李 素 平

(巢湖學院 機械與電子工程學院， 安徽 巢湖 238000)

0 引 言

通信即互通信息，通信技術和通信產(chǎn)業(yè)是20世紀80年代以來發(fā)展最快的領域之一。通信技術日新月異地發(fā)展，使更多的人們期望掌握通信的基本原理，通信原理課程備受重視，幾乎成為所有電子專業(yè)的必修課程[1-2]。本科教學中通信原理課程著重講解通信過程中的基本原理和基本方法，該課程理論性強，實踐要求高[3]。

通信原理教學過程中往往會采用一些教學案例輔助教學，但是學生普遍感覺課程教學案例過于抽象化與實際聯(lián)系較少，不利于課程內容的理解和應用。在通信原理課程教學改革中，很多教師引入了軟硬件平臺結合多媒體的教學方法，雖然教學效果有了一定的提高，但缺乏對教學內容的改革，尤其是教學實例的改革與探索[4-6]?？紤]到上述問題，提出了基于語音實例的通信原理課程建設，進行通信原理課程教學實例的改革和探索?？紤]到Simulink 軟件在通信系統(tǒng)仿真中被廣泛應用，其可以動態(tài)呈現(xiàn)各類信號并可以隨時播放音頻文件的特性[7-10]，故采用Simulink仿真語音信號數(shù)字化傳輸過程作為通信原理課程教學實例的改革案例并給予說明。

1 Simulink仿真語音實例在通信原理課程教學中的應用

通信原理課程采用語音作為應用實例，是因為首先現(xiàn)代通信系統(tǒng)中的信源雖然有不同的形式如聲音、圖像、文字等，但人類社會中的語音顯然是最常見的傳輸最多的聲音信號；其次語音信號易于獲取，每位同學都可以將自身語音信號作為被傳輸對象進行分析，這可以在很大程度上激發(fā)同學們的學習主動性和積極性[11-13]。音頻通信尤其是語音通信是人類社會必然涉及到的一類通信系統(tǒng)，語音是人類互通信息的主要方式之一。

通信原理課程主要討論了通信過程中涉及到的基本原理和基本方法，根據(jù)信道中傳輸信號不同分為模擬通信系統(tǒng)和數(shù)字通信系統(tǒng)，考慮到數(shù)字信號的抗干擾性能，數(shù)字通信系統(tǒng)應用更為普及。數(shù)字通信系統(tǒng)中，信源為數(shù)字信號，而日常生活中大部分信源如語音信號為連續(xù)變化的模擬信號。那么要實現(xiàn)模擬信號在數(shù)字系統(tǒng)中的傳輸，必須在發(fā)送端將模擬信號數(shù)字化經(jīng)信道傳輸后再在接收端進行逆變換。對于能實現(xiàn)遠距離傳輸?shù)臄?shù)字通信又必然會涉及信道編碼等技術。本文以語音信號的數(shù)字化傳輸為例，案例涉及模擬信號的數(shù)字化轉換及數(shù)字信號信道編碼等技術，以尋求理論與實際應用相結合，探索通信原理課程實例教學的改革方法。

2 脈沖編碼調制原理

脈沖編碼調制( Pulse Code Modulation，PCM)是把一個取值連續(xù)的模擬信號變換成時間離散、取值離散的數(shù)字信號在信道中傳輸?shù)倪^程，經(jīng)由抽樣、量化和編碼3個過程完成，信號接收端再通過譯碼器和低通濾波器還原出原始信號[1]。所謂抽樣，就是對模擬信號進行周期性掃描，把時間上連續(xù)的信號變成時間上離散的信號。抽樣后模擬信號要經(jīng)過量化編碼才能成為數(shù)字信號。通常采用的非均勻量化是將抽樣值壓縮后再進行均勻量化，廣泛采用的兩種對數(shù)壓縮律是μ壓縮律和A壓縮律。美國采用μ壓縮律，我國和歐洲各國采用A壓縮律，因此，PCM編碼采用的也是A壓縮律。編碼是把量化后的信號變換成二進制數(shù)字信號的過程，其相反的過程稱為譯碼。

語音信號數(shù)字化傳輸中所涉及的模數(shù)轉換其核心是PCM編碼技術，PCM編碼也是通信原理課程教學的重點和難點之一[14-16]?；谏鲜隹紤]，設計了語音信號的PCM編譯碼數(shù)字化傳輸實例。實例設計中使用Simulink進行仿真，立體呈現(xiàn)語音信號通信過程，對比收發(fā)兩端語音信號的變化并分析。

3 基于Simulink仿真的語音數(shù)字傳輸實例

基于Simulink的語音數(shù)字傳輸實例采用錄制的語音信號作為信號源，語音數(shù)字傳輸過程如圖1所示，需要依次經(jīng)過PCM編碼、Hamming編碼、信道、Hamming譯碼、PCM譯碼和低通濾波。其中PCM編碼是信源編碼，Hamming編碼是信道編碼。

圖1 語音數(shù)字傳輸實例設計框圖

3.1 語音導入導出

課堂授課時現(xiàn)場錄制語音，讓學生觀察音頻信號時頻波形并回放聲音，原始語音信號時頻波形如圖2所示。錄制的是一段持續(xù)時間為5 s的英文，信號采樣頻率為22.05 kHz?？梢岳煤瘮?shù)from wave file 將錄制的語音文件導入到Simulink仿真系統(tǒng)中。在接收端，可以使用To Audio Device 功能模塊播放聲音信號，直觀地感受語音信號數(shù)字化傳輸效果。

圖2 原始語音信號時域/頻域波形

3.2 語音數(shù)字傳輸實例設計

課前完成語音數(shù)字傳輸系統(tǒng)的設計，傳輸系統(tǒng)仿真模型如圖3所示，采用單頻正弦信號進行仿真驗證。課程授課時，直接將上述錄制的音頻文件導入到系統(tǒng)中進行仿真。

圖4和圖5中，第1行是發(fā)送端語音信號波形，第2行是經(jīng)過數(shù)字化傳輸后接收端信號波形。接受端采用了巴特沃斯低通濾波器，一定程度上濾除了噪聲的影響。但當信道中有噪聲時，接收端信號仍會受到噪聲影響。仿真系統(tǒng)使用了To Audio Device可以直接播放語音信號，更為形象地判斷音頻信號的傳輸質量。

可以通過設置參數(shù)Error probability調節(jié)信道特性，圖6中參數(shù)Error probability設置為0，即為理想信道沒有加性噪聲。表1所示是誤碼率與參數(shù)Error probability關系表，實驗表明系統(tǒng)誤碼率隨參數(shù)Error probability值的增大而增大。

圖3 語音信號數(shù)字傳輸系統(tǒng)仿真模型

圖4 理想信道時系統(tǒng)收發(fā)兩端信號波形

圖5 非理想信道時系統(tǒng)收發(fā)兩端信號波形

圖6 二進制對稱信道參數(shù)調節(jié)框

圖7、8所示是系統(tǒng)的PCM編碼信號，PCM編碼輸出8位為1幀，結合系統(tǒng)時鐘即可讀出信號數(shù)據(jù)。顯而易見，PCM編碼是單極性非歸零基帶信號。結合圖4到圖8，顯然PCM編碼將模擬語音信號轉換為了數(shù)字信號，而通過接收端的譯碼，最后又得到了模擬音頻信號，成功實現(xiàn)了語音信號的數(shù)字化傳輸。

表1 誤碼率與參數(shù)Error probability關系表

圖7 部分PCM編碼放大效果圖

圖8 部分PCM編碼

下面簡要分析PCM編碼器和PCM譯碼器的設計過程。

(1) PCM編碼器設計。PCM編碼器仿真模型如圖9所示。其中零階保持器對輸入語音信號進行平頂抽樣。限幅器將抽樣后信號幅度值限制在[-1,1]范圍內。A-Law Compressor為13折線A律壓縮器，由通信原理基本知識知其參數(shù)應設置為87.6。比較器模塊的門限值設為0，其輸出為PCM編碼的最高位極性碼。取絕對值壓縮后的信號數(shù)值，用增益模塊將樣值放大到0～127的范圍內，然后用間隔為1的量化器進行四舍五入取整，最后編碼為7位二進制序列，作為PCM編碼的低7位送入復用器。復用器將輸入的多路信號合成一路8位信號，最高位為8位二進制數(shù)的極性碼。

圖9 PCM編碼器仿真模型

該部分內容及相關參數(shù)的調節(jié)涉及到了PCM的抽樣、壓縮量化和編碼3個過程的知識點，通過相關功能模塊參數(shù)的調節(jié)，可以使學生更為深入的理解編碼原理。

(2) PCM譯碼器設計。PCM譯碼是編碼的逆過程，其仿真模型如圖10所示。涉及到的模塊功能與PCM編碼器中對應模塊實現(xiàn)的功能是相逆的，故不再贅述。乘法器，作用是將輸入的信號相乘，模擬濾波器的設計采用了巴特沃斯低通濾波器。

圖10 PCM譯碼器仿真模型

通過課堂現(xiàn)場調節(jié)PCM編譯碼器參數(shù)，可以使學生更為直觀地掌握PCM原理和編譯碼方法，同時也進一步學習了Simulink仿真軟件。

4 結 語

語音通信實例仿真設計有利于發(fā)揮學生學習通信原理課程的主動性與創(chuàng)造性，學生可以更為直觀地了解PCM編碼和譯碼過程，觀察模擬信號數(shù)字化傳輸過程中的關鍵點波形，了解信號傳輸過程中的變化。將語音實例的通信過程引入到通信原理課程教學中，能帶動通信原理課程教學內容的改革，有效地彌補通信原理課程實例的不足，提高學生的學習積極性和能動性。