基于PCM語(yǔ)音信號(hào)編譯碼分析的課程設(shè)計(jì)報(bào)告

1、基于pcm的語(yǔ)音信號(hào)編碼的譯碼摘 要本設(shè)計(jì)是基于pcm的語(yǔ)音信號(hào)編碼和譯碼性能分析，從計(jì)算機(jī)的麥克風(fēng)錄取一段語(yǔ)音信號(hào)，錄制時(shí)間為12秒，并對(duì)錄下的語(yǔ)音信號(hào)進(jìn)行時(shí)域分析。其主要內(nèi)容是將模擬的語(yǔ)音信號(hào)數(shù)字化，具體分三步抽樣、量化、編碼。以pcm編碼和譯碼原理，在matlab下對(duì)該段語(yǔ)音進(jìn)行pcm編碼（以a律編碼規(guī)則進(jìn)行編碼）和譯碼，并比較了與未編碼波形的差別。關(guān)鍵詞：脈沖編碼調(diào)制; 編碼; 譯碼; 語(yǔ)音信號(hào)前 言實(shí)際中的信源通常是模擬的，如電視信號(hào)、麥克風(fēng)拾取的語(yǔ)音信號(hào)等。為了能夠使模擬信號(hào)在數(shù)字通信系統(tǒng)中傳輸，特別是能夠和其他數(shù)字信號(hào)一起在寬帶綜合業(yè)務(wù)數(shù)字通信網(wǎng)中同時(shí)傳輸，需要將模擬信號(hào)進(jìn)行數(shù)字

2、化。數(shù)字化的過(guò)程一般由抽樣、量化、編碼組成。其中，抽樣要保證不丟失原始信息，而量化要滿足一定的質(zhì)量，最后編碼解決信號(hào)的表示。該設(shè)計(jì)則是在matlab平臺(tái)下，依據(jù)脈沖編碼調(diào)制原理對(duì)實(shí)際的語(yǔ)音信號(hào)進(jìn)行pcm編碼和譯碼。脈沖編碼調(diào)制(pcm，pulse code modulation)在通信系統(tǒng)中完成將語(yǔ)音信號(hào)數(shù)字化功能。是一種對(duì)模擬信號(hào)數(shù)字化的取樣技術(shù)，將模擬信號(hào)變換為數(shù)字信號(hào)的編碼方式，特別是對(duì)于音頻信號(hào)。pcm 對(duì)信號(hào)每秒鐘取樣 8000 次；每次取樣為8個(gè)位，總共64kbps。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)cc

3、itt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。歐洲和我國(guó)大陸采用a律，北美、日本和其他一些國(guó)家和地區(qū)采用律。本設(shè)計(jì)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?；趐cm的語(yǔ)音信號(hào)編碼與譯碼性能分析，就是將一段模擬信號(hào)進(jìn)行數(shù)字化，并通過(guò)對(duì)實(shí)際語(yǔ)音信號(hào)進(jìn)行pcm編碼和譯碼來(lái)掌握pcm編碼和譯碼原理及其實(shí)現(xiàn)方法，提高我們綜合應(yīng)運(yùn)基礎(chǔ)知識(shí)能力和計(jì)算機(jī)編程能力，為今后的學(xué)習(xí)和工作積累經(jīng)驗(yàn)。一 基本原理1.1脈沖編碼原理通常把從模擬信號(hào)抽樣、量化，直到變換成為二進(jìn)制符號(hào)的基本過(guò)程，成為脈沖編碼調(diào)制(pcm，pulse

4、code modulation)，簡(jiǎn)稱脈沖調(diào)制。pcm是一種對(duì)模擬信號(hào)數(shù)字化的取樣技術(shù)，是一種將模擬信號(hào)變換為數(shù)字信號(hào)的編碼方式。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。本設(shè)計(jì)采用了a律方式，采用非均勻量化pcm編碼示意圖如下圖1-1所示：語(yǔ)音輸入低通濾波、瞬時(shí)壓縮抽樣量化編碼信道再生、解碼、解調(diào)瞬時(shí)擴(kuò)張、低通濾波話音輸出 圖1-1 pcm原理框圖1.1.1 抽樣原理所謂抽樣，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，也就是說(shuō)能無(wú)失真的恢復(fù)原模擬信號(hào)。它的抽樣

5、速率的下限是由抽樣定理確定的。在一個(gè)頻帶限制在內(nèi)的時(shí)間連續(xù)信號(hào)，如果以的時(shí)間間隔對(duì)它進(jìn)行抽樣，那么根據(jù)這些抽樣值就能完全恢復(fù)原信號(hào)?；蛘哒f(shuō)，如果一個(gè)連續(xù)信號(hào)的頻譜中最高頻率不超過(guò)，當(dāng)抽樣頻率時(shí)，抽樣后的信號(hào)就包含原連續(xù)的全部信息1。抽樣定理在實(shí)際應(yīng)用中應(yīng)注意在抽樣前后模擬信號(hào)進(jìn)行濾波，把高于二分之一抽樣頻率的頻率濾掉。這是抽樣中必不可少的步驟。1.1.2 量化原理從數(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，。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1： （1-

6、1）這里稱為分層電平。通常： （1-2）其中稱為量化間隔。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2。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??；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

7、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。模擬入量化器量化值實(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。模擬信號(hào)的量化過(guò)程如圖1-2所示3： 圖1-2 模擬信號(hào)的量化1.1.3 編碼原理所謂編碼就是把量化后的

8、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

9、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128個(gè)量化級(jí)。段落碼和8個(gè)段落之間的關(guān)系如表1-1所示1；段內(nèi)碼與16個(gè)量化級(jí)之間的關(guān)系見(jiàn)表1-2所示1：表1-1段落碼 表1-2段內(nèi)碼段落序號(hào)段落碼段落范圍量化間隔段內(nèi)碼量化間隔段內(nèi)碼81111024-2048151111701117110512-1024141110601106101256-512131101501015100128-25612110040100401164-1281

10、1101130011301032-6410101020010200116-32910011000110000-168100000000語(yǔ)音pcm抽樣頻率是8khz，每個(gè)量化樣值對(duì)應(yīng)一個(gè)8位二進(jìn)制碼，故語(yǔ)音數(shù)字編碼信號(hào)的速率為8bits8khz=64kb/s4.量化噪聲隨級(jí)數(shù)的增多和極差的縮小而縮小。量化級(jí)數(shù)增多即樣值個(gè)數(shù)增多，就要求更長(zhǎng)的二進(jìn)制編碼。因此，量化噪聲隨二進(jìn)制編碼的位數(shù)增多而減少，即隨數(shù)字編碼信號(hào)的速率提高而減少。自然界中的聲音非常復(fù)雜,波形極其復(fù)雜，通常我們采用的是脈沖代碼調(diào)制編碼，即pcm編碼。pcm通過(guò)抽樣、量化、編碼三個(gè)步驟將連續(xù)變化的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字編碼。1.1.4 譯

11、碼原理pcm譯碼器是實(shí)現(xiàn)pcm編碼的逆系統(tǒng)。其中各模塊功能如下5：d/a轉(zhuǎn)換器：用來(lái)實(shí)現(xiàn)與a/d轉(zhuǎn)換相反的過(guò)程，實(shí)現(xiàn)數(shù)字量轉(zhuǎn)化為模擬量，從而達(dá)到譯碼最基本的要求，也就是最起碼的步驟。瞬時(shí)擴(kuò)張器：實(shí)現(xiàn)與瞬時(shí)壓縮器相反的功能，由于采用 a 律壓縮，擴(kuò)張也必須采用a律瞬時(shí)擴(kuò)張器。 低通濾波器：由于采樣脈沖不可能是理想沖激函數(shù)會(huì)引入孔徑失真，量化時(shí)也會(huì)帶來(lái)量化噪聲，及信號(hào)再生時(shí)引入的定時(shí)抖動(dòng)失真，需要對(duì)再生信號(hào)進(jìn)行幅度及相位的補(bǔ)償，同時(shí)濾除高頻分量，在這里使用與編碼模塊中相同的低通濾波器。1.2 a律13折線原理實(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

12、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1： （1-3） （1-4）其中。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。在這個(gè)設(shè)計(jì)之中所用著的pcm編碼正是采用這種壓擴(kuò)特性來(lái)編碼的。圖1-2示出了這種壓擴(kuò)特性，表1-3列出了13折線時(shí)的x值與計(jì)算x值的比較。圖1-2 13折線特征表1-3 計(jì)算值與a律13折線時(shí)值的比較0101按折線

13、分段時(shí)的01段落12345678斜率16168421表1-3中第二行的值是根據(jù)時(shí)計(jì)算得到的，第三行的值是13折線分段時(shí)的值。可見(jiàn)，13折線各段落的分界點(diǎn)與曲線十分逼近，同時(shí)按2的冪次分割有利于數(shù)字化1。二 程序設(shè)計(jì)2.1程序流程圖 在matlab平臺(tái)下，對(duì)錄入的語(yǔ)音信號(hào)現(xiàn)進(jìn)行pcm編碼，然后對(duì)已經(jīng)編碼了的語(yǔ)音信號(hào)進(jìn)行pcm譯碼，其整個(gè)過(guò)程的程序流程圖如下圖2-1所示：開(kāi)始語(yǔ)音信源pcm編碼pcm解碼結(jié)束量化 圖2-1 主函數(shù)流程圖2.1.1 pcm編碼函數(shù)設(shè)計(jì)流程圖 在matlab平臺(tái)下，對(duì)錄入的語(yǔ)音信號(hào)現(xiàn)進(jìn)行pcm編碼,其中 pcm的實(shí)現(xiàn)主要包括三個(gè)步驟完成：抽樣、量化、編碼。具體編碼函數(shù)設(shè)

14、計(jì)的流程圖如下圖2-2所示： 輸入信號(hào)判斷符號(hào)歸一化和量化段落判斷段內(nèi)判斷輸出開(kāi)始結(jié)束圖2-2 pcm編碼函數(shù)流程圖2.1.2 pcm譯碼函數(shù)設(shè)計(jì)流程圖 輸入碼組提取符號(hào)判斷段落位置判斷段內(nèi)位置判斷符號(hào)位輸出開(kāi)始結(jié)束圖2-3 pcm譯碼函數(shù)流程圖2.2詳細(xì)程序代碼2.2.1主程序close all;clear all;y=wavred(cang.wav)figure(1)plot(y)title(原始語(yǔ)音信號(hào)波形圖)n=1001;m=wavread(cang.wav);s=m(2000:3000); %語(yǔ)音信源figure(2)plot(s,r); hold on;%畫(huà)出編碼前信號(hào)xlabel

15、(時(shí)間) % x坐標(biāo)名ylabel(幅值) % y坐標(biāo)名grid on %添加網(wǎng)格axis square %將圖形設(shè)置為正方形t1=pcm1(s); %調(diào)用編碼函數(shù)figure(3)plot(t1); % 畫(huà)出譯碼后信號(hào)title(pcm編碼前信號(hào)); %標(biāo)題xlabel(時(shí)間) % x坐標(biāo)名ylabel(幅值) % y坐標(biāo)名grid on %添加網(wǎng)格axis square %將圖形設(shè)置為正方形 t2=tqm(t1); %將n行8列矩陣轉(zhuǎn)換為1行8*n列的矩陣的函數(shù)t3=tqn(t2); %將8*n行1列的矩陣轉(zhuǎn)換為n行8列矩陣的函數(shù)t4=pcm2(t3); %調(diào)用譯碼函數(shù)figure(4)p

16、lot(t4); % 畫(huà)出譯碼后信號(hào)title(pcm譯碼后信號(hào)); %標(biāo)題xlabel(時(shí)間) % x坐標(biāo)名ylabel(幅值) % y坐標(biāo)名grid on %添加網(wǎng)格axis square %將圖形設(shè)置為正方形 2.2.2 a律十三折線pcm編碼函數(shù)function y=pcm1(s)z=sign(s); %判斷s的正負(fù)max=max(abs(s); %求s的最大值 s=abs(s/max); %歸一化q=2048*s; %量化y=zeros(length(s),8); %存儲(chǔ)矩陣（全零）%段落碼判斷%for m=1:length(s) if q(m)128 & q(m)32 & q(m)

17、512 & q(m)16&q(m)64&q(m)256&q(m)1024&q(m)0 y(m,1)=1; elseif z(m)8 a=a+1; b=1; end t2(a,b)=t1(m); b=b+1; m=m+1; end三 仿真結(jié)果及分析3.1原始語(yǔ)音信號(hào)波形圖在matlab下，調(diào)用函數(shù)wavrecord(6*fs,fs,int16)錄制一段話音信號(hào)，其時(shí)間為6秒，同時(shí)完成對(duì)語(yǔ)音信號(hào)的采樣，采樣頻率是8000hz。然后對(duì)原始語(yǔ)音信號(hào)進(jìn)行分析，畫(huà)出它的時(shí)域波形圖如下圖3-1所示，對(duì)其進(jìn)行時(shí)域分析，分析語(yǔ)音信號(hào)的特性。圖3-1 原始語(yǔ)音信號(hào)波形圖由原始語(yǔ)音信號(hào)的時(shí)域波形圖3-1可知，語(yǔ)音信

18、號(hào)是模擬信號(hào)，其在時(shí)間上和幅度上都連續(xù)的信號(hào)。3.2編碼前的信號(hào)圖運(yùn)行程序后，語(yǔ)音信號(hào)經(jīng)抽樣、量化后的信號(hào)圖如下圖3-2所示： 圖3-2 pcm編碼前的信號(hào)圖原始語(yǔ)音信號(hào)是模擬信號(hào)，在pcm編碼前將其數(shù)字化的過(guò)程中，要先經(jīng)過(guò)抽樣和量化兩步。模擬信號(hào)被抽樣后，成為抽樣信號(hào)，它在時(shí)間上是離散的，但是其取值仍然是連續(xù)的。3.3pcm編碼后信號(hào)圖運(yùn)行程序后，語(yǔ)音信號(hào)經(jīng)pcm編碼后的波形圖如下圖3-3所示：圖3-3pcm編碼后信號(hào)圖由于，次設(shè)計(jì)pcm編碼的方式采用的是a壓縮律，將抽樣、量化后的信號(hào)變換成二進(jìn)制碼元。語(yǔ)音信號(hào)為交流信號(hào)，即輸入電壓有正負(fù)極性，用以為二進(jìn)制碼元來(lái)表示極性。采用a律13折線法，

19、將量化區(qū)間劃分成非均勻的8段，用3位二進(jìn)制碼元表示抽樣值所在段。又將每段均勻分為16小段，用4位二進(jìn)制碼元表示。經(jīng)pcm編碼后，每一抽樣值被用8位二進(jìn)制碼元表示。3.4pcm譯碼后信號(hào)圖運(yùn)行程序后，語(yǔ)音信號(hào)經(jīng)pcm譯碼后的信號(hào)圖如下圖3-4所示：圖3-4pcm譯碼后信號(hào)圖譯碼是編碼的逆過(guò)程，語(yǔ)音信號(hào)經(jīng)pcm譯碼后的波形與編碼前的信號(hào)波形相比較，可以無(wú)失真將原始語(yǔ)音信號(hào)恢復(fù)出來(lái)?？?結(jié)通過(guò)這次通信系統(tǒng)仿真訓(xùn)練，我收獲不少，對(duì)通信原理更加了解，尤其是對(duì)語(yǔ)音信號(hào)進(jìn)行pcm編譯碼有了更深刻了解。一開(kāi)始的預(yù)期工作就是查閱資料，通過(guò)查閱課本和在網(wǎng)上來(lái)查找一些相關(guān)資料。在查閱資料的過(guò)程中，慢慢理清楚了其基本構(gòu)架，并逐漸確定了設(shè)計(jì)和編程思路。首先，運(yùn)用matlab工具調(diào)用函數(shù)wavrecord錄制了一段語(yǔ)音信號(hào)，時(shí)間為12秒，并對(duì)錄下的語(yǔ)音信號(hào)進(jìn)行時(shí)域分析。然后，對(duì)原始語(yǔ)音信號(hào)進(jìn)行數(shù)字化，其數(shù)字化的過(guò)程由抽樣、量化、編碼三步組成。編碼是在matlab下對(duì)語(yǔ)音信號(hào)進(jìn)行pcm編碼，并畫(huà)出了編碼后的波形。最后，將已經(jīng)經(jīng)過(guò)pcm