1、通信原理课程设计报告书课题名称语音信号的 A 律 13 折线 PCM 编译码的 MATLAB 实现姓 名学 号学 院 通信与电子工程学院专 业 通信工程指导教师2015年 4 月 9日2009 级通信工程专业通信原理课程设计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 Co
2、de 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。
3、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 内的时间连续信号 ，如果以 的时间间隔(0,)hf ()ft1/2hf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 的频谱中最高频率不超过 ，当抽样频
4、率 时，抽样后的()ft hf2shf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 ，ky。 常称为重建电平或量化电平。当量化器输入信号幅度 落在Lk,32,1ky x与 之间时，量化器输出电平为 。这个量化过程可以表达为：x ky（1）,)(1kxQxk,32,1这里 称为分层电平。通常：k（2）kk其中 称为量化间隔。k模拟信号的量化分为均匀量化和非均匀量化。由于
5、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()mt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 也小；反之，量化间隔就大。它与均匀量化相比，有两个v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
6、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 图 2 模拟信号的量化模拟入yx量化器量化值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
7、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
8、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 段落范围 量化间隔 段内码 量化间隔 段内码8 111 1024-2048 15 1111 7 01117 110 512-1024 14 1110 6 01106 101 256-512 13 1101 5 01015 100 128-256 12 1100 4 01004 011 64-128 11 1011
9、3 00113 010 32-64 10 1010 2 00102 001 16-32 9 1001 1 00011 000 0-16 8 1000 0 00004.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，量化时也会带来量化噪声，及信号再生时引入的定时抖动失真，需要对再生信号进行幅度及相位的补偿，同时
10、滤除高频分量，在这里使用与编码模块中相同的低通滤波器。2.2 A律 13折线原理实际中，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。所谓 A压缩律也就是压缩器具有如下特性的压缩律：（3）Xxy10,ln1（4）,A其中 。87.6A在实际中，A 律 13折线应用比 律 13折线用得广泛。表 3列出了计算 值 x与 13折线时的 值的比较。x表 3 计算值 与 A律 13折线时 值的比较xxy0 8128
11、34856871x0 6.0.1.79.13.9.1按折线分段时的0 12843268421段落 1 2 3 4 5 6 7 8斜率 16 16 8 4 2 1 24表 3中第二行的 值是根据 时计算得到的，第三行的 值是 13折x7.6Ax线分段时的值。可见，13 折线各段落的分界点与 曲线十分逼近，同时87.6A按 2的幂次分割有利于数字化。xA律压扩特性是连续曲线，A 律不同压扩特性也不同，在电路上实现这样的函数规律是相当复杂的。实际中，往往采用近似于 A律函数规律的 13折线（）的压扩特性。这样，它基本上保持了连续压扩特性曲线的优点， 。本87.6设计中所用到的 PCM编码正是采用这种
12、压扩特性来编码的。3 程序设计3.1程序流程图1. PCM编码函数设计流程图语音信源PCM 编码调制,加噪声,解调PCM 解码开始结束图 3 主函数流程图2. PCM编码函数设计流程图输入信号判断符号归一化和量化段落判断段内判断输出开始结束图 4 编码函数3. PCM译码函数设计流程图输入码组提取符号判断段落位置判断段内位置判断符号位输出开始结束图 5 译码 3.2程序代码(见附录)4 仿真结果及分析4.1 举例分析4.2 通过绘制图形整体分析5 设计体会参考文献1 樊昌信，曹丽娜.通信原理M.北京：国防工业出版社,2011.2 别志红，别红霞.信息与通信系统仿真M.北京：北京邮电大学出版社,
13、2010.3 赵守彬,李鸿刚. 利用 Matlab 实现 PCM 编码的 A 律 13 折线法量化J. 科技信息,2010.4 刘全金 . 一种 A 律 PCM编码的简化方法J. 安庆师范学院学报(自然科学版), 2007 年 11 月第 13 卷第 4 期.5 曹志刚，钱亚生现代通信原理M北京：清华大学出版社，1992.6 张志勇，杨祖撄. MATLAB 教程M. 北京：北京航空航天大学出版社，2006.附录:1. 主程序close all;clear all;N=1001;M=wavread(a.wav);S=M(2000:3000); %语音信源plot(S,r); hold on;%画
14、出编码前信号t1=pcm1(S); %调用编码函数t2=tqm(t1); %将 N行 8列矩阵转换为 1行 8*N列的矩阵的函数sim(mod1); %调制sim(channel1); %送入信道，加噪声sim(dem1); % 解调t6=tqn(t5); %将 8*N行 1列的矩阵转换为 N行 8列矩阵的函数t7=pcm2(t6); %调用译码函数plot(t7); % 画出译码后信号title(PCM编译码前后信号的比较); %标题legend(PCM编码前的信号,PCM 译码后的信号)%添加图例注解xlabel(时间) % x坐标名ylabel(幅值) % y 坐标名grid on %添加网格axis square %将图形设置为正方形 2. A律十三折线 PCM编码函数function Y=pcm1(S)z=sign(S); %判断 S的正负Max=max(abs(S); %求 S的最大值 S=abs(S/Max); %归一化Q=2048*S; %量化Y=zeros(length(S),8); %存储矩阵（全零）%段落码判断%for m=1:length(S)if Q(m)128 elseif z(m)8a=a+1;b=1;endt2(a,b)=t1(m);b=b+1;m=m+1;endend
