第4章-基于SIMULINK的PCM编码与解码

1、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2448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MAT

2、LAB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 脉冲编码调制脉冲编码调制(PCM) n“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； n“波形编码器”可暂时理解为“采样器”； n“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 n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

3、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。 均匀量化均匀量化 n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 n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 非均匀量化非均匀量化 n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

4、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。 n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。 n采样频率为8 kHz，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64 kb/s。这就是CCITT推荐的G.711标准。 m m 律压扩和律压扩和A A律压扩律压扩 nm m 律压扩：律压扩： 北美和日本等地区北美和日本等地区 1313位位PCM

5、PCM编码转换城编码转换城8 8位。位。 nA A律压扩律压扩 欧洲和中国大陆等地区，欧洲和中国大陆等地区， 1414位位PCMPCM编码转换城编码转换城8 8位位 n输出信号均为输出信号均为64Kb/s64Kb/s PCM在通信中的应用在通信中的应用 n提高线路利用率通常用下面两种方法 n频分多路复用频分多路复用 :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1400 Hz，把这个 信道分成4个子信道(subchannels)：820990 Hz, 1230 1400 Hz, 16401810 Hz和20502220 Hz，相邻子信道间相 距240 Hz，用

6、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。 n时分多路复用时分多路复用: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f8000 Hz，它的采样周期125 m s，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在通信中的应用在通信中的应用 PCM在通信中的应用在通信中的应用 2424路制的重要参数如下：路制的重要参数如下： 每秒钟传送每秒钟传送80008000帧，每

7、帧帧，每帧125 125 m m s s。 1212帧组成帧组成1 1复帧复帧( (用于同步用于同步) )。 每帧由每帧由2424个时间片个时间片( (信道信道) )和和1 1位同步位组成。位同步位组成。 每个信道每次传送每个信道每次传送8 8位代码，位代码，1 1帧有帧有24 24 8 8 1 1193193位位( (位位) )。 数据传输率数据传输率R R800080001931931544 kb/s1544 kb/s。 每一个话路的数据传输率每一个话路的数据传输率800080008=64 kb/s8=64 kb/s。 3030路制的重要参数如下：路制的重要参数如下： 每秒钟传送每秒钟传送

8、80008000帧，每帧帧，每帧125 125 m m s s。 1616帧组成帧组成1 1复帧复帧( (用于同步用于同步) )。 每帧由每帧由3232个时间片个时间片( (信道信道) )组成。组成。 每个信道每次传送每个信道每次传送8 8位代码。位代码。 数据传输率：数据传输率：R R8000800032328 82048 kb/s2048 kb/s。 每一个话路的数据传输率每一个话路的数据传输率800080008=64 kb/s8=64 kb/s。 PCM在通信中的应用在通信中的应用 PCMPCM信号复用的复杂程度，通常用信号复用的复杂程度，通常用“群群(group)”(group)”表示

9、表示 一次群一次群( (基群基群) )的的3030路路( (或或2424路路),),北美叫做北美叫做T1T1远距离数字通信线，远距离数字通信线， 在欧洲叫做在欧洲叫做E1E1远距离数字通信线和远距离数字通信线和E1E1等级。等级。 二次群的二次群的120120路路( (或或9696路路) ) 三次群的三次群的480480路路( (或或384384路路) ) 数字网络等级数字网络等级T1/E1T1/E1T2/E2T2/E2T3/E3T3/E3T4/E4T4/E4T5/E5T5/E5 美国美国64 kb/s64 kb/s话路数话路数242496966726724.324.32 总传输率总传输率(M

10、b/s)(Mb/s)1.5441.5446.5126.51244.73644.736274.176274.176 数字网络等级数字网络等级1 12 23 34 45 5 欧洲欧洲64 kb/s64 kb/s话路数话路数30301201204804801920192076807680 总传输率总传输率(Mb/s)(Mb/s)2.0482.0488.4488.44834.36834.368139.264139.26456005600 日本日本64 kb/s64 kb/s话路数话路数2424969648048014401440 总传输率总传输率(Mb/s)(Mb/s)1.5441.5446.3126

11、.31232.06432.06497.72897.728 表表3-02 3-02 多次复用的数据传输多次复用的数据传输 率率 预测编码 n预测编码(Prediction Coding)：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： n差分脉码调制（DPCM） n自适应差分脉码调制（ADPCM） DPCM nDPCM编码,简称差值编码，是对模拟信号幅度幅度 抽样的差值进行量化编码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”)。 n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。 n这

12、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模拟信号 的数字通信的数字通信之中。 差分脉码调制(DPCM) nDPCM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。 nDPCM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。 举例说明举例说明DPCMDPCM编码原理：编码原理： 设设DPCMDPCM系统预测器的预测值为前一个样值，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，差值不假设输入信号已经量化，差值不 再进行量化。若再进行量化

13、。若系统的输入为系统的输入为0 1 2 1 1 2 3 3 4 4 0 1 2 1 1 2 3 3 4 4 ，则预测值为，则预测值为0 0 1 2 0 0 1 2 1 1 2 3 3 4 1 1 2 3 3 4 ，差值为，差值为0 1 1 1 0 1 1 0 1 0 0 1 1 1 0 1 1 0 1 0 ，差值的范围比输入样，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。值的范围有所减小，可以用较少的位数进行编码。 DPCM n对于有些信号(例如图像信号)由于信号的瞬时瞬时 斜率比较大，很容易引起过载斜率比较大，很容易引起过载，因此，不能用 简单增量调制进行编码， n除此之

14、外，这类信号也没有像话音信号那种音音 节特性节特性，因而也不能采用像音节压扩那样的方 法，只能采用瞬时压扩瞬时压扩的方法。 n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 了增量调制增量调制和脉冲编码调制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 n这种调制方式的主要特点是把增量值分为个等增量值分为个等 级级，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，它兼有增量调增量调 制和制和PCM的的各自特点。 n设这个误差电压经过量化后变为个电平中的一 个，电

15、平间隔可以相等，也可以不等电平间隔可以相等，也可以不等，这里认 为它是间隔相等的均匀量化。 n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积分器后变为与输入信号x(t)进行比较，进行比较， 通过相减器得到误差电压通过相减器得到误差电压e(t)。 DPCM n实验表明，经过DPCM调制后的信号， 其传输的比特率要比比特率要比PCM的低的低，相应要 求的系统传输带宽也大大地减小了。 n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信噪比也有很大的改善。与M相 比

16、，由于它增多了量化级，因此，在改 善量化噪声方面优于M系统。 nDPCM的缺点是易受到传输线路上噪声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的干扰，在抑制信道噪声方面不如M。 ADPCM nAdpcm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。 n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 32kbps8khz速率上能够给出网络等级 话音质量。 ADPCM n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。 n自适应预测：

17、 n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。 n而采用固定的预测参数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 n现在我们使用的是IMA ADPCM算法， n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。 n通过此算

18、法可将样点编码成4bit的码流，一个 符号位和三个幅度位。 ADPCM n该算法较简单，通过查表简化查表简化了运算。 n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。 n当前该算法以其简单实用的特点广泛应用到数数 字音乐盒和数字录音笔中字音乐盒和数字录音笔中。 自适应差分脉码调制(ADPCM) n具体方法是：预测参数仍采用固定的；但此时

19、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。 n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。 n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

20、方误差准则)，每个编 码区间自动地选取一 组最佳的参数。 系数集系数集 系数系数1 1 系数系数2 2 0 256 0 1 512 -256 2 0 0 3 192 64 4 240 0 5 460 -208 6 392 -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。