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

./WORD格式下載可編輯基于PCM的語音信號(hào)編碼的譯碼摘要本設(shè)計(jì)是基于PCM的語音信號(hào)編碼和譯碼性能分析,從計(jì)算機(jī)的麥克風(fēng)錄取一段語音信號(hào),錄制時(shí)間為12秒,并對(duì)錄下的語音信號(hào)進(jìn)行時(shí)域分析。其主要內(nèi)容是將模擬的語音信號(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)字化。數(shù)字化的過程一般由抽樣、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)際的語音信號(hào)進(jìn)行PCM編碼和譯碼。脈沖編碼調(diào)制<PCM,PulseCodeModulation>在通信系統(tǒng)中完成將語音信號(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)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。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。基于PCM的語音信號(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,并通過對(duì)實(shí)際語音信號(hào)進(jìn)行PCM編碼和譯碼來掌握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)的基本過程,成為脈沖編碼調(diào)制<PCM,PulseCodeModulation>,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：語音輸入語音輸入低通濾波、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1-1PCM原理框圖抽樣原理所謂抽樣,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)過抽樣后還應(yīng)當(dāng)包含原信號(hào)中所有信息,也就是說能無失真的恢復(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。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,如果一個(gè)連續(xù)信號(hào)的頻譜中最高頻率不超過,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。量化原理從數(shù)學(xué)上來看,量化就是把一個(gè)連續(xù)幅度值的無限數(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)量化過程可以表達(dá)為[1]：〔1-1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,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)的量化過程如圖1-2所示[3]：模擬入量化器量化值圖1-2模擬信號(hào)的量化編碼原理所謂編碼就是把量化后的信號(hào)變換成代碼,其相反的過程稱為譯碼。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折線的量化來加以說明。在13折線法中,無論輸入信號(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81111024-2048151111701117110512-1024141110601106101256-512131101501015100128-25612110040100401164-12811101130011301032-6410101020010200116-32910011000110000-168100000000語音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,故語音數(shù)字編碼信號(hào)的速率為8bits×8kHz=64kb/s[4].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。譯碼原理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：用來實(shí)現(xiàn)與A/D轉(zhuǎn)換相反的過程,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。1.2A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[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1-213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?？梢?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)錄入的語音信號(hào)現(xiàn)進(jìn)行PCM編碼,然后對(duì)已經(jīng)編碼了的語音信號(hào)進(jìn)行PCM譯碼,其整個(gè)過程的程序流程圖如下圖2-1所示：開始開始語音信源PCM編碼PCM解碼結(jié)束量化圖2-1主函數(shù)流程圖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)計(jì)的流程圖如下圖2-2所示：.輸入信號(hào)輸入信號(hào)判斷符號(hào)歸一化和量化段落判斷段內(nèi)判斷輸出開始結(jié)束圖2-2PCM編碼函數(shù)流程圖PCM譯碼函數(shù)設(shè)計(jì)流程圖輸入碼組輸入碼組提取符號(hào)判斷段落位置判斷段內(nèi)位置判斷符號(hào)位輸出開始結(jié)束圖2-3PCM譯碼函數(shù)流程圖2.2詳細(xì)程序代碼主程序closeall;clearall;y=wavred<‘cang.wav’>figure<1>plot<y>title<‘原始語音信號(hào)波形圖’>N=1001;[M]=wavread<'cang.wav'>;S=M<2000:3000>;%語音信源Figure<2>plot<S,'r'>;holdon;%畫出編碼前信號(hào)xlabel<'時(shí)間'> %x坐標(biāo)名ylabel<'幅值'>%y坐標(biāo)名gridon %添加網(wǎng)格axissquare %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gridon %添加網(wǎng)格axissquare %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>plot<t4>;%畫出譯碼后信號(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gridon %添加網(wǎng)格axissquare %將圖形設(shè)置為正方形2.2.2A律十三折線PCM編碼函數(shù)functionY=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%%form=1:length<S>ifQ<m>>128&&Q<m><2048%在第五段與第八段之間,段位碼第一位都為"1"Y<m,2>=1;endif<Q<m>>32&&Q<m><128>||<Q<m>>512&&Q<m><2048>Y<m,3>=1;%在第三四七八段內(nèi),段位碼第二位為"1"endif<Q<m>>16&&Q<m><32>||<Q<m>>64&&Q<m><128>||<Q<m>>256&&Q<m><512>||<Q<m>>1024&&Q<m><2048>Y<m,4>=1;%在二四六八段內(nèi),段位碼第三位為"1"end%符號(hào)位的判斷ifz<m>>0Y<m,1>=1;elseifz<m><0Y<m,1>=0;endend%段內(nèi)碼判斷程序N=zeros<length<S>>;form=1:length<S>N<m>=Y<m,2>*4+Y<m,3>*2+Y<m,4>+1;%找到Y(jié)位于第幾段enda=[0,16,32,64,128,256,512,1024];%量化間隔b=[1,1,2,4,8,16,32,64];%除以16,得到每段的最小量化間隔form=1:length<S>q=ceil<<Q<m>-a<N<m>>>/b<N<m>>>;%求出在段內(nèi)的位置ifq==0Y<m,<5:8>>=[0,0,0,0];%如果輸入為零則輸出"0"elsek=num2str<dec2bin<q-1,4>>;%編碼段內(nèi)碼為二進(jìn)制Y<m,5>=str2num<k<1>>;Y<m,6>=str2num<k<2>>;Y<m,7>=str2num<k<3>>;Y<m,8>=str2num<k<4>>;endendend將N行8列矩陣轉(zhuǎn)換為1行8*N列的矩陣的函數(shù)functiont1=tqm<R>t1=zeros<length<R>*8,1>;c=1;fora=1:length<R>-1forb=1:8t1<c>=R<a,b>;c=c+1;endendt1=t1';end2.2.4A律十三折線PCM譯碼函數(shù)%PCM譯碼程序functionS=pcm2<Y>d=size<Y,1>;%求出輸入碼組的個(gè)數(shù)a=[0,16,32,64,128,256,512,1024];%段落起點(diǎn)值b=[1,1,2,4,8,16,32,64];%每段的最小量化間隔c=[0,1.5:15.5];%段內(nèi)碼平均值form=1:dt1=Y<m,1>;%取符號(hào)t2=Y<m,2>*4+Y<m,3>*2+Y<m,4>+1;%判斷段落位置t3=Y<m,5>*8+Y<m,6>*4+Y<m,7>*2+Y<m,8>;%判斷段內(nèi)位置ift3==0%段內(nèi)碼為零時(shí)k<m>=a<t2>/2048;elsek<m>=<a<t2>+b<t2>*c<t3>>/2048;%還原出量化后的電平值end%判斷符號(hào)位ift1==0S<m>=-k<m>;elseS<m>=k<m>;endend將8*N行1列的矩陣轉(zhuǎn)換為N行8列矩陣的函數(shù)functiont2=tqn<t1>t2=zeros<length<t1>/8,8>;a=1;b=1;form=1:length<t1>-1ifb>8a=a+1;b=1;endt2<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)語音信號(hào)的采樣,采樣頻率是8000Hz。然后對(duì)原始語音信號(hào)進(jìn)行分析,畫出它的時(shí)域波形圖如下圖3-1所示,對(duì)其進(jìn)行時(shí)域分析,分析語音信號(hào)的特性。圖3-1原始語音信號(hào)波形圖由原始語音信號(hào)的時(shí)域波形圖3-1可知,語音信號(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3-2PCM編碼前的信號(hào)圖原始語音信號(hào)是模擬信號(hào),在PCM編碼前將其數(shù)字化的過程中,要先經(jīng)過抽樣和量化兩步。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)制碼元來表示極性。采用A律13折線法,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程,語音信號(hào)經(jīng)PCM譯碼后的波形與編碼前的信號(hào)波形相比較,可以無失真將原始語音信號(hào)恢復(fù)出來?？偨Y(jié)通過這次通信系統(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)語音信號(hào)進(jìn)行PCM編譯碼有了更深刻了解。一開始的預(yù)期