基于Simulink的语音通信系统设计与分析

毛文杰 朱其刚 杨金梁 任丙忠 李滢潞

摘要：该文主要分析利用PCM技术，在Simulink仿真环境下实现模拟语音通信系统的设计，对通信系统的各种模块进行设计，利用图片、公式、表格等方式更直观的表现语音通信系统的工作情况。该文分析验证了噪声干扰对系统运行状态的影响，给出了不同误码率情况下系统的工作性能，进一步分析了PCM技术在语音通信方面的应用前景和发展趋势。

关键词：PCM技术;Simulink仿真;语音通信;误码率

中图分类号：TP391      文献标识码：A

文章编号：1009-3044（2020）35-0004-03

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1 背景

如今通信技术的发展势头迅猛，数据及仿真图像或视频这种实体类信息传输在整个通信行业占有的比重越来越大。然而人们对语音类信息传递所占的比重仍无法被替代，未来通信行业的语音类信息将会略有减少，但是依旧是整个通信系统的重中之重。其中应用最早和最广泛的语音编码技术为脉冲编码调制（PCM）技术[1-2]。

2 Simulink仿真

Matlab软件中有很多极其方便的仿真工具，在系统建模和环境模拟方面发挥了巨大作用。它的运行核心是matlab，以这个为基础，可以用来实现系统运行实时仿真等功能，并且可以创建模型[3]。Simulink为动态系统仿真、建模和综合分析提供了一个集成环境。这个仿真软件同时提供了一个强大的模型基础，可以用于很多的数据分析。在此种情况下，可减少大量的写入程序，直接用鼠标操作来构建复杂且可变的系统[4-5]。Simulink支持多速率系统，即在系统的不同部分的不同组合下的不同采样率。Simulink可以通过拖动并单击鼠标来完成不同用户之间界面的创建过程，并在不同用户之间产生联系。Simulink与MATLAB紧密相连，可直接访问MATLAB中的各种工具，用于算法仿真，研发分析和各种可视化操作，批量脚本创建，建模环境的特殊定制，信号参数的定义和测试数据[7]。

3 脉冲编码调制（PCM）过程

3.1 抽样

抽样的过程简单来说就是以时间作为参考标准，信号就由连续变为离散。在采样值足够大的情况下，当采样的连续模拟信号为有限的，那么通过采样的信号可以直接恢复到原始信号且原始模拟信号可以被采样值完全取代，然后对语音信号进行抽样，使其变成与原来不同且更适合在信道内传输的调制信号[6]。

在实际通信中通常采用8kHz为信号的抽样频率，在此仿真中抽样的间隔为0.001s，脉冲带宽为0.5，目的是更方便的观察波形和结果。抽样后的波形是模拟信号和脉冲信号相乘所得到的波形，其中，两者相乘必须经过一个乘法器。图1为抽样模块的系统框图。

3.2 量化

抽样后的信号无法直接变成可以在信道内传输的信号，此时就需要经过量化。在量化过程中，这种信号从幅度上被划分为若干个小幅度，将落入该小幅度的值转换成一组离散的取值，这组取值是通过一组规定的电平值所表示的。在数理逻辑的方面，量化过程是依据某种或几种特定的标准，将连续无界的数据转化成一组离散且有界的数。在信号处理过程中，量化的方式有两种：均匀量化和非均匀量化。

3.3 量化

量化的数字信号需要编码转换成代码，以便计算机能够更好地识别和操作，因此编码的目的是以二进制表示数字电平信号的形成。 二进制码不仅可以承受高噪声水平的干扰，而且可以很容易地实现并具有良好的再生性能。 因此在实际设备中二进制码的编码器，也称为量化编码器，它们通过编码和量化在一个步骤中完成。所有的码字统称为码型，包括自然二进制码、折叠码、反卷积码、格雷码等。

在此仿真中将量化和编码放在同一模块表述是因为在现代数字信号传输中，量化和编码之间没有间隔，几乎是同时完成的，所以根据实际情况，设计此模块。量化编码模块的设计如图2所示。

3.4 PCM译码

编码和译码的过程是相互转换的，编码后的信号不可以直接输出，而是要通过译码器和低通滤波器进行转换后才可以输出。本系统设计的译码模块如图3所示。

在此次设计中，不能输入大于1的输入信号。相关输入与输出关系如表1所示。

4 系统仿真性能分析

4.1 整体设计图

本系统设计所应用的信号不可以直接传输，只能在通过调制后进入信道，然后进行信号传输。因此，在系统加入高斯白噪声的同时也需要将调制器和解调器加入系统，在调制器的选择方面一般选用BPSK调制，在高斯白噪声信号进入信道之前设置调制器，之后设置解调器。在现实通信系统中，为形成一个完整的通信系统，不仅仅是包括原有的系统，还包括信源、采样编码、调制解调器、解码和接收器。为了使系统的设计变化与实际通信接近，本课题将加入高斯白噪声，本系统设计的整体框图如图4所示。

4.2 无噪声系统运行结果

首先要测试的是系统正常工作时的信号状态，此时不需要加入任何噪声，测试结果如图5所示。

在图5中，由上至下波形分别为输入信号、抽样信号、编码信号与解码信号。本次测试采用一个连续的正弦模拟信号作为输入信号，经抽样过程后得到离散信号，再经过PCM编码模块后得到一组二进制数字信号，接着通过解码器和低通滤波器，绘成正弦模拟信号。将输出的正弦信号与输入信号对比后发现输出波形并没有失真，由此得知本次设计的通信系统工作正常，且参数配置正确。

4.3 加入噪声后的系統结果

在对设计的系统进行测试时，误码率会影响传输质量从而影响结果。为此，在编码器与解码器中间设置一个二进制信道，从而系统得到一个不变的误码率，在这种条件下进行系统测试，能够合理地检测各种性能。当误码率为0.01时，结果如图6所示;当误差率为0.1时，结果如图7所示。

在图6、图7中，从上到下分别是输入、数字编码二进制、错误代码、输出的波形，通过此两图的对比可以看出来，当误码率变高的时候，输出的波形失真会越来越严重，当误码率为0.1的时候，此时的输出波形完全失真，无法还原原信号，这也代表着通信行为无法进行，由此可知想要提高通信的质量，最好的方法就是降低噪声，控制误码率。

5 结束语

PCM是语音数字化通信的基本技术。本文完成了Simulink环境下基于PCM的语音通信系统设计与仿真。仿真结果能够反映出系统配置合理，运行稳定。加入噪声后，系统运行指标变化明显，在不同误码率的情况下给出不同的译码曲线图。语音通信过程复杂，制约因素较多，系统设计仍需进一步完善。

参考文献：

[1] 高颖，冯浩，张顺，等.基于Simulink的模拟与数字通信系统建模与仿真[J].现代电子技术，2013，36（7）：64-67.

[2] 金鑫.数字通信系统中自适应均衡技术[J].通信电源技术，2019，36（4）：198-199.

[3] 张治平.基于仿真技术的虚拟通信实验系统设计与实现[D].成都：电子科技大学，2011.

[4] 程菊花，姜武.基于MATLAB的PCM调制系统的仿真与分析[J].浙江传媒学院学报，2005，12（3）：25-27.

[5] 李探元，任宏，刘小宝.基于Simulink的脉冲编码调制系统设计[J].无线通信技术，2011，20（4）：10-13.

[6] 樊昌信，曹丽娜.通信原理[M].6版.北京：国防工业出版社，2006.

[7] 张德丰.MATLAB/Simulink建模与仿真实例精讲[M].北京：机械工业出版社，2010.

【通联编辑：谢媛媛】