PCM編碼和解碼

1、pcm編碼和解碼,一、pcm編碼和解碼原理,在通信系統(tǒng)中完成將語(yǔ)音信號(hào)數(shù)字化功能。 pcm的實(shí)現(xiàn)主要包括三個(gè)步驟完成：抽樣、量化、編碼。分別完成時(shí)間上離散、幅度上離散、及量化信號(hào)的二進(jìn)制表示。根據(jù)ccitt的建議，為改善小信號(hào)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律和律方式，我國(guó)采用了a律方式，由于a律壓縮實(shí)現(xiàn)復(fù)雜，常使用 13 折線法編碼,采用非均勻量化pcm編碼示意圖見(jiàn)圖1,圖1 pcm原理框圖,pcm編碼中抽樣、量化及編碼的原理,1、抽樣,所謂抽樣，就是對(duì)模擬信號(hào)進(jìn)行周期性掃描，把時(shí)間上連續(xù)的信號(hào)變成時(shí)間上離散的信號(hào)。該模擬信號(hào)經(jīng)過(guò)抽樣后還應(yīng)當(dāng)包含原信號(hào)中所有信息，也就是

2、說(shuō)能無(wú)失真的恢復(fù)原模擬信號(hào)。它的抽樣速率的下限是由抽樣定理確定的,pcm編碼中抽樣、量化及編碼的原理,2、量化,從數(shù)學(xué)上來(lái)看，量化就是把一個(gè)連續(xù)幅度值的無(wú)限數(shù)集合映射成一個(gè)離散幅度值的有限數(shù)集合。如圖2所示，量化器q輸出l個(gè)量化值 ，k=1，2，3，l。 常稱為重建電平或量化電平。當(dāng)量化器輸入信號(hào)幅度 落在 與 之間時(shí)，量化器輸出電平為 。這個(gè)量化過(guò)程可以表達(dá)為,pcm編碼中抽樣、量化及編碼的原理,2、量化,這里 稱為分層電平或判決閾值。通常 稱 為量化間隔,圖2 模擬信號(hào)的量化,模擬信號(hào)的量化分為均勻量化和非均勻量化。由于均勻量化存在的主要缺點(diǎn)是：無(wú)論抽樣值大小如何，量化噪聲的均方根值都固定

3、不變。因此，當(dāng)信號(hào) 較小時(shí)，則信號(hào)量化噪聲功率比也就很小，這樣，對(duì)于弱信號(hào)時(shí)的量化信噪比就難以達(dá)到給定的要求。通常，把滿足信噪比要求的輸入信號(hào)取值范圍定義為動(dòng)態(tài)范圍，可見(jiàn)，均勻量化時(shí)的信號(hào)動(dòng)態(tài)范圍將受到較大的限制。為了克服這個(gè)缺點(diǎn)，實(shí)際中，往往采用非均勻量化。 非均勻量化是根據(jù)信號(hào)的不同區(qū)間來(lái)確定量化間隔的。對(duì)于信號(hào)取值小的區(qū)間，其量化間隔 也小；反之，量化間隔就大。它與均勻量化相比，有兩個(gè)突出的優(yōu)點(diǎn)。首先，當(dāng)輸入量化器的信號(hào)具有非均勻分布的概率密度（實(shí)際中常常是這樣）時(shí)，非均勻量化器的輸出端可以得到較高的平均信號(hào)量化噪聲功率比；其次，非均勻量化時(shí)，量化噪聲功率的均方根值基本上與信號(hào)抽樣值成比

4、例。因此量化噪聲對(duì)大、小信號(hào)的影響大致相同，即改善了小信號(hào)時(shí)的量化信噪比。 實(shí)際中，非均勻量化的實(shí)際方法通常是將抽樣值通過(guò)壓縮再進(jìn)行均勻量化。通常使用的壓縮器中，大多采用對(duì)數(shù)式壓縮。廣泛采用的兩種對(duì)數(shù)壓縮律是 壓縮律和a壓縮律。美國(guó)采用 壓縮律，我國(guó)和歐洲各國(guó)均采用a壓縮律，因此，pcm編碼方式采用的也是a壓縮律,所謂a壓縮律也就是壓縮器具有如下特性的壓縮律,a律壓擴(kuò)特性是連續(xù)曲線，a值不同壓擴(kuò)特性亦不同，在電路上實(shí)現(xiàn)這樣的函數(shù)規(guī)律是相當(dāng)復(fù)雜的。實(shí)際中，往往都采用近似于a律函數(shù)規(guī)律的13折線（a=87.6）的壓擴(kuò)特性。這樣，它基本上保持了連續(xù)壓擴(kuò)特性曲線的優(yōu)點(diǎn)，又便于用數(shù)字電路實(shí)現(xiàn)，本設(shè)計(jì)中所

5、用到的pcm編碼正是采用這種壓擴(kuò)特性來(lái)進(jìn)行編碼的。圖3示出了這種壓擴(kuò)特性,圖3 為13折線特性,表1列出了13折線時(shí)的x值與計(jì)算x值的比較,表1中第二行的x值是根據(jù)a=87.6時(shí)計(jì)算得到的，第三行的x值是13折線分段時(shí)的值?？梢?jiàn)，13折線各段落的分界點(diǎn)與a=87.6曲線十分逼近，同時(shí)x按2的冪次分割有利于數(shù)字化,pcm編碼中抽樣、量化及編碼的原理,3、編碼,所謂編碼就是把量化后的信號(hào)變換成代碼，其相反的過(guò)程稱為譯碼。當(dāng)然，這里的編碼和譯碼與差錯(cuò)控制編碼和譯碼是完全不同的，前者是屬于信源編碼的范疇。 在現(xiàn)有的編碼方法中，若按編碼的速度來(lái)分，大致可分為兩大類：低速編碼和高速編碼。通信中一般都采用第

6、二類。編碼器的種類大體上可以歸結(jié)為三類：逐次比較型、折疊級(jí)聯(lián)型、混合型。在逐次比較型編碼方式中，無(wú)論采用幾位碼，一般均按極性碼、段落碼、段內(nèi)碼的順序排列。下面結(jié)合13折線的量化來(lái)加以說(shuō)明,在13折線法中，無(wú)論輸入信號(hào)是正是負(fù)，均按8段折線（8個(gè)段落）進(jìn)行編碼。若用8位折疊二進(jìn)制碼來(lái)表示輸入信號(hào)的抽樣量化值，其中用第一位表示量化值的極性，其余七位（第二位至第八位）則表示抽樣量化值的絕對(duì)大小。具體的做法是：用第二至第四位表示段落碼，它的8種可能狀態(tài)來(lái)分別代表8個(gè)段落的起點(diǎn)電平。 其它四位表示段內(nèi)碼，它的16種可能狀態(tài)來(lái)分別代表每一段落的16個(gè)均勻劃分的量化級(jí)。這樣處理的結(jié)果，8個(gè)段落被劃分成271

7、28個(gè)量化級(jí)。段落碼和8個(gè)段落之間的關(guān)系如表2所示；段內(nèi)碼與16個(gè)量化級(jí)之間的關(guān)系見(jiàn)表3,表2段落碼,表3段內(nèi)碼,二、設(shè)計(jì)與仿真,1、pcm編碼器模型 設(shè)計(jì)一個(gè)13折線近似的pcm編碼器模型，能夠?qū)θ≈翟?1,1 內(nèi)的歸一化信號(hào)樣值進(jìn)行編碼。測(cè)試模型和仿真結(jié)果如圖所示,圖4 13折線近似的pcm編碼器測(cè)試模型和仿真結(jié)果,二、設(shè)計(jì)與仿真,圖5 13折線近似的pcm編碼器測(cè)試模型和仿真結(jié)果,二、設(shè)計(jì)與仿真,其中以“saturation”作為限幅器，將輸入信號(hào)幅度值限制在pcm編碼的定義范圍內(nèi)，“relay”模塊的門限設(shè)置為0，其輸出即可作為pcm編碼輸出的最高位-極性碼。樣值取絕對(duì)值后，以實(shí)例6.

8、5所示的“l(fā)ook-up table”查表模塊進(jìn)行13折線壓縮，并用增益模塊將樣值范圍放大到0到127內(nèi)，然后用間距為1的“quantizer”進(jìn)行四舍五入取整，最后將整數(shù)編碼為7bit二進(jìn)制序列，作為pcm編碼的低7位?？梢詫⒃撃Ｐ椭刑摼€所圍部分封裝為一個(gè)pcm編碼子系統(tǒng)備用,二、設(shè)計(jì)與仿真,2、pcm解碼器模型 測(cè)試模型和仿真結(jié)果如圖所示，其中pcm編碼子系統(tǒng)就是圖中虛線所圍部分。pcm解碼器中首先分離并行數(shù)據(jù)中的最高位（極性碼）和7位數(shù)據(jù)，然后將 7bit數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為整數(shù)值，再進(jìn)行歸一化、擴(kuò)張后與雙極性的極性碼相乘得出解碼值。可以將該模型中虛線所圍部分封裝為一個(gè)pcm解碼子系統(tǒng)備用,圖6

9、13折線近似的pcm解碼器測(cè)試模型和仿真結(jié)果,二、設(shè)計(jì)與仿真,圖7 13折線近似的pcm解碼器測(cè)試模型和仿真結(jié)果2,二、設(shè)計(jì)與仿真,3、pcm串行傳輸模型 pcm編碼輸出經(jīng)過(guò)并串轉(zhuǎn)換后得到二進(jìn)制碼流送入二進(jìn)制對(duì)稱信道。 在解碼端信道輸出的碼流經(jīng)過(guò)串并轉(zhuǎn)換后送入pcm解碼，之后輸出解碼結(jié)果并顯示波形。模型中沒(méi)有對(duì)pcm解碼結(jié)果作低通濾波處理，但實(shí)際系統(tǒng)中pcm解碼輸出總是經(jīng)過(guò)低通濾波后送入揚(yáng)聲器的。 仿真采樣率必須是仿真模型中最高信號(hào)速率的整數(shù)倍，這里模型中信道傳輸速率最高，為64kbps，故設(shè)置仿真步進(jìn)為1=64000 秒。信道錯(cuò)誤比特率設(shè)為0.01，以觀察信道誤碼對(duì)pcm傳輸?shù)挠绊?。仿真結(jié)果波形如圖所示，傳輸信號(hào)為200hz正弦波，解碼輸出存在延遲,二、設(shè)計(jì)與仿真,圖8 pcm串行傳輸模型,二、設(shè)計(jì)與仿真,圖9 上為解碼輸出，下為原信號(hào),仿