第4章-基于SIMULINK的PCM编码与解码

论文题目：基于Simulink的PCM编码与解码的研究设计总体框架研究的背景及目的SIMULINK工具介绍PCM系统的基本原理PCM系统仿真实现结论PCM是英国人A.里弗斯在1937年提出的，这一概念后来为数字通信奠定了基础，60年代为了扩充信息容量，它开始应用于市内电话网，使已有音频电缆的大部分芯线的传输容量扩大了24～48倍。到了70年代中、末期，各国相继把PCM成功地应用于卫星通信、微波接力通信、同轴电缆通信和光纤通信等中、大容量传输系统。80年代初，市话中继传输和大容量干线传输以及数字程控交换机以及用户话机中采用了PCM技术。本设计是利用MATLAB集成环境下的Simulink仿真平台，研究设计的PCM通信系统。PCM系统主要包括模拟信号的数字化、信道传输和数字信号还原模拟信号三部分，最后观察输入信号和输出信号的波形，加上含有噪声的信道，最后运行结果并通过波形来分析该系统的性能。研究的背景及目的脉冲编码调制(PCM)“防失真滤波器”是一个低通滤波器，用来滤除声音频带以外的信号；“波形编码器”可暂时理解为“采样器”；“量化器”可理解为“量化阶大小(step-size)”生成器或者称为“量化间隔”生成器。PCM编码框图声音数字化有两个步骤：第一步是采样，就是每隔一段时间间隔读一次声音的幅度；第二步是量化，就是把采样得到的声音信号幅度转换成数字值。但那时并没有涉及如何进行量化。量化有好几种方法，但可归纳成两类：一类称为均匀量化，另一类称为非均匀量化。采用的量化方法不同，量化后的数据量也就不同。因此，可以说量化也是一种压缩数据的方法。均匀量化采用相等的量化间隔对采样得到的信号作量化，那么这种量化称为均匀量化。均匀量化就是采用相同的“等分尺”来度量采样得到的幅度，也称为线性量化量化后的样本值Y和原始值X的差E=Y-X称为量化误差或量化噪声非均匀量化非线性量化：对输入信号进行量化时，大的输入信号采用大的量化间隔，小的输入信号采用小的量化间隔。这样就可以在满足精度要求的情况下用较少的位数来表示。声音数据还原时，采用相同的规则。在非线性量化中，采样输入信号幅度和量化输出数据之间定义了两种对应关系，一种称为m

律压扩(companding)算法，另一种称为A律压扩算法。采样频率为8kHz，样本精度为13位、14位或者16位的输入信号，使用m

律压扩编码或者使用A律压扩编码，经过PCM编码器之后每个样本的精度为8位，输出的数据率为64kb/s。这就是CCITT推荐的G.711标准。m

律压扩和A律压扩m

律压扩：北美和日本等地区13位PCM编码转换城8位。A律压扩欧洲和中国大陆等地区，14位PCM编码转换城8位输出信号均为64Kb/sPCM在通信中的应用提高线路利用率通常用下面两种方法频分多路复用

:把传输信道的频带分成好几个窄带，每个窄带传送一路信号。例如，一个信道的频带为1400Hz，把这个信道分成4个子信道(subchannels)：820～990Hz,1230～1400Hz,1640～1810Hz和2050～2220Hz，相邻子信道间相距240Hz，用于确保子信道之间不相互干扰。每对用户仅占用其中的一个子信道。这是模拟载波通信的主要手段。时分多路复用:把传输信道按时间来分割，为每个用户指定一个时间间隔，每个间隔里传输信号的一部分，这样就可以使许多用户同时使用一条传输线路。这是数字通信的主要手段。例如，话音信号的采样频率f＝8000Hz，它的采样周期＝125ms，这个时间称为1帧(frame)。在这个时间里可容纳的话路数有两种规格：24路制和30路制。PCM在通信中的应用PCM在通信中的应用24路制的重要参数如下：每秒钟传送8000帧，每帧125ms。12帧组成1复帧(用于同步)。每帧由24个时间片(信道)和1位同步位组成。每个信道每次传送8位代码，1帧有24×8＋1＝193位(位)。数据传输率R＝8000×193＝1544kb/s。每一个话路的数据传输率＝8000×8=64kb/s。30路制的重要参数如下：每秒钟传送8000帧，每帧125ms。16帧组成1复帧(用于同步)。每帧由32个时间片(信道)组成。每个信道每次传送8位代码。数据传输率：R＝8000×32×8＝2048kb/s。每一个话路的数据传输率＝8000×8=64kb/s。PCM在通信中的应用PCM信号复用的复杂程度，通常用“群(group)”表示一次群(基群)的30路(或24路),北美叫做T1远距离数字通信线，在欧洲叫做E1远距离数字通信线和E1等级。二次群的120路(或96路)三次群的480路(或384路)数字网络等级T1/E1T2/E2T3/E3T4/E4T5/E5美国64kb/s话路数24966724.32总传输率(Mb/s)1.5446.51244.736274.176数字网络等级12345欧洲64kb/s话路数3012048019207680总传输率(Mb/s)2.0488.44834.368139.2645600日本64kb/s话路数24964801440总传输率(Mb/s)1.5446.31232.06497.728表3-02多次复用的数据传输率预测编码预测编码(PredictionCoding)：是指利用前面的一个或多个信号对下一个信号进行预测，然后对实际值和预测值的差进行编码。两种典型的预测编码：差分脉码调制（DPCM）自适应差分脉码调制（ADPCM）DPCMDPCM编码,简称差值编码，是对模拟信号幅度抽样的差值进行量化编码的调制方式(抽样差值的含义请参见“增量调制”)。原始的模拟信号经过时间采样，然后对每一样值进行量化，作为数字信号传输。这种方式是用已经过去的抽样值来预测当前的抽样值，对它们的差值进行编码。差值编码可以提高编码频率，这种技术已应用于模拟信号的数字通信之中。

差分脉码调制(DPCM)DPCM不对每一样值都进行量化，而是预测下一样值，并量化实际值和预测值之间的差。DPCM是基本的编码方法之一，在大量的压缩算法中被采用，比如JPEG的DC分量就是采用DPCM编码的。举例说明DPCM编码原理：

设DPCM系统预测器的预测值为前一个样值，假设输入信号已经量化，差值不再进行量化。若系统的输入为{0121123344…}，则预测值为{0012112334…}，差值为{011–1011010…}，差值的范围比输入样值的范围有所减小，可以用较少的位数进行编码。DPCM对于有些信号(例如图像信号)由于信号的瞬时斜率比较大，很容易引起过载，因此，不能用简单增量调制进行编码，除此之外，这类信号也没有像话音信号那种音节特性，因而也不能采用像音节压扩那样的方法，只能采用瞬时压扩的方法。但瞬时压扩实现起来比较困难，因此，对于这类瞬时斜率比较大的信号，通常采用一种综合了增量调制和脉冲编码调制两者特点的调制方法进行编码，这种编码方式被简称为脉码增量调制，或称差值脉码调制，用DPCM表示。DPCM这种调制方式的主要特点是把增量值分为个等级，然后把个不同等级的增量值编为位二进制代码()再送到信道传输，因此，它兼有增量调制和PCM的各自特点。设这个误差电压经过量化后变为个电平中的一个，电平间隔可以相等，也可以不等，这里认为它是间隔相等的均匀量化。量化了的误差电压经过脉冲调制器变为PAM脉冲序列，这个PAM信号一方面经过PAM编码器编码后得到DPCM信号发送出去。另一方面把它经过积分器后变为与输入信号x(t)进行比较，通过相减器得到误差电压e(t)。

DPCM实验表明，经过DPCM调制后的信号，其传输的比特率要比PCM的低，相应要求的系统传输带宽也大大地减小了。此外，在相同比特速率条件下，DPCM比PCM信噪比也有很大的改善。与ΔM相比，由于它增多了量化级，因此，在改善量化噪声方面优于ΔM系统。DPCM的缺点是易受到传输线路上噪声的干扰，在抑制信道噪声方面不如ΔM。ADPCMAdpcm是自适应差分脉冲编码调制的简称，最早使用于数字通信系统中。该算法利用了语音信号样点间的相关性，并针对语音信号的非平稳特点，使用了自适应预测和自适应量化，在32kbps◎8khz速率上能够给出网络等级话音质量。ADPCM为了进一步改善量化性能或压缩数据率，可采用自适应量化或自适应预测的方法。只要采用了其中的任一种自适应方法，均称为ADPCM。自适应预测：预测参数的最佳化依赖于信源的统计特性，要得到最佳的预测参数是一件繁琐的工作。而采用固定的预测参数往往又得不到好的性能。为了既能使性能较佳，又不致于有太大的工作量，可以将上述两种方法折衷考虑，采用自适应预测ADPCM现在我们使用的是IMAADPCM算法，该算法中对量化步长的调整使用了简单的查表方法，对于一个输入的PCM值X(n)，将其与前一时刻的X(n-1)预测值做差值得到d(n)，然后根据当前的量化步长对d(n)进行编码，再用此sample点的编码值调整量化步长，同时还要得到当前sample点的预测值供下一sample点编码使用。通过此算法可将样点编码成4bit的码流，一个符号位和三个幅度位。ADPCM该算法较简单，通过查表简化了运算。对于编码后的数据我们采用了wav文件格式，该格式对编码后的数据流进行了包装，由文件头和数据码流组成，文件头中指出了音频数据所采用格式、采样率、比特率、块长度、比特数及声道数等信息。数据码流以块为单位，块头指出了该块起始的预测值和index值，码流中每byte的高四位和低四位分别对应一个PCM。当前该算法以其简单实用的特点广泛应用到数字音乐盒和数字录音笔中。自适应差分脉码调制(ADPCM)具体方法是：预测参数仍采用固定的；但此时有多组预测参数可供选择。这些预测参数根据常见的信源特征求得。编码时具体采用哪组预测参数根据信源的特征来自适应的确定。为了自适应地选择最佳参数，通常将信源数据分区间编码，编码时自动地选择一组预测参数，使该区间实际值与预测值的均方误差最小。随着编码区间的不同，预测参数自适应的变化，以达到准最佳预测。自适应量化：根据信号分布不均匀的特点，系统具有随输入信号的变化而改变量化区间大小,以保持输入给量化器的信号基本均匀的能力，这种能力称为自适应量化。

例如，Microsoft的ADPCM采用二预测参数，提供7组预测系数，如右表所示。编码时，根据选定的准则(如最小均方误差准则)，每个编码区间自动地选取一组最佳的参数。系数集系数1系数2025601512-256200319264424005460-2086392-232

Simulink是MATLAB软件最重要的组件之一，它提供一个动态系统建模、仿真和综合分析的集成环境。在该环境中，无需大量书写程序，而只需要通过简单直观的鼠标操作，就可以构造出复杂的系统。Simulink具有适应面广、结构和流程清晰及效率高、仿真精细、贴近实际、灵活等优点，并基于以上优点Simulink已被广泛应用与控制理论和数字信号处理的复杂仿真和设计。同时有大量的第三方软件和硬件可应用于或被要求应用于Simulink。Simulink的介绍PCM系统的基本原理

在通信系统中完成将语音信号数字化功能。PCM的实现主要包括三个步骤完成：抽样、量化、编码。分别完成信号在时间上的离散、信号在幅度上的离散、及量化后信号的二进制表示。根据CCITT的建议，为改善小信号量化性能，采用压扩非均匀量化，有两种建议方式，分别为A律和μ律方式，我国采用了A律方式，由于A律压缩实现复杂，常使用13折线法编码,采用非均匀量化PCM原理示意图见图1。图1PCM原理框图PCM系统仿真实现