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(shè)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(jié)論P(yáng)CM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(chǔ)，60年代為了擴(kuò)充信息容量，它開始應(yīng)用于市內(nèi)電話網(wǎng)，使已有音頻電纜的大部分芯線的傳輸容量擴(kuò)大了24～48倍。到了70年代中、末期，各國相繼把PCM成功地應(yīng)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(jī)以及用戶話機(jī)中采用了PCM技術(shù)。本設(shè)計是利用MATLAB集成環(huán)境下的Simulink仿真平臺，研究設(shè)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(yùn)行結(jié)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(diào)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(zhuǎn)換成數(shù)字值。但那時并沒有涉及如何進(jìn)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(jìn)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(yīng)關(guān)系，一種稱為m

律壓擴(kuò)(companding)算法，另一種稱為A律壓擴(kuò)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(kuò)編碼或者使用A律壓擴(kuò)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(biāo)準(zhǔn)。m

律壓擴(kuò)和A律壓擴(kuò)m

律壓擴(kuò)：北美和日本等地區(qū)13位PCM編碼轉(zhuǎn)換城8位。A律壓擴(kuò)歐洲和中國大陸等地區(qū)，14位PCM編碼轉(zhuǎn)換城8位輸出信號均為64Kb/sPCM在通信中的應(yīng)用提高線路利用率通常用下面兩種方法頻分多路復(fù)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(fù)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(yīng)用PCM在通信中的應(yīng)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(fù)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(fù)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(yīng)用PCM信號復(fù)用的復(fù)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(yuǎn)距離數(shù)字通信線，在歐洲叫做E1遠(yuǎn)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(luò)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(luò)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(fù)用的數(shù)據(jù)傳輸率預(yù)測編碼預(yù)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(jìn)行預(yù)測，然后對實際值和預(yù)測值的差進(jìn)行編碼。兩種典型的預(yù)測編碼：差分脈碼調(diào)制（DPCM）自適應(yīng)差分脈碼調(diào)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(jìn)行量化編碼的調(diào)制方式(抽樣差值的含義請參見“增量調(diào)制”)。原始的模擬信號經(jīng)過時間采樣，然后對每一樣值進(jìn)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(yù)測當(dāng)前的抽樣值，對它們的差值進(jìn)行編碼。差值編碼可以提高編碼頻率，這種技術(shù)已應(yīng)用于模擬信號的數(shù)字通信之中。

差分脈碼調(diào)制(DPCM)DPCM不對每一樣值都進(jìn)行量化，而是預(yù)測下一樣值，并量化實際值和預(yù)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(shè)DPCM系統(tǒng)預(yù)測器的預(yù)測值為前一個樣值，假設(shè)輸入信號已經(jīng)量化，差值不再進(jìn)行量化。若系統(tǒng)的輸入為{0121123344…}，則預(yù)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(jìn)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(diào)制進(jìn)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(kuò)那樣的方法，只能采用瞬時壓擴(kuò)的方法。但瞬時壓擴(kuò)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(diào)制和脈沖編碼調(diào)制兩者特點(diǎn)的調(diào)制方法進(jìn)行編碼，這種編碼方式被簡稱為脈碼增量調(diào)制，或稱差值脈碼調(diào)制，用DPCM表示。DPCM這種調(diào)制方式的主要特點(diǎn)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(jìn)制代碼()再送到信道傳輸，因此，它兼有增量調(diào)制和PCM的各自特點(diǎn)。設(shè)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(rèn)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(diào)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(jìn)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(diào)制后的信號，其傳輸?shù)谋忍芈室萈CM的低，相應(yīng)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(diǎn)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(yīng)差分脈沖編碼調(diào)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(diǎn)間的相關(guān)性，并針對語音信號的非平穩(wěn)特點(diǎn)，使用了自適應(yīng)預(yù)測和自適應(yīng)量化，在32kbps◎8khz速率上能夠給出網(wǎng)絡(luò)等級話音質(zhì)量。ADPCM為了進(jìn)一步改善量化性能或壓縮數(shù)據(jù)率，可采用自適應(yīng)量化或自適應(yīng)預(yù)測的方法。只要采用了其中的任一種自適應(yīng)方法，均稱為ADPCM。自適應(yīng)預(yù)測：預(yù)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(yù)測參數(shù)是一件繁瑣的工作。而采用固定的預(yù)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(yīng)預(yù)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(diào)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(yù)測值做差值得到d(n)，然后根據(jù)當(dāng)前的量化步長對d(n)進(jìn)行編碼，再用此sample點(diǎn)的編碼值調(diào)整量化步長，同時還要得到當(dāng)前sample點(diǎn)的預(yù)測值供下一sample點(diǎn)編碼使用。通過此算法可將樣點(diǎn)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(yùn)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(jìn)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(yù)測值和index值，碼流中每byte的高四位和低四位分別對應(yīng)一個PCM。當(dāng)前該算法以其簡單實用的特點(diǎn)廣泛應(yīng)用到數(shù)字音樂盒和數(shù)字錄音筆中。自適應(yīng)差分脈碼調(diào)制(ADPCM)具體方法是：預(yù)測參數(shù)仍采用固定的；但此時有多組預(yù)測參數(shù)可供選擇。這些預(yù)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(yù)測參數(shù)根據(jù)信源的特征來自適應(yīng)的確定。為了自適應(yīng)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(yù)測參數(shù)，使該區(qū)間實際值與預(yù)測值的均方誤差最小。隨著編碼區(qū)間的不同，預(yù)測參數(shù)自適應(yīng)的變化，以達(dá)到準(zhǔn)最佳預(yù)測。自適應(yīng)量化：根據(jù)信號分布不均勻的特點(diǎn)，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(yīng)量化。

例如，Microsoft的ADPCM采用二預(yù)測參數(shù)，提供7組預(yù)測系數(shù)，如右表所示。編碼時，根據(jù)選定的準(zhǔn)則(如最小均方誤差準(zhǔn)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(biāo)操作，就可以構(gòu)造出復(fù)雜的系統(tǒng)。Simulink具有適應(yīng)面廣、結(jié)構(gòu)和流程清晰及效率高、仿真精細(xì)、貼近實際、靈活等優(yōu)點(diǎn)，并基于以上優(yōu)點(diǎn)Simulink已被廣泛應(yīng)用與控制理論和數(shù)字信號處理的復(fù)雜仿真和設(shè)計。同時有大量的第三方軟件和硬件可應(yīng)用于或被要求應(yīng)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(jìn)制表示。根據(jù)CCITT的建議，為改善小信號量化性能，采用壓擴(kuò)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(fù)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)