系统原理及方案选择
2.1 语音编码
2.1.1 语音编码概述
语音编码作为一种技术已经存在六十多年了。它的研究源于二是世纪三十年代末，贝尔实验室的Dudley研制成功的声码器。这种声码器为减少语音信号中存在的冗余，打破了语音信号原有的内部结构，以提取负载信息的参量加以传输，并用这些参量在接收端重新合成语音。目前，语音编码的目标是提供一种压缩技术以应对AT&T网络上持续增长的语音数据量。但由于微波系统和后来的光纤传输系统的发展，语音编码的最初需求并未成真。近年来，随着无线和voiceover IP系统的快速增长，语音编码技术又重新得到了快速发展，在国际标准化工作中堪称最活跃的领域之一。
2.1.2 语音编码的原理及方案选择
在本设计中，我们有三种算法可供选择，下面我们先对这三种算法进行分析。
传统的语音编码算法可以分为两大类：波形编码和参数编码。
波形编码将语音信号作为一般的波形信号来处理，它力图使重建语音波形保持原语音信号的波形形状，具有适应能力强、语音质量好等优点，但是压缩能力差，编码速率高，如脉冲编码调制（PCM）、自适应差分脉冲编码调制（ADPCM）、增量调制（ΔM）等均属于波形编码，它们在64~16kb/s的速率上能给出高的编码质量，但编码速率进一步降低时，其性能迅速下降[1]。
参数编码的基础是把语音信号看成是某个模型在一定激励作用下产生的输出，通过对激励源和模型的参数的提取及编码，力图使重建信号具有尽可能高的可懂度，而重建信号的波形同原语音信号的波形可能会有相当大的差别。参数编码的优点是编码速率低，可以低到2.4kb/s以下，但合成语音的质量较差，自然度较低，对背景噪声的坚韧性较小。各种声码器（Vocoder），如通道声码器、共振蜂声码器以及先行预测声码器都是参数编码器[1]。
八十年代以来，语音编码技术迅猛发展，又产生了新一代的编码算法—波形参数混合编码。这类算法克服了原有波形和参数算法的弱点，结合了它们各自的长处，采用矢量量化、感性加权和合成分析等技术，在4.8~16kb/s的速率上能够得到较高质量的合成语音。码激励线形预测编码算法（CELP）、多脉冲激励线形预测编码算法（MPE-LPC）、规则脉冲激励—长时预测—线形预测编码算法（RPE-LTP-LPC，即GSM系统采用的编码算法）、矢量和激励线形预测编码算法（VSELP）等都属于这类混合编码算法[1]。
本次设计中的语音信号在编码过程中不需要进行压缩，并且要求编码的速率高，要使重建语音波形保持原语音信号的波形形状，综合对比以上三种算法，在本次设计中采用波形编码的算法进行编码。在前面提到脉冲编码调制（PCM）、自适应差分脉冲编码调制（ADPCM）、增量调制（ΔM）等均属于波形编码，下面就对各种波形编码方式进行具体的分析，如下：
（1）脉冲编码调制（PCM）
脉冲编码调制简称脉码调制，它是一种将模拟语音信号变换成数字信号的编码方式。
PCM主要包括抽样、量化和编码三个过程。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且幅度上连续的信号。该模拟信号经过抽样后还应当包含原信号中所有信息，也就是说能无失真的恢复原模拟信号。它的抽样速率的下限是由抽样定理确定的。所谓量化，就是把经过抽样得到的瞬时值将其幅度离散，即用一组规定的电平，把瞬时抽样值用最接近的电平值来表示。一个模拟信号经过抽样量化后，得到已量化的脉冲幅度调制信号，它仅为有限个数值。所谓编码，就是用一组二进制码组来表示每一个有固定电平的量化值。然而，实际上量化是在编码过程中同时完成的。国际标准化的PCM码组（电话语音）是八位码组代表一个抽样值。从通信的调制概念来看，可以认为PCM编码过程是模拟信号调制一个二进制脉冲序列，载波是一个脉冲序列，调制改变脉冲序列的有无或“1”，“0”，所以PCM称为脉冲编码调制[2]。
（2）自适应差分脉冲编码调制（ADPCM）
ADPCM是在DPCM基础上逐步发展起来的。ADPCM的主要改进是在量化器与预测器均采用自适应方式，既量化器与预测器的参数能根据输入信号的统计特性自适应于最佳或接近最佳参数状态。与PCM相比，ADPCM的数码率更低，传输占用的频带更窄[2]。
多年来大量研究表明，自适应差分脉冲编码调制（ADPCM）是语音压缩编码中复杂度较低的一种方法，它能在32kb/s数码率上达到符合64kb/s数码率的语音质量要求，也就是符号长途电话的质量要求。应当指出，ADPCM编码方法在更低的数码率（如16kb/s—8kb/s等）上应用时，其语音质量明显下降，不能达到高质量通信系统要求。但它可和其他语音编码方法组合起来，达到较高的质量[2]。
（3）增量调制（ΔM）
ΔM增量调制，是继PCM后出现的又一种模拟信号数字化方法。其目的在于简化模拟信号的数字化方法。因为在PCM方式中，如果为了降低量化噪声，提高转换精度，就要增加量化电平数(即位数)，因而每个码组所需要的码元数就要增加。这样，传输信号所需要的频带就较宽，又要增加设备的复杂程度[2]。
ΔM也可以看作是PCM的一种特例。它只用一位编码，但这一位编码不是用来表示信号抽样值的大小，而是表示抽样时刻波形变化的趋向，这是ΔM与PCM的本质区别。
增量调制获得应用的主要原因是：
（a）在比特率较低时，增量调制的量化信噪比高于PCM；
（b）增量调制的抗误码性能好。能工作误比特率为 ~ 的信道，而PCM则要求误比特率为 ~ ；
（c）增量调制的编译码器比PCM简单[2]。
表2-1给出了几种编码方法及相应的传输速率与最小带宽要求。
表2-1 各种语音编码方法
编码方法 传输速率（kb/s） 最小基带带宽（kHz） 质量
PCM 64 32 长途电话质量
ADPCM 32 16 长途电话质量
ΔM 32 16 通信质量
综上所述，可见ADPCM和ΔM比PCM在调制方法、传输速率、传输带宽以及抗误码性能上面都有较大的优势，在实际应用中也较多的被采用。但是根据手中的资料，同时综合考虑个方面的因素和实验室的资源，并且PCM是信源编码的基础，ADPCM和ΔM都是在PCM的基础上发展起来的，再加上由于设计时间的关系，所以在选择设计方案时，采取了PCM的编码方式。PCM的原理框图如图2-1所示。
图2-1 PCM原理图
2.1.3 波形编码器的客观质量测度
PCM、ADPCM等波形编码器的性能只需通过某种信噪比（Signal-to-Noise Ratio，SNR）的形式度量即可。起具体形式有：
信噪比（SNR）：如果原始语音学为x[n]，合成语音为y[n]，信噪比定义为：
（2-1）
分段平均信噪比（Segmental Signal-to-Noise Ration，SSNR）：这是对传统信噪比的一个改进，适用于语音这种非平稳信号。分段平均信噪比（SSNR）的定义为：
（2-2）
也就是说，它是以帧为单位将信噪比取平均值所得到的结果。性能不好的编码器通常不能很好的处理能量帧，使用SSNR测度，这些帧的SNR就会很低。但是使用传统的SNR就会将低能量帧的缺陷掩盖，这是因为传统SNR的结果主要由高能量区域的编码效果决定。SSNR测度能够揭示出低能量帧的性能，因此是一个更具主观意义的参数。
2.2 扩频通信
2.2.1 扩频通信的基本概念
（1）扩频通信的定义
所谓扩频通信，就是一种信息传输方式，其信号所占有的频带宽度远大于所传信息必需的最小带宽；频带的扩展是通过一个独立的码序列来完成，用编码及调制的方法来实现的，与所传信息数据无关；在接收端则用同样的码进行相关同步接收、解扩及恢复所传信息数据[3]。这一定义包含了以下三方面的意思：
（a）信号的频谱被展宽了；
（b）采用扩频码序列调制的方式来展宽信号频谱；
（c）在接收端用相关解调来解扩。
（2）扩频通信的理论基础
在Shannon和Hartley信道容量定理中可以明显看出频谱扩展的作用：
（2-3）
式中：C是信道容量、单位为比特每秒(bps)，它是在理论上可接受的误码率(BER)下所允许的最大数据速率；B是要求的信道带宽，单位是Hz；S/N是信噪比。C表示通信信道所允许的信息量，也表示了所希望得到的性能，带宽B则是付出的代价，因为频率是一种有限的资源，S/N表示周围的环境或者物理特性(障碍物、干扰发射台、冲突等)。用于恶劣环境(噪声和干扰导致极低的信噪比)时，从上式可以看出：需要提高信号带宽（B)来维持或提高通信的性能,甚至于信号的功率可以低于噪声基底[4]。
修改上述公式的对数基底可得：
（2-4）
应用MacLaurin级数：
（2-5）
（2-6）
在扩频技术应用中，信噪比较低(正如以上所提到的，信号功率甚至可以低于噪声基底)。假定较大的噪声使信噪比远远小于1( )，则Shannon表示式近似为：
（2-7）
可进一步简化为：
（2-8）
在信道中对于给定的信噪比要无差错发射信息，我们仅仅需要提高发射的带宽。这个原理似乎简单、明了，但是由于对基带扩频(扩展到一个非常大的量级)的同时还需要相应的解扩处理，具体实现起来将非常复杂。
（3）扩频通信的主要性能指标
扩频通信系统有两个重要的性能指标分别是：处理增益和抗干扰容限。
（a）处理增益G也称扩频增益(Spreading Gain)
它定义为频谱扩展前的信息带宽DF与频带扩展后的信号带宽B之比：
（2-9）
在扩频通信系统中．接收机作扩频解调后，只提取伪随机编码相关处理后的带宽为DF 的信息，而排除掉宽频带B中的外部干扰、噪音和其地用户的通信影响。因此，处理增益G反映了扩频通信系统信噪比改善的程度。
（b）抗干扰容限是指扩频通信系统能在多大干扰环境下正常工作的能力，定义为：
（2-10）
其中：
Mj—抗干扰容
G—处理增益
(S／N)out—信息数据被正确解调而要求的最小输出信噪比
Ls—接收系统的工作损耗
（4）扩频通信的优势
扩频通信的特点是具有常规通信体制所不具备的许多优势：
（a）扩频通信具有消息隐藏性、低截获概率和抗干扰等性能，对军事通信有很大应用潜力。国外军事通信已经装备使用HF、VHF和UHF频段的跳频电台，直接序列扩频电台也开始进入实用阶段[3]。
（b）利用不同的预定扩频码（地址码）序列，可以在相同频段实现码分多址（CDMA）和选址通信，在卫星通信和室内有线、无线通信中得到使用[3]。
（c）直接序列扩频信号具有同距离无关的高分辨率测距能力，在全球定位系统（GPS）和深空探测中得到应用[3]。
