语音信号的A律13折线PCM编译码的MATLAB实现

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2009级通信工程专业 ※

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通信原理课程设计 ※※※※ ※※※

通信原理课程设计报告书

语音信号的A律13折线PCM编译码的

课题名称

MATLAB实现

姓 名 学 号 学 院 专 业 指导教师

** ********* 通信与电子工程学院

通信工程 ***

2011年 12 月30 日

一、 设计任务及要求 1. 进一步学习PCM编译码器原理； 2. 在通信系统仿真软件MATLAB平台上，采用M文件设计A律PCM码译码器； 3. 学会利用MATLAB对PCM编码这种实际问题进行处理，将理论应用于实践； 4. 对设计项目进行调试，对译码器进行仿真； 5. 对仿真结果结合编译码理论进行分析。 指导教师签名： 2011年 12 月 30 日 二、指导教师评语 指导教师签名： 年 月 日 三、成绩 验收盖章 年 月 日 语音信号的A律13折线PCM编译码的MATLAB实现

1设计目的

1.进一步学习PCM编译码器原理；

2.在通信系统仿真软件MATLAB平台上，采用M文件设计A律PCM码译码器； 3.学会利用MATLAB对PCM编码这种实际问题进行处理，将理论应用于实践； 4.对设计项目进行调试，对译码器进行仿真；

5.对仿真结果结合编译码理论进行分析。

2 设计原理

2.1 PCM编码原理

脉冲编码调制(PCM，Pulse Code Modulation)在通信系统中完成将语音信号数字化功能。是一种对模拟信号数字化的取样技术，将模拟信号变换为数字信号的编码方式，特别是对于音频信号。PCM 对信号每秒钟取样 8000 次；每次取样为8个位，总共64kbps。PCM的实现主要包括三个步骤完成：抽样、量化、编码。分别完成时间上离散、幅度上离散、及量化信号的二进制表示。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?律方式，本设计采用了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编码示意图如图1所示。

话音输入 低通滤波 瞬时压缩 抽 样 量 化 编 码 信 道 再 生 解 码 解 调 瞬时扩张 低通滤波 话音输出

图1 PCM原理框图

1.抽样

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。

在一个频带限制在(0,fh)内的时间连续信号f(t)，如果以1/2fh的时间间隔对它进行抽样，那么根据这些抽样值就能完全恢复原信号。或者说，如果一个连

续信号f(t)的频谱中最高频率不超过fh，当抽样频率fs?2fh时，抽样后的信号就包含原连续的全部信息。抽样定理在实际应用中应注意在抽样前后模拟信号进行滤波，把高于二分之一抽样频率的频率滤掉。这是抽样中必不可少的步骤。

2.量化

从数学上来看，量化就是把一个连续幅度值的无限数集合映射成一个离散幅度值的有限数集合。如图2所示，量化器Q输出L个量化值yk，k?1,2,3,?,L。

yk常称为重建电平或量化电平。当量化器输入信号幅度x落在xk与xk?1之间时，量化器输出电平为yk。这个量化过程可以表达为：

y?Q(x)?Q{xk?x?xk?1}?yk, k?1,2,3,?,L （1）

这里xk称为分层电平。通常：

?k?xk?1?xk （2）

其中?k称为量化间隔。

模拟信号的量化分为均匀量化和非均匀量化。由于均匀量化存在的主要缺点是：无论抽样值大小如何，量化噪声的均方根值都固定不变。因此，当信号m(t)较小时，则信号量化噪声功率比也就很小，这样，对于弱信号时的量化信噪比就难以达到给定的要求。通常，把满足信噪比要求的输入信号取值范围定义为动态范围，可见，均匀量化时的信号动态范围将受到较大的限制。为了克服这个缺点，实际中，往往采用非均匀量化。

非均匀量化是根据信号的不同区间来确定量化间隔的。对于信号取值小的区间，其量化间隔?v也小；反之，量化间隔就大。它与均匀量化相比，有两个突出的优点。首先，当输入量化器的信号具有非均匀分布的概率密度（实际中常常是这样）时，非均匀量化器的输出端可以得到较高的平均信号量化噪声功率比；其次，非均匀量化时，量化噪声功率的均方根值基本上与信号抽样值成比例。因此量化噪声对大、小信号的影响大致相同，即改善了小信号时的量化信噪比。

实际中，非均匀量化的实际方法通常是将抽样值通过压缩再进行均匀量化。通常使用的压缩器中，大多采用对数式压缩。广泛采用的两种对数压缩律是?压缩律和A压缩律。美国采用?压缩律，我国和欧洲各国均采用A压缩律，因此，PCM编码方式采用的也是A压缩律。模拟信号的量化过程如图2所示

x

模拟入 量化器 y 量化值 图2 模拟信号的量化

3.编码

所谓编码就是把量化后的信号变换成代码，其相反的过程称为译码。当然，这里的编码和译码与差错控制编码和译码是完全不同的，前者是属于信源编码的范畴。

在现有的编码方法中，若按编码的速度来分，大致可分为两大类：低速编码和高速编码。通信中一般都采用第二类。编码器的种类大体上可以归结为三类：逐次比较型、折叠级联型、混合型。在逐次比较型编码方式中，无论采用几位码，一般均按极性码、段落码、段内码的顺序排列。下面结合13折线的量化来加以说明。

在13折线法中，无论输入信号是正是负，均按8段折线（8个段落）进行编码。若用8位折叠二进制码来表示输入信号的抽样量化值，其中用第一位表示量化值的极性，其余七位（第二位至第八位）则表示抽样量化值的绝对大小。具体的做法是：用第二至第四位表示段落码，它的8种可能状态来分别代表8个段落的起点电平。其它四位表示段内码，它的16种可能状态来分别代表每一段落的16个均匀划分的量化级。这样处理的结果，8个段落被划分成128个量化级。段落码和8个段落之间的关系如表1所示；段内码与16个量化级之间的关系见表2所示。

表1 段落码 表2 段内码 段落序号 段落码 8 7 6 5 4 3 2 1 111 110 101 100 011 010 001 000 段落范围 1024-2048 512-1024 256-512 128-256 64-128 32-64 16-32 0-16 量化间隔 段内码 15 14 13 12 11 10 9 8 1111 1110 1101 1100 1011 1010 1001 1000 量化间隔 7 6 5 4 3 2 1 0 段内码 0111 0110 0101 0100 0011 0010 0001 0000 4.译码

PCM译码器是实现PCM编码的逆系统。其中各模块功能如下：

D/A转换器：用来实现与A/D转换相反的过程，实现数字量转化为模拟量，从而达到译码最基本的要求，也就是最起码的步骤。

瞬时扩张器：实现与瞬时压缩器相反的功能，由于采用 A 律压缩，扩张也必须采用A律瞬时扩张器。

低通滤波器：由于采样脉冲不可能是理想冲激函数会引入孔径失真，量化时