第4章-基于SIMULINK的PCM编码与解码.

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PCM在通信中的应用
PCM在通信中的应用
• 1. 2. 3. 4. 5. 6. • 1. 2. 3. 4. 5. 6. 24路制的重要参数如下: 每秒钟传送8000帧,每帧125 m s。 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=1544 kb/s。 每一个话路的数据传输率=8000×8=64 kb/s。 30路制的重要参数如下: 每秒钟传送8000帧,每帧125 m s。 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=2048 kb/s。 每一个话路的数据传输率=8000×8=64 kb/s。

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。


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IMA ADPCM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。
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。
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/s

PCM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1400 Hz,把这个 信道分成4个子信道(subchannels):820~990 Hz, 1230~ 1400 Hz, 1640~1810 Hz和2050~2220 Hz,相邻子信道间相 距240 Hz,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=8000 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。
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。
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
研究的背景及目的
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。
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。
总传输率(Mb/s)
日本 64 kb/s话路数 总传输率(Mb/s)
2.048
24 1.544
8.448
96 6.312
34.368
480 32.064
139.264
1440 97.728
5600
预测编码

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:
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{0 1 2 1 1 2 3 3 4 4 …},则预测值为{0 0 1 2 1 1 2 3 3 4 …},差值为{0 1 1 –1 0 1 1 0 1 0 …},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。
ADPCM


Adpcm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。
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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:
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)。
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。
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
0 1 256 512 0 -256
系数2
2
3 4 5 6
0
192 240 460 392
0
64 0 -208 -232

差分脉码调制(DPCM) 自适应差分脉码调制(ADPCM)
DPCM



DPCM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。
表3-02 多次复用的数据传输率
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)

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。
Simulink的介绍
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。
数字网络等级 美国 64 kb/s话路数 总传输率(Mb/s) 数字网络等级 欧洲 64 kb/s话路数 T1/E1 24 1.544 1 30 T2/E2 96 6.512 2 120 T3/E3 672 44.736 3 480 T4/E4 4.32 274.176 4 1920 5 7680 T5/E5
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。
脉冲编码调制(PCM)
PCM编码框图


“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。

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。
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