于发挥学生学习通信原理课程的主动性与创造性，学生可以更为直观地了解PCM编码和译码过程，观察模拟信号数字化传输过程中的关键点波形，了解信号传输过程中的变化。将语音实例的通信过程引入到通信原理课程教学中，能带动通信原理课程教学内容的改革，有效地弥补通信原理课程实例的不足，提高学生的学习积极性和能动性。