第4章-基于SIMULINK的PCM編碼與解碼

論文題目：基于Simulink的PCM編碼與解碼的研究設計總體框架研究的背景及目的SIMULINK工具介紹PCM系統(tǒng)的基本原理PCM系統(tǒng)仿真實現(xiàn)結論PCM是英國人A.里弗斯在1937年提出的，這一概念后來為數(shù)字通信奠定了基礎，60年代為了擴充信息容量，它開始應用于市內電話網(wǎng)，使已有音頻電纜的大部分芯線的傳輸容量擴大了24～48倍。到了70年代中、末期，各國相繼把PCM成功地應用于衛(wèi)星通信、微波接力通信、同軸電纜通信和光纖通信等中、大容量傳輸系統(tǒng)。80年代初，市話中繼傳輸和大容量干線傳輸以及數(shù)字程控交換機以及用戶話機中采用了PCM技術。本設計是利用MATLAB集成環(huán)境下的Simulink仿真平臺，研究設計的PCM通信系統(tǒng)。PCM系統(tǒng)主要包括模擬信號的數(shù)字化、信道傳輸和數(shù)字信號還原模擬信號三部分，最后觀察輸入信號和輸出信號的波形，加上含有噪聲的信道，最后運行結果并通過波形來分析該系統(tǒng)的性能。研究的背景及目的脈沖編碼調制(PCM)“防失真濾波器”是一個低通濾波器，用來濾除聲音頻帶以外的信號；“波形編碼器”可暫時理解為“采樣器”；“量化器”可理解為“量化階大小(step-size)”生成器或者稱為“量化間隔”生成器。PCM編碼框圖聲音數(shù)字化有兩個步驟：第一步是采樣，就是每隔一段時間間隔讀一次聲音的幅度；第二步是量化，就是把采樣得到的聲音信號幅度轉換成數(shù)字值。但那時并沒有涉及如何進行量化。量化有好幾種方法，但可歸納成兩類：一類稱為均勻量化，另一類稱為非均勻量化。采用的量化方法不同，量化后的數(shù)據(jù)量也就不同。因此，可以說量化也是一種壓縮數(shù)據(jù)的方法。均勻量化采用相等的量化間隔對采樣得到的信號作量化，那么這種量化稱為均勻量化。均勻量化就是采用相同的“等分尺”來度量采樣得到的幅度，也稱為線性量化量化后的樣本值Y和原始值X的差E=Y-X稱為量化誤差或量化噪聲非均勻量化非線性量化：對輸入信號進行量化時，大的輸入信號采用大的量化間隔，小的輸入信號采用小的量化間隔。這樣就可以在滿足精度要求的情況下用較少的位數(shù)來表示。聲音數(shù)據(jù)還原時，采用相同的規(guī)則。在非線性量化中，采樣輸入信號幅度和量化輸出數(shù)據(jù)之間定義了兩種對應關系，一種稱為m

律壓擴(companding)算法，另一種稱為A律壓擴算法。采樣頻率為8kHz，樣本精度為13位、14位或者16位的輸入信號，使用m

律壓擴編碼或者使用A律壓擴編碼，經(jīng)過PCM編碼器之后每個樣本的精度為8位，輸出的數(shù)據(jù)率為64kb/s。這就是CCITT推薦的G.711標準。m

律壓擴和A律壓擴m

律壓擴：北美和日本等地區(qū)13位PCM編碼轉換城8位。A律壓擴歐洲和中國大陸等地區(qū)，14位PCM編碼轉換城8位輸出信號均為64Kb/sPCM在通信中的應用提高線路利用率通常用下面兩種方法頻分多路復用

:把傳輸信道的頻帶分成好幾個窄帶，每個窄帶傳送一路信號。例如，一個信道的頻帶為1400Hz，把這個信道分成4個子信道(subchannels)：820～990Hz,1230～1400Hz,1640～1810Hz和2050～2220Hz，相鄰子信道間相距240Hz，用于確保子信道之間不相互干擾。每對用戶僅占用其中的一個子信道。這是模擬載波通信的主要手段。時分多路復用:把傳輸信道按時間來分割，為每個用戶指定一個時間間隔，每個間隔里傳輸信號的一部分，這樣就可以使許多用戶同時使用一條傳輸線路。這是數(shù)字通信的主要手段。例如，話音信號的采樣頻率f＝8000Hz，它的采樣周期＝125ms，這個時間稱為1幀(frame)。在這個時間里可容納的話路數(shù)有兩種規(guī)格：24路制和30路制。PCM在通信中的應用PCM在通信中的應用24路制的重要參數(shù)如下：每秒鐘傳送8000幀，每幀125ms。12幀組成1復幀(用于同步)。每幀由24個時間片(信道)和1位同步位組成。每個信道每次傳送8位代碼，1幀有24×8＋1＝193位(位)。數(shù)據(jù)傳輸率R＝8000×193＝1544kb/s。每一個話路的數(shù)據(jù)傳輸率＝8000×8=64kb/s。30路制的重要參數(shù)如下：每秒鐘傳送8000幀，每幀125ms。16幀組成1復幀(用于同步)。每幀由32個時間片(信道)組成。每個信道每次傳送8位代碼。數(shù)據(jù)傳輸率：R＝8000×32×8＝2048kb/s。每一個話路的數(shù)據(jù)傳輸率＝8000×8=64kb/s。PCM在通信中的應用PCM信號復用的復雜程度，通常用“群(group)”表示一次群(基群)的30路(或24路),北美叫做T1遠距離數(shù)字通信線，在歐洲叫做E1遠距離數(shù)字通信線和E1等級。二次群的120路(或96路)三次群的480路(或384路)數(shù)字網(wǎng)絡等級T1/E1T2/E2T3/E3T4/E4T5/E5美國64kb/s話路數(shù)24966724.32總傳輸率(Mb/s)1.5446.51244.736274.176數(shù)字網(wǎng)絡等級12345歐洲64kb/s話路數(shù)3012048019207680總傳輸率(Mb/s)2.0488.44834.368139.2645600日本64kb/s話路數(shù)24964801440總傳輸率(Mb/s)1.5446.31232.06497.728表3-02多次復用的數(shù)據(jù)傳輸率預測編碼預測編碼(PredictionCoding)：是指利用前面的一個或多個信號對下一個信號進行預測，然后對實際值和預測值的差進行編碼。兩種典型的預測編碼：差分脈碼調制（DPCM）自適應差分脈碼調制（ADPCM）DPCMDPCM編碼,簡稱差值編碼，是對模擬信號幅度抽樣的差值進行量化編碼的調制方式(抽樣差值的含義請參見“增量調制”)。原始的模擬信號經(jīng)過時間采樣，然后對每一樣值進行量化，作為數(shù)字信號傳輸。這種方式是用已經(jīng)過去的抽樣值來預測當前的抽樣值，對它們的差值進行編碼。差值編碼可以提高編碼頻率，這種技術已應用于模擬信號的數(shù)字通信之中。

差分脈碼調制(DPCM)DPCM不對每一樣值都進行量化，而是預測下一樣值，并量化實際值和預測值之間的差。DPCM是基本的編碼方法之一，在大量的壓縮算法中被采用，比如JPEG的DC分量就是采用DPCM編碼的。舉例說明DPCM編碼原理：

設DPCM系統(tǒng)預測器的預測值為前一個樣值，假設輸入信號已經(jīng)量化，差值不再進行量化。若系統(tǒng)的輸入為{0121123344…}，則預測值為{0012112334…}，差值為{011–1011010…}，差值的范圍比輸入樣值的范圍有所減小，可以用較少的位數(shù)進行編碼。DPCM對于有些信號(例如圖像信號)由于信號的瞬時斜率比較大，很容易引起過載，因此，不能用簡單增量調制進行編碼，除此之外，這類信號也沒有像話音信號那種音節(jié)特性，因而也不能采用像音節(jié)壓擴那樣的方法，只能采用瞬時壓擴的方法。但瞬時壓擴實現(xiàn)起來比較困難，因此，對于這類瞬時斜率比較大的信號，通常采用一種綜合了增量調制和脈沖編碼調制兩者特點的調制方法進行編碼，這種編碼方式被簡稱為脈碼增量調制，或稱差值脈碼調制，用DPCM表示。DPCM這種調制方式的主要特點是把增量值分為個等級，然后把個不同等級的增量值編為位二進制代碼()再送到信道傳輸，因此，它兼有增量調制和PCM的各自特點。設這個誤差電壓經(jīng)過量化后變?yōu)閭€電平中的一個，電平間隔可以相等，也可以不等，這里認為它是間隔相等的均勻量化。量化了的誤差電壓經(jīng)過脈沖調制器變?yōu)镻AM脈沖序列，這個PAM信號一方面經(jīng)過PAM編碼器編碼后得到DPCM信號發(fā)送出去。另一方面把它經(jīng)過積分器后變?yōu)榕c輸入信號x(t)進行比較，通過相減器得到誤差電壓e(t)。

DPCM實驗表明，經(jīng)過DPCM調制后的信號，其傳輸?shù)谋忍芈室萈CM的低，相應要求的系統(tǒng)傳輸帶寬也大大地減小了。此外，在相同比特速率條件下，DPCM比PCM信噪比也有很大的改善。與ΔM相比，由于它增多了量化級，因此，在改善量化噪聲方面優(yōu)于ΔM系統(tǒng)。DPCM的缺點是易受到傳輸線路上噪聲的干擾，在抑制信道噪聲方面不如ΔM。ADPCMAdpcm是自適應差分脈沖編碼調制的簡稱，最早使用于數(shù)字通信系統(tǒng)中。該算法利用了語音信號樣點間的相關性，并針對語音信號的非平穩(wěn)特點，使用了自適應預測和自適應量化，在32kbps◎8khz速率上能夠給出網(wǎng)絡等級話音質量。ADPCM為了進一步改善量化性能或壓縮數(shù)據(jù)率，可采用自適應量化或自適應預測的方法。只要采用了其中的任一種自適應方法，均稱為ADPCM。自適應預測：預測參數(shù)的最佳化依賴于信源的統(tǒng)計特性，要得到最佳的預測參數(shù)是一件繁瑣的工作。而采用固定的預測參數(shù)往往又得不到好的性能。為了既能使性能較佳，又不致于有太大的工作量，可以將上述兩種方法折衷考慮，采用自適應預測ADPCM現(xiàn)在我們使用的是IMAADPCM算法，該算法中對量化步長的調整使用了簡單的查表方法，對于一個輸入的PCM值X(n)，將其與前一時刻的X(n-1)預測值做差值得到d(n)，然后根據(jù)當前的量化步長對d(n)進行編碼，再用此sample點的編碼值調整量化步長，同時還要得到當前sample點的預測值供下一sample點編碼使用。通過此算法可將樣點編碼成4bit的碼流，一個符號位和三個幅度位。ADPCM該算法較簡單，通過查表簡化了運算。對于編碼后的數(shù)據(jù)我們采用了wav文件格式，該格式對編碼后的數(shù)據(jù)流進行了包裝，由文件頭和數(shù)據(jù)碼流組成，文件頭中指出了音頻數(shù)據(jù)所采用格式、采樣率、比特率、塊長度、比特數(shù)及聲道數(shù)等信息。數(shù)據(jù)碼流以塊為單位，塊頭指出了該塊起始的預測值和index值，碼流中每byte的高四位和低四位分別對應一個PCM。當前該算法以其簡單實用的特點廣泛應用到數(shù)字音樂盒和數(shù)字錄音筆中。自適應差分脈碼調制(ADPCM)具體方法是：預測參數(shù)仍采用固定的；但此時有多組預測參數(shù)可供選擇。這些預測參數(shù)根據(jù)常見的信源特征求得。編碼時具體采用哪組預測參數(shù)根據(jù)信源的特征來自適應的確定。為了自適應地選擇最佳參數(shù)，通常將信源數(shù)據(jù)分區(qū)間編碼，編碼時自動地選擇一組預測參數(shù)，使該區(qū)間實際值與預測值的均方誤差最小。隨著編碼區(qū)間的不同，預測參數(shù)自適應的變化，以達到準最佳預測。自適應量化：根據(jù)信號分布不均勻的特點，系統(tǒng)具有隨輸入信號的變化而改變量化區(qū)間大小,以保持輸入給量化器的信號基本均勻的能力，這種能力稱為自適應量化。

例如，Microsoft的ADPCM采用二預測參數(shù)，提供7組預測系數(shù)，如右表所示。編碼時，根據(jù)選定的準則(如最小均方誤差準則)，每個編碼區(qū)間自動地選取一組最佳的參數(shù)。系數(shù)集系數(shù)1系數(shù)2025601512-256200319264424005460-2086392-232

Simulink是MATLAB軟件最重要的組件之一，它提供一個動態(tài)系統(tǒng)建模、仿真和綜合分析的集成環(huán)境。在該環(huán)境中，無需大量書寫程序，而只需要通過簡單直觀的鼠標操作，就可以構造出復雜的系統(tǒng)。Simulink具有適應面廣、結構和流程清晰及效率高、仿真精細、貼近實際、靈活等優(yōu)點，并基于以上優(yōu)點Simulink已被廣泛應用與控制理論和數(shù)字信號處理的復雜仿真和設計。同時有大量的第三方軟件和硬件可應用于或被要求應用于Simulink。Simulink的介紹PCM系統(tǒng)的基本原理

在通信系統(tǒng)中完成將語音信號數(shù)字化功能。PCM的實現(xiàn)主要包括三個步驟完成：抽樣、量化、編碼。分別完成信號在時間上的離散、信號在幅度上的離散、及量化后信號的二進制表示。根據(jù)CCITT的建議，為改善小信號量化性能，采用壓擴非均勻量化，有兩種建議方式，分別為A律和μ律方式，我國采用了A律方式，由于A律壓縮實現(xiàn)復雜，常使用13折線法編碼,采用非均勻量化PCM原理示意圖見圖1。圖1PCM原理框圖PCM系統(tǒng)仿真實現(xiàn)