語音信號(hào)的A律13折線PCM編譯碼的MATLAB實(shí)現(xiàn)

通信原理課程設(shè)計(jì)報(bào)告書課題名稱語音信號(hào)的A律13折線PCM編譯碼的MATLAB實(shí)現(xiàn)姓名學(xué)號(hào)學(xué)院通信與電子工程學(xué)院專業(yè)通信工程指導(dǎo)教師2015年4月9日1設(shè)計(jì)目的1.進(jìn)一步學(xué)習(xí)PCM編譯碼器原理；2.在通信系統(tǒng)仿真軟件MATLAB平臺(tái)上，采用M文件設(shè)計(jì)A律PCM碼譯碼器；3.學(xué)會(huì)利用MATLAB對(duì)PCM編碼這種實(shí)際問題進(jìn)行處理，將理論應(yīng)用于實(shí)踐；4.對(duì)設(shè)計(jì)項(xiàng)目進(jìn)行調(diào)試，對(duì)譯碼器進(jìn)行仿真；5.對(duì)仿真結(jié)果結(jié)合編譯碼理論進(jìn)行分析。2設(shè)計(jì)原理2.1PCM編碼原理脈沖編碼調(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，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編碼示意圖如圖1所示。話音輸入話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1PCM原理框圖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)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。2.2A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。美國采用壓縮律，我國和歐洲各國均采用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：（3）（4）其中。在實(shí)際中，A律13折線應(yīng)用比律13折線用得廣泛。表3列出了計(jì)算值與13折線時(shí)的值的比較。表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。A律壓擴(kuò)特性是連續(xù)曲線，A律不同壓擴(kuò)特性也不同，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，往往采用近似于A律函數(shù)規(guī)律的13折線（）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)，。本設(shè)計(jì)中所用到的PCM編碼正是采用這種壓擴(kuò)特性來編碼的。3程序設(shè)計(jì)3.1程序流程圖1.PCM編碼函數(shù)設(shè)計(jì)流程圖語音信源語音信源PCM編碼調(diào)制,加噪聲,解調(diào)PCM解碼開始結(jié)束圖3主函數(shù)流程圖2.PCM編碼函數(shù)設(shè)計(jì)流程圖輸入信號(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4編碼函數(shù)3.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5譯碼3.2程序代碼(見附錄)4仿真結(jié)果及分析4.1舉例分析4.2通過繪制圖形整體分析5設(shè)計(jì)體會(huì)參考文獻(xiàn)[1]樊昌信，曹麗娜.通信原理[M].北京：國防工業(yè)出版社,2011.[2]別志紅，別紅霞.信息與通信系統(tǒng)仿真[M].北京：北京郵電大學(xué)出版社,2010.[3]趙守彬,李鴻剛.利用Matlab實(shí)現(xiàn)PCM編碼的A律13折線法量化[J].科技信息,2010.[4]劉全金.一種A律PCM編碼的簡(jiǎn)化方法[J].安慶師范學(xué)院學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2007年11月第13卷第4期.[5]曹志剛，錢亞生．現(xiàn)代通信原理[M]．北京：清華大學(xué)出版社，1992.

[6]張志勇，楊祖攖.MATLAB教程[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2006.附錄:1.主程序closeall;clearall;N=1001;[M]=wavread('a.wav');S=M(2000:3000);%語音信源plot(S,'r');holdon;%畫出編碼前信號(hào)t1=pcm1(S);%調(diào)用編碼函數(shù)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)sim('mod1');%調(diào)制sim('channel1');%送入信道，加噪聲sim('dem1');%解調(diào)t6=tqn(t5);%將8*N行1列的矩陣轉(zhuǎn)換為N行8列矩陣的函數(shù)t7=pcm2(t6);%調(diào)用譯碼函數(shù)plot(t7);%畫出譯碼后信號(hào)title('PCM編譯碼前后信號(hào)的比較'); %標(biāo)題legend('PCM編碼前的信號(hào)','PCM譯碼后的信號(hào)')%添加圖例注解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.A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));endendend3.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';end3.調(diào)制mod1模塊圖8調(diào)制5.送入信道及加噪聲channel1模塊圖9送入信道及加噪聲6.解調(diào)dem1模塊圖10解調(diào)7.A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(