語(yǔ)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(yǔ)音通信的全過(guò)程。針對(duì)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(guò)調(diào)幅對(duì)相干解調(diào)和非相干解調(diào)的影響,仿真結(jié)果說(shuō)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(hào):TN92文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A文章編號(hào):1671-7597(2009)1210017-02

一、引言

目前,MATLAB/Simulink軟件已經(jīng)成為解決工程實(shí)際問(wèn)題的重要手段之一。Simulink軟件具有豐富的模塊庫(kù),其中公共模塊庫(kù)共包含9個(gè)模塊庫(kù)[1]:連續(xù)系統(tǒng)模塊庫(kù)、離散系統(tǒng)模塊庫(kù)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(kù)。

本文利用Simulink模塊化、直觀和操作簡(jiǎn)單的特點(diǎn),對(duì)語(yǔ)音通信系統(tǒng)進(jìn)行建模和仿真,并進(jìn)行性能分析與比較。

二、語(yǔ)音通信系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

在本設(shè)計(jì)中,信源文件為一段語(yǔ)音,其采樣率為22.05kHz,16位單聲道。信源經(jīng)過(guò)一個(gè)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(hào)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(yǔ)音信號(hào)的質(zhì)量。最后,將所得的解調(diào)信號(hào)接入simulink的示波器與信源信號(hào)進(jìn)行比較,同時(shí)將解調(diào)的信號(hào)送入音頻設(shè)備聽(tīng)其質(zhì)量。

基于simulink的語(yǔ)音通信系統(tǒng)仿真模型如圖1所示:

圖1語(yǔ)音通信系統(tǒng)框圖

三、語(yǔ)音通信子系統(tǒng)設(shè)計(jì)

(一)信源

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

1.From Wave Device:Simulink在仿真過(guò)程中將“實(shí)時(shí)地”從音頻接口讀入一個(gè)連續(xù)的音頻流數(shù)據(jù)。

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

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

(二)語(yǔ)音信號(hào)的調(diào)制與解調(diào)

1.語(yǔ)音信號(hào)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(gè)直流分量然后與載波相乘即可得到DSB-AM信號(hào)。直流分量先設(shè)置DC=1,然后改變直流分量值,分析比較不同直流分量對(duì)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(hào),解調(diào)信號(hào)輸出到示波器和音頻輸出設(shè)備。用于解調(diào)的載波信號(hào)先設(shè)置為與調(diào)制載波信號(hào)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(duì)解調(diào)性能的影響。

圖2相干解調(diào)

為了無(wú)失真的恢復(fù)調(diào)制信號(hào),低通濾波器的通帶截止頻率設(shè)計(jì)為1khz,阻帶截止頻率設(shè)計(jì)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(wú)失真的恢復(fù)信源信號(hào),經(jīng)過(guò)低通濾波的信號(hào)需要再通過(guò)一個(gè)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(hào)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(luò)檢波,如圖3所示。由于信源信號(hào)經(jīng)過(guò)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(hào)的頻率在Wc-W=3khz和Wc+W=5khz之間。

圖3平方律檢波

經(jīng)過(guò)平方處理以后DSB-AM信號(hào)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(wú)失真的恢復(fù)調(diào)制信號(hào),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(shè)計(jì)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(wú)失真的恢復(fù)信源信號(hào),經(jīng)過(guò)低通濾波的信號(hào)也需要再通過(guò)一個(gè)高通濾波器。高通濾波器的參數(shù)設(shè)計(jì)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(dāng)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(shí)間設(shè)置成為8s的時(shí)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(shí)間設(shè)置成為8s的時(shí)候的仿真結(jié)果。可以看到當(dāng)噪聲方差為0.01的時(shí)候,解調(diào)出來(lái)的SNR要比噪聲方差為0.0001的時(shí)候的SNR要小,同時(shí)也可以播放解調(diào)出來(lái)的語(yǔ)音信號(hào),聽(tīng)其與原語(yǔ)音信號(hào)的質(zhì)量差異。

從圖4和圖5中可以看到,當(dāng)載波同步的時(shí)候,由相干解調(diào)出的語(yǔ)音信號(hào)的噪聲較小,其信噪比SNR較大。當(dāng)不斷增大噪聲的功率,也就是噪聲的方差的時(shí)候,用耳機(jī)去聽(tīng)相干解調(diào)和非相干解調(diào)的語(yǔ)音信號(hào)的質(zhì)量發(fā)現(xiàn),非相干解調(diào)的語(yǔ)音信號(hào)完全淹沒(méi)在噪聲之中,但相干解調(diào)的語(yǔ)音信號(hào)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(duì)相干解調(diào)性能的影響

當(dāng)載波不同步時(shí),相干解調(diào)的性能會(huì)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(shè)置為0.5π,可以看到相干解調(diào)出來(lái)的信號(hào)基本被噪聲淹沒(méi),信號(hào)的信噪比很低,而對(duì)非相干解調(diào)沒(méi)有影響。

圖6載波不同步解調(diào)

(三)過(guò)調(diào)幅對(duì)包絡(luò)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(shí)候,信源疊加的直流分量DC=0.5。采用非相干包絡(luò)檢波的方法解調(diào)出來(lái)的信號(hào)出現(xiàn)了切削失真,其信號(hào)的負(fù)值部分被削去了,而采用相干解調(diào)的方式解調(diào)出來(lái)的信號(hào)卻與原發(fā)送信號(hào)基本一致。

五、結(jié)論

本文利用Simulink仿真軟件模擬了語(yǔ)音通信的全過(guò)程。針對(duì)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(guò)調(diào)幅對(duì)相干解調(diào)和非相干解調(diào)的影響,仿真結(jié)果說(shuō)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(xiàn):

[1]黃永安、馬路、劉慧敏,MATLAB7.0/Simulink6.0建模仿真開(kāi)發(fā)與高級(jí)工程應(yīng)用[M].北京:清華大學(xué)出版社,2005,46-62.

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

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