强干扰环境下数字语音通信系统的设计与研究

摘要

语音通信系统中较强的噪声干扰则会严重干扰通信系统中的语音信号,降低语音通信系统的性能,破坏语音通话的质量。因此在一些高噪声、高电磁干扰、高危作业区等环境(如:矿山、民用爆破地等)中,要进行正常、有效语音通信,就更需要一些有效地抗干扰、降噪的数字通信技术,提取出可用的语音信号,实现可靠而有效的语音通信。
　　本文针对矿山等这类噪声干扰较严重,传输线体系老旧,无线通信传输无法实现正常通信的恶劣环境进行研究。结合能实现有效抗干扰、降噪的数字通信技术,从充分利用原有传输线资源,节约经济的角度,对这类强干扰环境中实现有效通信的数字语音通信系统进行设计与研究。因此本文采用传输速率高,且具有非线性量化特性,能有效改善语音信号量噪比的PCM(Pulse-code modulation)传输技术,结合在抗干扰能力方面占有相对优势,对噪声干扰起到了一定抑制作用的DPSK(Differential Phase Shift Keying)调制与解调技术,及专门对噪声干扰进行滤除的FIR滤波及自适应滤波技术等抗干扰降噪技术进行数字语音通信系统的设计。同时,在PCM传输技术中穿插使用了保证数字语音信号可靠性和有效性传输的同步技术(位同步、帧同步)及时分复用技术,并对每项技术进行了单独的电路模块设计。系统设计过程中为了减小逻辑门设计电路带来的低可靠性、消耗功耗大等不足,本文采用在设计方面具有更多灵活性,且易实现数字语音信号高速有效性处理的数字信号处理芯片 DSP(Digital signal processor)及FPGA(Field-Programmable Gate Array)技术来辅助完成本文中部分模块的设计。如本文接收端帧同步模块的完成即是借助QuartusⅡ软件平台,利用图形与文本相结合的描述方式,对帧同步信号进行系统设计验证,并最终烧载到FPGA芯片(EPM7128SLC84)上实现。同时本文针对强干扰环境中背景噪声较严重,且混合了恒频干扰噪声,利用MATLAB软件平台辅助设计,确定最优滤波参数并验证所需的滤波器性能,最终在 DSP硬件平台上实现80阶FIR低通滤波器设计,实现对语音信号带中混合的带外高频和干扰信号进行滤除。并在此基础上通过MATLAB软件仿真和DSP(TMS320C5509)平台上对基于固定步长LMS(Least mean square)算法和基于抽样函数实现的变步长LMS自适应滤波器性能进行对比研究,最终确定去噪能力更好、语音增强效果更佳的基于抽样函数变步长 LMS算法实现的自适应噪声抵消器作为本文最后的降噪抗干扰语音增强模块,实现滤除语音信号中的恒频干扰信号及其它干扰,提取出可用语音信号的目的。最后综合考虑节约硬件资源,提高经济效益,本文在DSP平台上完成简易二四线转换电路的设计。
　　通过本文基于软件模拟与硬件设计结合的思想完成了强干扰环境下数字语音通信系统的设计,并对其中个别模块的性能进行了优化研究实现。最终测试结果表明,本文所设计系统在强干扰环境中能实现有效的语音通信,达到了预期的研究目标,实测结果表明,本文所设计系统个别指标相较现行一些系统略有提高,具有一定的实用参考价值。

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表清单

1 绪论

1.1 课题研究背景及研究意义

1.2 课题目的和任务

1.3 本课题中需要解决的问题

1.4 课题研究内容和章节安排

2 抗干扰数字通信技术的设计原理

2.1 通信系统基本构成

2.2 PCM传输技术

2.3 2DPSK调制与解调器原理

2.4 数字滤波器原理

2.5 本章小结

3 强干扰环境下数字语音通信系统硬件电路的设计与实现

3.1 抗干扰数字语音通信系统结构

3.2 发送端模块的硬件电路设计与实现

3.3 接收端模块硬件电路的设计与实现

3.4 电源模块的实现

3.5 本章小结

4 抗干扰数字滤波模块及二四线转换模块的DSP设计与实现

4.1 TMS320C5509DSP开发平台与开发环境

4.2 强干扰环境下FIR数字低通滤波器的设计与实现

4.3 强干扰环境下自适应噪声抵消器设计与实现

4.4 二四线转换模块的DSP实现

4.5 本章小结

5 系统硬件测试结果及分析

6 总结与展望

6.1 总结

6.2 展望

参考文献

附录