課程設(shè)計(jì)（論文）語音編碼芯片應(yīng)用

1、語音編碼芯片應(yīng)用語音編碼芯片應(yīng)用第1章緒論. 引言由于移動(dòng)通信和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展,語音編解碼技術(shù)在社會(huì)生活中起著越來越大的作用,本文介紹了語音編解碼的發(fā)展和主要的技術(shù),并以cmx649芯片為中心設(shè)計(jì)了發(fā)送端可接收端都可以使用的編解碼模塊。. 編碼技術(shù)概述在移動(dòng)通信中，傳輸最多的信息是語音信號(hào)。語音信號(hào)是模擬信號(hào)，語音的編解碼就是將語音的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制數(shù)字信號(hào)，到了接收端，再將收到的數(shù)字信號(hào)還原為模擬語音。所以，語音編碼技術(shù)在數(shù)字移動(dòng)通信中具有相當(dāng)關(guān)鍵的作用。為什么要采用編碼技術(shù)？因?yàn)榧词故窃跀?shù)字通信中，通信質(zhì)量比模擬通信時(shí)有了很大提高，但是仍是一個(gè)大問題,特別是在移動(dòng)通信中，由于信道環(huán)境等

2、因素的影響，使得我們不得不通過其它方法來提高我們的傳輸質(zhì)量，采用編碼技術(shù)就是一種有效的方法。在數(shù)字信號(hào)中，我們已經(jīng)將語音的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制數(shù)字信號(hào)，用1和0來表示。在編碼技術(shù)中，我們通過一些方式，把數(shù)碼進(jìn)行變換，得到另外一組適于傳輸?shù)臄?shù)碼，或者用其他的一些數(shù)碼對(duì)原來的數(shù)碼進(jìn)行監(jiān)察，以保證其在傳輸過程中不被誤判。這就是編碼技術(shù)。在現(xiàn)在的移動(dòng)通信中，更多時(shí)候我們傳輸?shù)氖钦Z音信號(hào)。語音編碼為信源編碼。語音編碼技術(shù)在其發(fā)展的幾十年里，研究出多種方案，并且在不斷地研究中日趨成熟，形成了各種實(shí)用技術(shù)，成為通信技術(shù)中的一個(gè)相當(dāng)重要的學(xué)科。在各類通信網(wǎng)中得到廣泛的應(yīng)用。從移動(dòng)通信的要求看，因?yàn)榉峙浣o移動(dòng)通

3、信的頻譜資源本來就很緊張，所以數(shù)字信道的帶寬也不能再寬，這樣才能有比較大的容量。高速的語音編碼，語音質(zhì)量高，但占用的帶寬大，適用于寬帶信道上。中速的編碼，語音質(zhì)量略低，占用的帶寬也小一些。低速編碼的語音質(zhì)量較差，但占用的帶寬較小，可用于對(duì)語音質(zhì)量要求不高的窄帶信道中。第2章語音編解碼技術(shù)的介紹. 語音編碼技術(shù)的類別語音編碼方法歸納起來可以分成三大類：波形編碼、參數(shù)編碼、混合編碼。211 波形編碼波形編碼是將時(shí)間域信號(hào)直接變換為數(shù)字代碼，力圖使重建語音波形保持原語音信號(hào)的波形形狀。波形編碼的基本原理是在時(shí)間軸上對(duì)模擬語音按一定的速率抽樣，然后將幅度樣本分層量化，并用代碼表示。解碼是其反過程，將收

4、到的數(shù)字序列經(jīng)過解碼和濾波恢復(fù)成模擬信號(hào)。212 參數(shù)編碼與波形編碼不同，參數(shù)編碼又稱為聲源編碼，是將信源信號(hào)在頻率域或其它正交變換域提取特征參數(shù)，并將其變換成數(shù)字代碼進(jìn)行傳輸。解碼為其反過程，將收到的數(shù)字序列經(jīng)變換恢復(fù)特征參數(shù)，再根據(jù)特征參量重建語音信號(hào)。213 混合編碼混合編碼是將波形編碼和參數(shù)編碼組合起來，克服了原有波形編碼和參數(shù)編碼的弱點(diǎn)，結(jié)合各自的長(zhǎng)處，力圖保持波形編碼的高質(zhì)量和參數(shù)編碼的低速率，在4-16kbit/s速率上能夠得到高質(zhì)量的合成語音。. 語音編碼所常用的基本技術(shù)語音數(shù)字化的技術(shù)基本可以分為兩大類：第一類方法是在盡可能遵循波形的前提下，將模擬波形進(jìn)行數(shù)字化編碼；第二類方

5、法是對(duì)模擬波形進(jìn)行一定處理，但僅對(duì)語音和收聽過程中能時(shí)候到的語音進(jìn)行編碼。其中語音編碼的三種最常用的技術(shù)是脈沖編碼調(diào)制（pcm）、差分pcm（dpcm）和增量調(diào)制（dm）。221 脈沖編碼調(diào)制（pcm）所謂脈沖編碼調(diào)制，就是將模擬信號(hào)抽樣量化，然后將已量化值變換成代碼。脈沖幅度調(diào)制（pam），使用離散抽樣的時(shí)間以模擬抽樣幅度來從不斷變化的模擬信號(hào)中提取信息。脈沖編碼調(diào)制是對(duì)pam的擴(kuò)展，這里每一個(gè)模擬抽樣制備量化為代表某個(gè)數(shù)字編碼的離散值。因此，pa m系統(tǒng)通過在信源端加上模擬數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換器就能夠轉(zhuǎn)化成為pcm系統(tǒng)。典型的量化過程是其中量化間隔中心的單個(gè)離散值表示。在這種方式中，量化過程對(duì)信號(hào)

6、抽樣值引入了一定程度的誤差或失真。這種誤差，就是所謂的量化噪聲，可以通過建立大量小量化間隔來最小化。當(dāng)然，隨著量化數(shù)目的增加，需要唯一識(shí)別量化間隔的比特?cái)?shù)也增加了。222 差分脈沖編碼調(diào)制（dpcm）差分脈沖編碼調(diào)制dpcm是利用樣本與樣本之間存在的信息冗余度來進(jìn)行編碼的一種數(shù)據(jù)壓縮技術(shù)。差分脈沖編碼調(diào)制的思想是，根據(jù)過去的樣本去估算下一個(gè)樣本信號(hào)的幅度大小，這個(gè)值稱為預(yù)測(cè)值，然后對(duì)實(shí)際信號(hào)值與預(yù)測(cè)值之差進(jìn)行量化編碼，從而就減少了表示每個(gè)樣本信號(hào)的位數(shù)。它與脈沖編碼調(diào)制(pcm)不同的是，pcm是直接對(duì)采樣信號(hào)進(jìn)行量化編碼，而dpcm是對(duì)實(shí)際信號(hào)值與預(yù)測(cè)值之差進(jìn)行量化編碼，存儲(chǔ)或者傳送的是差值

7、而不是幅度絕對(duì)值，這就降低了傳送或存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)量。此外，它還能適應(yīng)大范圍變化的輸入信號(hào)。圖中，差分信號(hào)是離散輸入信號(hào)和預(yù)測(cè)器輸出的估算值之差。注意，是對(duì)的預(yù)測(cè)值，而不是過去樣本的實(shí)際值。dpcm系統(tǒng)實(shí)際上就是對(duì)這個(gè)差值進(jìn)行量化編碼，用來補(bǔ)償過去編碼中產(chǎn)生的量化誤差。dpcm系統(tǒng)是一個(gè)負(fù)反饋系統(tǒng)，采用這種結(jié)構(gòu)可以避免量化誤差的積累。重構(gòu)信號(hào)是由逆量化器產(chǎn)生的量化差分信號(hào)，與對(duì)過去樣本信號(hào)的估算值求和得到。它們的和，即作為預(yù)測(cè)器確定下一個(gè)信號(hào)估算值的輸入信號(hào)。由于在發(fā)送端和接收端都使用相同的逆量化器和預(yù)測(cè)器，所以接收端的重構(gòu)信號(hào)可從傳送信號(hào)獲得。 dpcm方塊圖223 增量調(diào)制（dm）增量調(diào)制（dm

8、）是又一種在語音波形中專門利用抽樣與抽樣之間冗余的數(shù)字化技術(shù)。實(shí)際上。dm能被認(rèn)為是dpcm的一個(gè)特殊情況，差信號(hào)的每抽樣僅使用1比特。唯一的1比特僅指出差異抽樣的極性，因此指示出了信號(hào)從上個(gè)抽樣開始時(shí)增加還是減少。對(duì)輸入波形的大致近似在反饋通路中進(jìn)行構(gòu)建的，當(dāng)差異為正的時(shí)侯通過上升一個(gè)量化階，或當(dāng)差異為負(fù)的時(shí)候，下降一個(gè)量化階來進(jìn)行。用這種方法，輸入信號(hào)被按照上升或下降的序列以類似樓梯的方式來編碼。反饋信號(hào)會(huì)向一個(gè)方向上升直到近似信號(hào)超過了輸入信號(hào)，同時(shí)反饋會(huì)向反方向進(jìn)行直到輸入信號(hào)超過了近似信號(hào)。因此，當(dāng)跟蹤輸入信號(hào)時(shí)，dm輸出在輸入波形附近來回跳動(dòng)，運(yùn)行通過平滑濾波器來精確的重建輸入信號(hào)

9、。第3章 畢業(yè)設(shè)計(jì)涉及的幾種編解碼技術(shù)的介紹. pcm編碼脈沖編碼調(diào)制（pcm）是將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制數(shù)字信號(hào)的編碼過程。它產(chǎn)生的pcm信號(hào)經(jīng)過壓縮碼率的信源編碼送入信道編碼器，將碼流變成適合于傳輸?shù)男问剿腿胄诺溃o線、有線）傳送。在接受端經(jīng)信道解碼、信源解碼還原成pcm信號(hào)，再經(jīng)pcm解號(hào)，輸出模擬信號(hào)予以顯示。pcm編碼原理：pcm編碼包括取樣、量化和二進(jìn)制編碼三個(gè)階段。將模擬信號(hào)換成在時(shí)間上，幅度上都是離散的pcm信號(hào)。因而pcm編碼又稱a/d轉(zhuǎn)換。311 取樣所謂抽樣，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)。圖a為模擬信號(hào)f（t）。其最高頻率為fm：b是

10、f（t）的頻譜 f（）。最高角頻率為m=2fm。c是間隔為t的沖激數(shù)序列，t（t），現(xiàn)用t（t）對(duì)f（t）進(jìn)行取樣，取樣后的信號(hào)為fs（t）（圖e）由于t(t)的頻譜t()為：t()=s（-ns）。（式中：s=2fs、fs=1/t）也是沖激序列（圖d）。所以，fs（t）可看作是f（t）（）如圖f 所示（s=2m）。顯然可以看出，如果s2m，用一個(gè)截止頻率為=/2的理想低通濾波器。就能把模擬信號(hào)的信息不失真地恢復(fù)出來。所以，不失真取樣的條件是取樣頻率應(yīng)大于或等于模擬信號(hào)最高頻率的2倍。這就是奈奎斯特取樣準(zhǔn)則。在取樣過程中存在著混疊噪聲和孔徑失真?；殳B噪聲：根據(jù)采樣定理，如果s2m時(shí)，fs（t）的

11、頻譜就會(huì)出現(xiàn)混疊現(xiàn)象（圖g）。這時(shí)既使用理想的波濾器，也難以取出f（t）的頻譜。因而，恢復(fù)出的信號(hào)竟產(chǎn)生失真混疊失真。所以在取樣前，應(yīng)將f（t）信號(hào)通過一低通濾波器，濾除fm以上的信號(hào)，由于濾波器的幅頻響應(yīng)不可能是陡峭的，所以限帶不可能完善，而混疊噪聲將不可避免，為此，應(yīng)把fs提高到2.22.7fm?？讖绞д妫喝用}沖內(nèi)部可能是理想的沖激脈沖，而具有一定的脈沖寬度。這樣就會(huì)引入取樣脈沖的動(dòng)態(tài)誤差，其大小與輸入信號(hào)的變化速度有關(guān)，理論分析表明，f（t）發(fā)生了 高頻哀減，需要在pcm解調(diào)器進(jìn)行補(bǔ)償。312 量化所謂量化，就是把經(jīng)過抽樣得到的瞬時(shí)值將其幅度離散，即用一組規(guī)定的電平，把瞬時(shí)抽樣值用最接

12、近的電平值來表示。即將取樣保持后的幅度上連續(xù)的信號(hào)變?yōu)橛邢迋€(gè)在幅度上離散的二進(jìn)制pcm信號(hào)。量化分為含入量化和截尾量化。如果a表示量化間距，顯然，舍入量化的最大誤差為a/2。而截尾量化的最大誤差為a，所以，前者用的較多。如果輸入信號(hào)的動(dòng)態(tài)范圍為a，則有m=aa。用二進(jìn)制編碼時(shí)，所需的碼位數(shù)（比特?cái)?shù)）n與m的關(guān)系為：m=2，顯然a一定時(shí)，a越小，則m越大，響應(yīng)的比特?cái)?shù)n也越大。量化噪聲分析：在量化過程中，由于用頻置的量化級(jí)數(shù)電平代替了被兩化信號(hào)，因而必然帶來量化噪聲。對(duì)于舍入式量化，量大誤差為a/2，經(jīng)理論分析可得出如下結(jié)論：對(duì)于正弦信號(hào)（伴音信號(hào)）：sq/nq=1.5對(duì)于單極性信號(hào)（亮度信號(hào)）

13、sq/nq=2對(duì)均勻量化，由于a固定，所以，信噪比與輸入信號(hào)動(dòng)態(tài)范圍有關(guān)，強(qiáng)信號(hào)時(shí)可把噪聲淹沒：弱信號(hào)時(shí)，噪聲的干擾就很明顯，為維持信噪比基本不變，應(yīng)使a隨a變化，即a大時(shí)粗量化而a小時(shí)細(xì)量化，這就是非均勻量化。由于人的聽覺與視覺響應(yīng)不同，因而，一般對(duì)音頻信號(hào)進(jìn)行非均勻量化而對(duì)視頻信號(hào)進(jìn)行均勻量化。313 編碼編碼是將經(jīng)量化的電平編成二進(jìn)制，一般采用自然二進(jìn)制碼，它能直觀，簡(jiǎn)便的反映出量化電平的值： 十進(jìn)制量化級(jí)數(shù)值： m(10)=cn2n-1+cn-12n-2+c120量化電平值：a(10)=m(10)a由于自然二進(jìn)制碼在傳送的過程中，如果出現(xiàn)差錯(cuò)，特別是高位出錯(cuò)時(shí)，譯碼后會(huì)造成較大的電平誤

14、差。因而，有時(shí)也采用格雷碼和折疊碼，格雷碼相臨量化級(jí)碼之間的碼距為1，據(jù)數(shù)理統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示，如果出現(xiàn)誤碼譯碼后的電平誤差要小。而折疊碼是以量化范圍的中心為折疊線，上下對(duì)稱排列。其最高位代表符號(hào)，它適應(yīng)宜用于雙極性信號(hào)，如伴音信號(hào)。最高位出錯(cuò)時(shí)，僅將信號(hào)反相，幅度不會(huì)變化，所以具有傳輸時(shí)誤碼所產(chǎn)生的噪聲幅度最小的優(yōu)點(diǎn)。. adm編碼（自適應(yīng)增量調(diào)制編碼）自適應(yīng)增量調(diào)制（adm）：增量調(diào)制的兩個(gè)缺點(diǎn)：斜率過載和產(chǎn)生粒狀噪聲。斜率過載是指增量調(diào)制的輸出不能跟蹤輸入信號(hào)的快速變化。粒狀噪聲是指當(dāng)輸入信號(hào)與輸出信號(hào)相等時(shí)，編碼器過載造成失真，這是學(xué)要加大量化增量。自適應(yīng)增量調(diào)制的特點(diǎn)是量化增量會(huì)隨著輸入信

15、號(hào)自動(dòng)調(diào)整。該系統(tǒng)設(shè)定系統(tǒng)輸出為+1和-1，當(dāng)輸出值不變化時(shí)，量化器量化增量增大50%，當(dāng)輸出值改變時(shí)，量化器的量化增量減小50%。從而使斜率過載和粒狀噪聲達(dá)到最小。在斜率過載時(shí)，量化增量每次增加50%，以使預(yù)測(cè)值的輸出跟上輸入信號(hào)的變化；當(dāng)預(yù)測(cè)器的輸出超過輸入信號(hào)時(shí)，量化增量就減小，從而改變粒狀噪聲。在adm 技術(shù)中, 前向反饋adm , 量化器的步長(zhǎng)自適應(yīng)調(diào)整到與輸入信號(hào)的強(qiáng)度成正比； 而后向反饋adm 中， 量化器步長(zhǎng)的自適應(yīng)調(diào)整是基于量化器輸出的樣值幅度的。在這里，主要介紹一下一般采用的后向反饋?zhàn)赃m應(yīng)算法。321 數(shù)學(xué)建模 增量調(diào)制也稱調(diào)制(delta modulation, dm )

16、 , 是一種預(yù)測(cè)編碼技術(shù)，以看成是dpcm 的一種簡(jiǎn)化形式。dm 是對(duì)實(shí)際的采樣信號(hào)與預(yù)測(cè)的采樣信號(hào)之差的極性進(jìn)行編碼， 采用2 電平(1 比特) 量化器, 配以固定的一階預(yù)測(cè)器， 將極性變成“+ 1”和“- 1”這兩種可能的取值之一。在量化器中, 如果實(shí)際的采樣信號(hào)與預(yù)測(cè)的采樣信號(hào)之差大于“0”， 則用“+ 1”表示；反之則用“- 1”表示，或者相反。預(yù)測(cè)器根據(jù)輸入“+ 1”或“- 1”來預(yù)測(cè)下一個(gè)樣值是上升一個(gè)還是下降一個(gè),以跟上模擬信號(hào)波形的變化。最后編碼送出的是一串二進(jìn)制比特流：“+ 1”用“1”表示；“- 1”用“0”表示。由于dm 編碼只須用1 位比特對(duì)話音信號(hào)進(jìn)行編碼， 所以dm

17、 編碼系統(tǒng)又稱為“1 位系統(tǒng)”。算法如下(其算法實(shí)現(xiàn)見圖1 和圖2) ：x n = x n- 1 + en- 1 (1)en = x n xn (2)式中：令xn 代表當(dāng)前的信源樣值， x n 代表x n 的估計(jì)值， en 代表估計(jì)誤差。輸入模擬信號(hào)x ( t)， 經(jīng)抽樣器取樣后輸出x n ， 與單步預(yù)測(cè)器輸出x n 相減， 得到en。量化器再根據(jù)en的極性(大于0, 還是小于0) 輸出編碼en(“+ 1”或“- 1”)。其中：式(1) 差分方程是預(yù)測(cè)器，實(shí)質(zhì)上代表一個(gè)對(duì)輸入en 的積分器， 也可稱為本地譯碼。其等效實(shí)現(xiàn)方法是采用一個(gè)累加器， 令其輸入信號(hào)為量化誤差信號(hào)en， 輸出就是xn。一

18、般地， 這個(gè)量化誤差信號(hào)可用某個(gè)值來標(biāo)定， 如步長(zhǎng)。最后，預(yù)測(cè)器產(chǎn)生一個(gè)與信源模擬信號(hào)波形相似的近似于線性階梯函數(shù)的波形。在接收端， 同理于發(fā)送端的本地譯碼器。解碼輸出的xn 要經(jīng)過一個(gè)低通濾波器， 平滑波形來恢復(fù)信源信號(hào)。對(duì)于任何給定的抽樣速率， 增量調(diào)制(dm ) 編碼器的性能都要受到兩類失真的限制。一類是斜率過載失真，它是由于所用的步長(zhǎng)太小， 跟不上模擬信號(hào)波形中斜率陡峭部分的變化速度而造成的； 另一類失真為顆粒失真也稱為一般量化噪聲， 是由于所用的步長(zhǎng) 太大，在模擬信號(hào)波形中的斜率較小部分產(chǎn)生的。在dm 系統(tǒng)中, 選擇步長(zhǎng), 使兩類失真最小的這種要求是相互矛盾的，為減小顆粒失真， 必須

19、減小步長(zhǎng)； 而為減小斜率過載失真， 必須增大步長(zhǎng)。解決辦法之一是選擇， 使兩類失真的均方值之和最小。但是， 即使被優(yōu)化而使斜率過載失真和顆粒失真兩者總的均方值達(dá)到最小， dm 編碼器的性能可能仍然不令人滿意。那么第二種解決辦法就是采用可變步長(zhǎng)， 使其適應(yīng)信源信號(hào)的即時(shí)特性， 即當(dāng)波形具有陡峭斜率時(shí)，使步長(zhǎng)增大， 當(dāng)波形斜率相對(duì)較小時(shí)，使步長(zhǎng)減小。這就是自適應(yīng)特性。自適應(yīng)增量調(diào)制(adm )， 就是基于這種思想而產(chǎn)生的。為了使增量調(diào)制器的步長(zhǎng)能夠自適應(yīng)， 也就是根據(jù)輸入模擬信號(hào)波形斜率的變化自動(dòng)調(diào)整步長(zhǎng)的大小，以使斜率過載失真和顆粒失真都減到最小。許多研究人員研究了各種各樣的方法，其基本思想是在

20、檢測(cè)到斜率過載時(shí)開始增大步長(zhǎng)，而在輸入信號(hào)的斜率減小時(shí)減小步長(zhǎng)。量化誤差en可以為被編碼波形的斜率特性提供很好的提示。如果en 在連續(xù)的幾個(gè)抽樣時(shí)刻得到的樣值符號(hào)都是“+ ”或都是“- ”，就說明模擬信源信號(hào)波形上升或下降太快，而估計(jì)值變化無法跟上。在這種情況下，adm 系統(tǒng)就要增大步長(zhǎng)以減小斜率過載失真。反之，如果en在“+ 和“- ”之間交替變化，就說明模擬信源信號(hào)波形斜率變化緩慢，沒有發(fā)生斜率過載失真，那么，系統(tǒng)就要減小步長(zhǎng)以減小量化噪聲。一般采用是兩次疊代的方法。式(3) 中，應(yīng)選擇合適的k值使得整個(gè)失真最小化。根據(jù)式(4)，基于式(1) 和式(2) 對(duì)圖1 和圖2 的dm 系統(tǒng)模型稍

21、作修改，可得到如圖3 和圖4 所示的模型。其中：令xn代表當(dāng)前的信源樣值，xn 代表xn 的自適應(yīng)估計(jì)值, en代表自適應(yīng)估計(jì)誤差。模型中與dm 系統(tǒng)不同的地方，就是在積分器部分加了一些對(duì)步長(zhǎng)根據(jù)式(3) 進(jìn)行動(dòng)態(tài)計(jì)算的功能模塊。如圖3模型中右下部分。其中k的取值要適當(dāng)。322 數(shù)學(xué)模型仿真及仿真結(jié)果分析文中仿真輸入的模擬信號(hào)是兩個(gè)正弦信號(hào)的疊加，頻率分別為：100 hz 和300 hz。抽樣頻率選擇在13 000hz。dm 系統(tǒng)信源編碼器和譯碼器仿真實(shí)現(xiàn)結(jié)果如圖5和圖6所示。圖5中示出了三種曲線，從下往上依次為編碼輸出的二進(jìn)制比特流；量化噪聲(用模擬信號(hào)與階梯波形之間的誤差表示)； 信源模擬

22、信號(hào)波形和量化后的近似于線性階梯函數(shù)的波形。圖6中解碼器的輸出與原輸入模擬信號(hào)相比有一些延遲，這是由于xn經(jīng)過低通濾波器平滑濾波的緣故。對(duì)于任何給定的抽樣速率,dm 編碼器的性能都要受到兩類失真的限制(斜率過載失真和顆粒失真也稱為一般量化噪聲)。這兩類失真在圖5 中可明顯看出, 統(tǒng)稱其為量化噪聲。實(shí)際的操作中，一般讓dm 系統(tǒng)的抽樣頻率fs選得足夠大，這樣，既能夠減小斜率過載失真，又可以降低一般量化噪聲，而使dm 系統(tǒng)的量化噪聲減小到給定的容許數(shù)值。這個(gè)結(jié)論可以在圖8中得到肯定。很明顯，當(dāng)系統(tǒng)的抽樣頻率f s 越取越大時(shí)，量化噪聲功率是越來越小的。但是，工程應(yīng)用當(dāng)中這是不現(xiàn)實(shí)的。抽樣頻率提高了

23、，相應(yīng)地編碼速率也會(huì)提高，進(jìn)而系統(tǒng)帶寬也會(huì)增加。這樣, 不僅加大了成本，在實(shí)現(xiàn)上也造成了很大的困難，而且部分甚至全部地抵消了dm 系統(tǒng)原本對(duì)于帶寬節(jié)省的優(yōu)越性。adm 系統(tǒng)信源編碼器仿真實(shí)現(xiàn)結(jié)果如圖7 所示,其譯碼器仿真實(shí)現(xiàn)結(jié)果與dm 系統(tǒng)相同，這里就不再列出。與dm 系統(tǒng)一樣，圖7 中也示出了三種曲線，從下往上依次為編碼輸出的二進(jìn)制比特流，量化噪聲, 信源模擬信號(hào)波形和量化后的近似于線性階梯函數(shù)的波形。圖8 中是將dm 系統(tǒng)和adm 系統(tǒng)針對(duì)不同的抽樣頻率所得的量化噪聲功率進(jìn)行比較。這里，k 選擇了111，步長(zhǎng)初始取值為011250。對(duì)于任何給定的抽樣速率，adm 編碼器的性能同樣受到斜率過

24、載失真和顆粒失真兩類失真的限制。但是，從圖8 中可以看出，adm 系統(tǒng)的性能總的說來是優(yōu)于dm 系統(tǒng)的。當(dāng)抽樣頻率在810 917 khz 時(shí)，dm 系統(tǒng)的性能稍優(yōu)于adm 系統(tǒng)；當(dāng)抽樣頻率在918 khz 和1516 khz 時(shí)，兩者性能無較大差別； 當(dāng)抽樣頻率大于16 khz 時(shí)，adm 系統(tǒng)的性能明顯優(yōu)于dm 系統(tǒng)。由于自適應(yīng)地改變步長(zhǎng)， adm 系統(tǒng)可在模擬信號(hào)幅度較小時(shí)給出準(zhǔn)確地估計(jì)，而不會(huì)在模擬信號(hào)幅度大的地方犧牲性能。此文針對(duì)步長(zhǎng)的改變，采用了一個(gè)相對(duì)簡(jiǎn)單的算法，對(duì)于相關(guān)參考文獻(xiàn)中提出的其它算法和不同的信源模擬信號(hào)，可能以上所述的adm性能會(huì)更加明顯。這有待于進(jìn)一步討論。在snr

25、 不夠高的情況下，由于adm 系統(tǒng)的步長(zhǎng)是自適應(yīng)變化的，就可以避免在使用dm 系統(tǒng)過程中出現(xiàn)的而無法解決的問題：接收機(jī)在接收到符號(hào)進(jìn)行譯碼時(shí)就會(huì)譯錯(cuò)(如+譯成-)。這樣就相當(dāng)于錯(cuò)了2。而接收端的估計(jì)信號(hào)會(huì)隨著發(fā)送端的估計(jì)信號(hào)變化, 但是偏差了2。這種情況只有當(dāng)另外一個(gè)錯(cuò)誤再發(fā)生時(shí)才會(huì)改變, 要么抵消原先的錯(cuò)誤, 要么疊加原先的錯(cuò)誤成雙倍。adm 系統(tǒng)與dm 系統(tǒng)相比具有更大的動(dòng)態(tài)范圍，因此它可以使用較低的速率，如32kbps 甚至是16 kbps。在無線通信系統(tǒng)中，采用adm 技術(shù)就可以用16 kbps的速率，在25 khz 帶寬的無線信道上直接傳輸降低了質(zhì)量的數(shù)字話音信號(hào)。上文中所討論的增量

26、調(diào)制(dm ) 和它的改進(jìn)型自適應(yīng)增量調(diào)制(adm ) 都屬于波形編碼技術(shù)。尤其是adm技術(shù)具有適應(yīng)能力強(qiáng)、語音質(zhì)量好等優(yōu)點(diǎn)。而且在16kbps的速率上, 也能給出高的編碼質(zhì)量。由于其所用的編碼速率仍然較高, 適用于對(duì)信號(hào)帶寬要求不太嚴(yán)格的通信中，而對(duì)頻率資源相對(duì)緊張的移動(dòng)通信來說，這種編碼方式顯然還是沒有達(dá)到要求。當(dāng)速率進(jìn)一步下降時(shí)，其性能會(huì)下降較快。為此, 許多科技人員研究了各種各樣的方法，而且?guī)缀跛械姆椒ɑ旧隙际窃跈z測(cè)到斜率過載時(shí)開始增大步長(zhǎng)，而在輸入信號(hào)的斜率減小時(shí)減小步長(zhǎng)。在對(duì)步長(zhǎng)自適應(yīng)調(diào)整的大多數(shù)算法中都是基于對(duì)量化誤差en，在過去時(shí)間內(nèi)的連續(xù)3 個(gè)或4 個(gè)樣值的考慮。. cv

27、sd（連續(xù)可變斜率增量調(diào)制）pcm是根據(jù)輸入信號(hào)的采樣值，以固定的量化步長(zhǎng)對(duì)語音信號(hào)進(jìn)行量化和編碼的。在采樣頻率一定的情況下，量化步長(zhǎng)的選取將決定編碼效果和語音質(zhì)量。由于輸入信號(hào)的隨機(jī)性與多樣性，pcm編碼的效果并不十分理想，相對(duì)于輸入信號(hào)振幅的變化而言，往往會(huì)因?yàn)榱炕介L(zhǎng)的過小或過大而造成量化噪聲和過載噪聲，當(dāng)傳輸中有誤碼發(fā)生時(shí)，將會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的信號(hào)失真。cvsd的量化步長(zhǎng)是可動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)的。它通過對(duì)輸入信號(hào)的振幅變化率來調(diào)節(jié)量化步長(zhǎng)的增量值，當(dāng)輸入信號(hào)的振幅變化率增大時(shí)，增量值也相應(yīng)增大，反之亦然。這樣，它就能對(duì)輸入的原始信號(hào)進(jìn)行準(zhǔn)確的跟蹤、量化及編碼，從而擁有很高的信號(hào)保真度。經(jīng)研究測(cè)試表明，

28、采樣速率在20kbps左右的cvsd的語音編碼能夠基本滿足日常的無線語音通話要求，與pcm和adpcm相比，語音質(zhì)量要略低于64kbps的pcm和32kbps的adpcm，但要優(yōu)于16kbps的adpcm。cvsd編碼擅長(zhǎng)處理丟失和被損壞的語音采樣，即使誤碼率達(dá)到4%，經(jīng)cvsd編碼的語音還是可聽的。第4章 畢業(yè)設(shè)計(jì)相關(guān)芯片的介紹. cmx649芯片介紹cmx649是由cml公司研制開發(fā)的一種支持cvsd語音編碼調(diào)制的芯片。它提供全雙工的adm（cvsd），-律、a-律和線性pcm編碼以及adm與pcm的碼制轉(zhuǎn)換功能，為無線語音應(yīng)用提供一種低成本、低功耗的理想解決方案。cmx649adm音頻編

29、解碼處理器提供了基于低成本，低功耗和無線音頻應(yīng)用下的多種處理能力，包括：全雙工的adm，律/a律以及線性的pcm編解碼和代碼間的轉(zhuǎn)換?？蛇x的模式及法則可以支持眾多的應(yīng)用，全面的adm譯碼(如cvsd)減少了主協(xié)議和軟件的負(fù)擔(dān), 也減少了將來的錯(cuò)誤修正，議制定和運(yùn)算處理.編解碼的雙模式處理也支持了多通話線路的應(yīng)用。完善的濾波器可以在16kbps-128kbps的數(shù)據(jù)速率之間自由調(diào)整.編解碼器的采樣時(shí)鐘可以是內(nèi)部生成的也可以是外部施加的.高性能的模擬接口和側(cè)音也包含了數(shù)字增益的控制。編碼和解碼的聲音功率檢波器支持節(jié)能模式。cmx649adm聲音信號(hào)編解碼器可以在2.7v-5.5v電壓下運(yùn)行,可以是

30、20針的soic(d3)封裝也可以是tssop(e3)封裝。引腳定義：soic封裝tssop封裝信號(hào)描述引腳號(hào)引腳號(hào)名稱類型11strb數(shù)字輸入串行i/o口8/16緩沖的選通信號(hào)22env vad數(shù)字輸出編碼器的聲音功率檢波器輸出33vdd電源正電壓提供44mic out模擬輸出從麥克風(fēng)放大器輸出的模擬信號(hào)55mic +模擬輸入輸入到麥克風(fēng)放大器的正向模擬信號(hào)66mic -模擬輸入輸入到麥克風(fēng)放大器的反向模擬信號(hào)77vbias模擬輸出1/2的vdd:沒有緩沖的時(shí)候不能使用外部程序.這個(gè)引腳必須與vss用一個(gè)大于1f的電容進(jìn)行去藕合88audio out模擬輸出譯碼器的模擬信號(hào)輸出99vss電源

31、負(fù)電壓(接地)1010dec vad數(shù)字輸出譯碼器的聲音功率檢波器輸出1111rx data數(shù)字輸入接收信號(hào)的串行數(shù)據(jù)輸入1212rx clk數(shù)字i/o譯碼器的數(shù)據(jù)時(shí)鐘1313xtal/clk模擬輸入4-16mhz石英振蕩器輸入1414irqn數(shù)字輸出)1515rply數(shù)字輸出)1616cmd數(shù)字輸入)c-bus的控制信號(hào)1717sclk數(shù)字輸入)1818csn數(shù)字輸入)1919tx clk數(shù)字i/o已編碼的數(shù)據(jù)輸出的時(shí)鐘信號(hào)2020tx data數(shù)字輸出已編碼的數(shù)據(jù)輸出注釋：i/o=輸入/輸出 nc=無連接. 8051單片機(jī)在單片機(jī)控制方面,采用了aat89c52芯片，以8051為處理器，在

32、此做簡(jiǎn)要的介紹。8051單片機(jī)包含中央處理器、程序存儲(chǔ)器(rom)、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器(ram)、定時(shí)/計(jì)數(shù)器、并行接口、串行接口和中斷系統(tǒng)等幾大單元及數(shù)據(jù)總線、地址總線和控制總線等三大總線。中央處理器(cpu)是整個(gè)單片機(jī)的核心部件，是8位數(shù)據(jù)寬度的處理器，能處理8位二進(jìn)制數(shù)據(jù)或代碼，cpu負(fù)責(zé)控制、指揮和調(diào)度整個(gè)單元系統(tǒng)協(xié)調(diào)的工作，完成運(yùn)算和控制輸入輸出功能等操作。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器(ram)：8051內(nèi)部有128個(gè)8位用戶數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元和128個(gè)專用寄存器單元，它們是統(tǒng)一編址的，專用寄存器只能用于存放控制指令數(shù)據(jù)，用戶只能訪問，而不能用于存放用戶數(shù)據(jù)，所以，用戶能使用的的ram只有128個(gè)，可存放讀寫的數(shù)

33、據(jù)，運(yùn)算的中間結(jié)果或用戶定義的字型表。程序存儲(chǔ)器(rom)：8051共有4096個(gè)8位掩膜rom，用于存放用戶程序，原始數(shù)據(jù)或表格。定時(shí)/計(jì)數(shù)器(rom)：8051有兩個(gè)16位的可編程定時(shí)/計(jì)數(shù)器，以實(shí)現(xiàn)定時(shí)或計(jì)數(shù)產(chǎn)生中斷用于控制程序轉(zhuǎn)向。并行輸入輸出(i/o)口：8051共有4組8位i/o口(p0、p1、p2或p3)，用于對(duì)外部數(shù)據(jù)的傳輸。全雙工串行口：8051內(nèi)置一個(gè)全雙工串行通信口，用于與其它設(shè)備間的串行數(shù)據(jù)傳送，該串行口既可以用作異步通信收發(fā)器，也可以當(dāng)同步移位器使用。中斷系統(tǒng)：8051具備較完善的中斷功能，有兩個(gè)外中斷、兩個(gè)定時(shí)/計(jì)數(shù)器中斷和一個(gè)串行中斷，可滿足不同的控制要求，并具有

34、2級(jí)的優(yōu)先級(jí)別選擇。時(shí)鐘電路：8051內(nèi)置最高頻率達(dá)12mhz的時(shí)鐘電路，用于產(chǎn)生整個(gè)單片機(jī)運(yùn)行的脈沖時(shí)序，但8051單片機(jī)需外置振蕩電容。部分引腳簡(jiǎn)單說明：p20：接地腳；p40：正電源腳，正常工作或?qū)ζ瑑?nèi)eprom燒寫程序時(shí)，接+5v電源；p19：時(shí)鐘xtal1腳，片內(nèi)振蕩電路的輸入端；p18：時(shí)鐘xtal2腳，片內(nèi)振蕩電路的輸出端。8051的時(shí)鐘有兩種方式，一種是片內(nèi)時(shí)鐘振蕩方式，但需在18和19腳外接石英晶體(2-12mhz)和振蕩電容，振蕩電容的值一般取10p-30p。另外一種是外部時(shí)鐘方式，即將xtal1接地，外部時(shí)鐘信號(hào)從xtal2腳輸入；輸入輸出(i/o)引腳：p39-p32為

35、p0.0-p0.7輸入輸出腳，p1-p1為p1.0-p1.7輸入輸出腳，p21-p28為p2.0-p2.7輸入輸出腳，p10-p17為p3.0-p3.7輸入輸出腳；p9：reset/vpd復(fù)位信號(hào)復(fù)用腳，當(dāng)8051通電，時(shí)鐘電路開始工作，在reset引腳上出現(xiàn)24個(gè)時(shí)鐘周期以上的高電平，系統(tǒng)即初始復(fù)位。初始化后，程序計(jì)數(shù)器pc指向0000h，p0-p3輸出口全部為高電平，堆棧指鐘寫入07h，其它專用寄存器被清“0”。reset由高電平下降為低電平后，系統(tǒng)即從0000h地址開始執(zhí)行程序。然而，初始復(fù)位不改變r(jià)am（包括工作寄存器r0-r7）的狀態(tài)；p30：ale/當(dāng)訪問外部程序器時(shí)，ale(地址

36、鎖存)的輸出用于鎖存地址的低位字節(jié)。而訪問內(nèi)部程序存儲(chǔ)器時(shí)，ale端將有一個(gè)1/6時(shí)鐘頻率的正脈沖信號(hào)，這個(gè)信號(hào)可以用于識(shí)別單片機(jī)是否工作，也可以當(dāng)作一個(gè)時(shí)鐘向外輸出。更有一個(gè)特點(diǎn)，當(dāng)訪問外部程序存儲(chǔ)器，ale會(huì)跳過一個(gè)脈沖；p29：當(dāng)訪問外部程序存儲(chǔ)器時(shí)，此腳輸出負(fù)脈沖選通信號(hào)，pc的16位地址數(shù)據(jù)將出現(xiàn)在p0和p2口上，外部程序存儲(chǔ)器則把指令數(shù)據(jù)放到p0口上，由cpu讀入并執(zhí)行；p31：ea/vpp程序存儲(chǔ)器的內(nèi)外部選通線，8051內(nèi)置有4kb的程序存儲(chǔ)器，當(dāng)ea為高電平并且程序地址小于4kb時(shí)，讀取內(nèi)部程序存儲(chǔ)器指令數(shù)據(jù)，而超過4kb地址則讀取外部指令數(shù)據(jù)。如ea為低電平，則不管地址大小

37、，一律讀取外部程序存儲(chǔ)器指令。第5章基于cmx649芯片的語音編解碼應(yīng)用設(shè)計(jì). cmx649外部連接系統(tǒng)全圖上圖是cmx649芯片與外部連接好后的原理圖,沒有加入單片機(jī)的控制，全圖收錄在附錄中。注釋：為了達(dá)到優(yōu)秀的抗噪性能,對(duì)vdd和vbias的去藕合及在外部信號(hào)干擾下的信道保護(hù)就非常重要。因此我們推薦,在印制電路板上cmx649芯片的部分最好被放置在一個(gè)水平面上以使得vss，vdd，vbias的隔直電容之間的連接都可以獲得很低的阻抗。511 時(shí)鐘信號(hào) 時(shí)鐘信號(hào)采用一個(gè)石英振蕩器獲得，直接連入13口。選用頻率為4.096mhz一個(gè)頻率為4.096mhz的晶振提供的時(shí)鐘可以正好產(chǎn)生16kbps/

38、32kbps/64kbps的內(nèi)部數(shù)據(jù)時(shí)鐘速率。 512 信號(hào)輸入信號(hào)輸入有兩種：一種是麥克風(fēng)的模擬輸入，通過麥克風(fēng)輸入電路的連接接入到cmx649的麥克風(fēng)放大器(5,6兩個(gè)引腳)進(jìn)行模擬信號(hào)的處理.先進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換然后根據(jù)選擇的編碼方式進(jìn)行編碼。c1-c4和r1-r4用來設(shè)置麥克風(fēng)放大器增益和頻率響應(yīng)。如果設(shè)為圖中的值，則增益是整數(shù)而低頻和高頻的-3db頻率衰減點(diǎn)分別在150hz和15khz。還有一種是信道輸入的數(shù)字編碼信號(hào)，通過11腳(rx data)接入，同時(shí)12腳(rx clk)接入譯碼器的時(shí)鐘信號(hào)。513 pcm編解碼信道 編碼方式的選擇是由c-bus接口控制的，在這里只給出信號(hào)在芯片中

39、具體的處理線路。514 adm編解碼信道515 pcm-adm相互轉(zhuǎn)換516 已處理信號(hào)輸出與信號(hào)的輸入一樣,輸出也分為兩種：一種是模擬信號(hào)輸出，通過8腳(audio out)輸出的模擬音頻信號(hào)與10腳(decvad)檢波器的功率輸出相疊加，最終在外置的揚(yáng)聲器上得到解碼輸出的聲音。隔直電容通過一個(gè)外部的揚(yáng)聲器放大器來驅(qū)動(dòng)揚(yáng)聲器.圖中的值是基于在大約150hz的高通衰減頻率下驅(qū)動(dòng)一個(gè)阻抗為32的揚(yáng)聲器。而另一種則是數(shù)字信號(hào)的輸出，19口(tx clk)輸出已編碼的數(shù)據(jù)輸出的時(shí)鐘信號(hào)，20口(tx data)輸出已編碼的數(shù)據(jù),經(jīng)過信道的傳輸后可以解碼得到還原的語音信號(hào)。517 c-bus接口 c-

40、bus接口包括了14,15,16,17,18一共5個(gè)接口，是cmx649最大的改進(jìn)之處，也是控制編解碼算法和參數(shù)設(shè)置的接口。通過c-bus接口信號(hào)的控制，可以對(duì)cmx649內(nèi)部的寄存器進(jìn)行數(shù)據(jù)讀寫，從而靈活有效的進(jìn)行配置，達(dá)到最大性能或者最低功耗亦或者兩者的平衡。c-bus接口與cmx649內(nèi)部寄存器的控制關(guān)系如下表：只寫寄存器:用于外部信號(hào)對(duì)芯片的控制：寄存器名16位地址/命令第7位(d7)第6位(d6)第5位(d5)第4位(d4)第3位(d3)第2位(d2)第1位(d1)第0位(d0)復(fù)位01xxxxxxxxaaf/aif帶寬61平滑濾波器平滑濾波器帶寬帶寬音量/側(cè)音電平62音量側(cè)音開/關(guān)

41、音頻輸入電平控制器63輸入電平000功率控制1640平滑濾波器0反映像濾波器編碼dac電流譯碼dac電流功率控制265麥克風(fēng)電流音頻電流音量電流晶振電流模擬啟動(dòng)編解碼模式控制7000000編解碼模式量化器控制171量化器分離量化器多項(xiàng)en0inverten0invertt9t8量化器控制2多項(xiàng)t7t6t5t4t3t2t1t0時(shí)鐘分頻控制72prendckenecken濾波器計(jì)數(shù)器濾波器除法器位時(shí)鐘計(jì)數(shù)器解碼位時(shí)鐘計(jì)數(shù)器編碼位時(shí)鐘計(jì)數(shù)器時(shí)鐘源控制7300相位檢測(cè)輸入選擇0000pll enrx位時(shí)鐘選擇tx位時(shí)鐘選擇數(shù)據(jù)濾波器數(shù)據(jù)濾波器和限制功率控制數(shù)據(jù)濾波器bw編解碼中斷控制81編碼允許解碼允

42、許解碼器模式和設(shè)置1d04/8dec選擇pcm輸入選擇adm輸入解碼器輸出選擇0解碼器模式和設(shè)置2vad延遲時(shí)間常量vad激發(fā)時(shí)間常量選擇vad輸出源0解碼器adm控制1d1音節(jié)時(shí)間常量動(dòng)態(tài)步長(zhǎng)范圍積分器壓縮標(biāo)準(zhǔn)解碼器adm控制2積分器主要時(shí)間常量積分器次要時(shí)間常量次要積分器的零位解碼器置零解碼器vad門限1d2音頻功率檢波器的閥值設(shè)置的8-15位解碼器vad門限2音頻功率檢波器的閥值設(shè)置的0-7位解碼器偏移電平1d3偏移量輸入電平的8-15位解碼器偏移電平2偏移量輸入電平的0-7位解碼器線性pcm輸入1d7dac輸入的8-15位直接寫入解碼器線性pcm輸入2dac輸入的0-7位直接寫入解碼器

43、adm輸入d8解碼器adm輸入編碼器模式和設(shè)置1e04/8的dec選擇pcm輸入選擇adm輸入本地解碼器輸出選擇空閑信道增強(qiáng)編碼器模式和設(shè)置2vad延遲時(shí)間常數(shù)vad激發(fā)時(shí)間常量vad輸出源選擇adm輸出選擇編碼器adm控制1e1音節(jié)時(shí)間常量動(dòng)態(tài)步長(zhǎng)范圍積分器壓縮標(biāo)準(zhǔn)編碼器adm控制2積分器主要時(shí)間常量積分器次要時(shí)間常量次要積分器的零位解碼器置零編碼vad閥值1e2音頻功率檢波器的閥值設(shè)置的8-15位編碼vad閥值2音頻功率檢波器的閥值設(shè)置的0-7位編碼偏移電平1e3偏移量輸入電平的8-15位編碼偏移電平2偏移量輸入電平的0-7位編碼器dac輸入1e7dac輸入的8-15位直接寫入編碼器dac

44、輸入2dac輸入的0-7位直接寫入編碼器adm輸入e8編碼器adm輸入只讀寄存器：將信號(hào)的信息發(fā)給外部芯片。這部分的寄存器比較少而且使用上沒有只寫寄存器對(duì)參數(shù)設(shè)置所起的作用顯著。主要是返回芯片的各種狀態(tài),方便程序編寫時(shí)的控制。518 單片機(jī)控制控制方法：由于c-bus接口共有5個(gè)引腳，因此將8051芯片于外部的鎖存器和存儲(chǔ)器連接好后，用p1口中的0，1，2，3，4來分別控制c-bus中的irqn， rply， cmd， sclk， csn口的信號(hào)，用來調(diào)節(jié)芯片的參數(shù)。 cmx649的與8051之間地址和數(shù)據(jù)的讀取是串行方式的，可以進(jìn)行1或2個(gè)字節(jié)的程序或者數(shù)據(jù)的讀取。當(dāng)需要對(duì)芯片進(jìn)行控制的時(shí)候，將csn置于低電平，選通c-bus的控制功能，sclk口輸入時(shí)鐘信號(hào)，在每個(gè)時(shí)鐘周期的有效時(shí)段，單片機(jī)將控制命令輸入cmd口，而相應(yīng)輸出的字節(jié)則通過rply口返回單片機(jī)。在沒有外部時(shí)鐘輸入的時(shí)候，cmd和rply口都不對(duì)輸入或輸入的信號(hào)進(jìn)行處理。當(dāng)csn再次處于高電平時(shí),結(jié)束選通狀態(tài)。根據(jù)這個(gè)原理，就可以編出實(shí)際應(yīng)用的程序來。利用wr口選通