PCM语音编解码系统分析.docx

1、PCM语音编解码系统分析第 一 章 引言1.1 研 究语 音 编解 码 技 术 的 目的在 现 代 通 信 中 ， 随 着 科 学 技 术 的迅 速 发 展 ， 图 像 、数 据 等 非 话 音 信 息 在 通 信 信 息 总 量 中所 占 的 比例 大 幅 提 高 ，且 这 种 趋 势 仍 会 继 续 下 去 。但 是 ，到 目前 为 止 ， 大 多 数 通 信 系 统 中 ，传 输 最 多 的 信 息 仍 然 是 语 音 信 号 。在 可 以 预 见 的 未 来 通 信 中 ， 尽 管 语 音 信 号 在 通 信 信 息 总 量 中 所 占 的 比例 会 有 所 下 降 ，但 仍 然 会

2、是 传 输 最 多 的 信 息 。按 在 信 道 中 传 输 信 号 的 类 别 不 同 ，通 信 系 统 可 分 为 模 拟 、数 字 通 信 系 统 。其 中 模 拟 通 信 系 统 传 输 幅 度 连 续 变 化 的 信 号 ，数 字 通 信 系 统 传 输 时 间 、幅 度 上 均 为 离 散 的 信 号 。在 模 拟 通 信 系 统 中 ， 由于 信 道 的 利 用 率 较 高 ，原 理 简 单 易 于 实 现 ，在 通 信 历 史 上 一 度 发 展 迅 速 ，但 同 时 也 存 在 着 许 多 缺 点 :(1 ) 由于 模 拟 通 信 系 统 传 输 的 是 模 拟 信 号 ，因

3、 此 叠 加 在 信 号 中 的 噪 声 无 法 清 除 ， 信 号 只 能 放 大 而 不 能 再 生 ， 系 统 的 抗 干 扰 能 力 差 ;(2 ) 由于 信 号 进 行 非 线 性 变 换 易 产 生 失 真 ，且 不 易 实 现 ，模 拟 调 制 的 方 法 及 其 有 限 ， 因 此 不 易 进 行 保 密 通 信 ;(3) 模 拟 系 统 中 大 都 采 用 模 拟 电路 ， 设 备 不 易 大 规 模 集 成 ;(4) 不 适 应 飞 速 发 展 的 计 算 机 通 信 的 要 求 ， 模 拟 信 号 在 进 入 计 算 机 控 制 系统 时 必 须 进 行 模 、 数 转

4、换 。由于 模 拟 通 信 的 诸 多 缺 点 ，特 别 是 一 些 致 命 的 弱 点 限制 了 它 的 发 展 。 数 字 通 信 系 统 有 许 多 模 拟 通 信 系 统 无 法 比拟 的 优 点 :( 1) 抗 干 扰 能 力 强 :信 号 在 传 输 过 程 中 不 可 避 免 地 要 受 到 各 种 噪 声 的 干 扰 。 由 于 数 字 信 号 的 信 息 包 含 在 脉 冲 的 有 无 之 中 。因 此 只 有 当 噪 声 在 判 决 时 超 过 某 个 范 围 时 ，才 有 可 能 造 成 误 码 。 因 此 ， 数 字 信 号 比模 拟 信 号 的 抗 干 扰 能 力 强

5、 。(2) 灵 活 性 强 ，适 应 各 种 业 务 要 求 :在 数 字 通 信 系 统 中 ，语 音 信 号 可 变 为 统 一 的 数 字 信 号 进 行 传 输 。在 语 音 通 信 系 统 中 ，对 数 字 信 号 传 输 情 况 进 行 监 控 的监 视 信 号 、控 制 信 号 及 业 务 信 号 均 可 采 用 数 字 信 号 。(3) 便 于 和 计 算 机 连 接 :数 字 通 信 系 统 中 的 二 元 信 号 与 计 算 机 采 用 的 数 字 信 号 完 全 一 致 ，所 以 它 可 以方 便 地 与 计 算 机 接 口连 接 。(4 ) 易 于 加 密 :数 字 通

6、 信 的 加 密 只 需 采 用 简 单 的 逻 辑 电路 即可 实现 。(5 ) 易 于 集 成 化 、 微 型 化 :数 字 电路 比模 拟 电路 易 于 集 成 化 ，因 此 在 通 信 设 备 中 ，可 以采 用 超 大 规 模 集 成 电路 ， 制 成 体 积 小 、 功 耗 低 、 成 本 低 、 可 靠 性 高 的设 备 。鉴 于 数 字 通 信 系 统 与 模 拟 通 信 系 统 相 比有 上 述 优 点 ， 现 代 通 信 中 一 般 选 用 数 字 通 信 系 统 实 现 语 音 传 送 。语 音 信 号 是 模 拟 信 号 ，不 能 直 接 在 数 字 通 信 系 统 中

7、 传 输 ， 必 须 首 先 进 行 模 /数 转 换 和 数 /模 转 换 。 这 种 模/数 转 换 和 数 /模 转 换 就 称 为 语 音 编 解 码 ，其 作 用 是 在 发 送 端 将 语 音 模 拟 信 号 转 换 为 数 字 信 号 ， 并 在 接 收 端 ， 再 将 收 到 的 语 音 数 字 信 号 还 原 为 语 音 模 拟 信 号 。可 见 ，语 音 编 解 码 技 术 在 数 字 通 信 中 具 有 十 分 关 键 的 作 用 。1.2 Pc M 语音 编解码 技 术 简介应 用 最 早 和 最 广 泛 的 语 音 编 解 码 技 术 是 pC M (脉 冲 编 码

8、调 制 ) 技 术 。 19 2 6 年 M .雷 尼 提 出 了 PC M 技 术 的 研 究 专 利 。 此 后 ，A .H .热 维 斯 进 一 步 提 出 了 语 音 通 信 pC M 电路 的研 究 报 告 。19 4 6 年 美 国 贝 尔 实验 室 试 制 成 功 第 一 台 PC M 数 字 通 信 设 备 。20 世 纪 70 年 代 后 期 ，超 大 规 模 集 成 电路 和 计 算 机 技 术 的 飞 速 发 展 推 动 了 Pc M 通 信 系 统 的 实 用 化 。 目前 ， PC M 在 数 字 微 波 通 信 、 光 纤 通 信 、 卫 星 通 信 、 程 控 交

9、 换 以及 遥 测 、遥 控 等 各 类 通 信 系 统 中 得 到 了广 泛 应 用 。 PC M 技 术 己经 成 为 现 代 通 信 系 统 的 基 本 问题 之 一 。PC M 语 音 编 解 码 系 统 的 发 送 端 、 接 收 端 框 图 如 图 1.1 所 示 。PC M 语 音 编 解 码 系 统 的 发 送 端 由抽 样 、量 化 、编 码 三 部 分 组 成 。其 中 ，量 化 和 编 码 共 同 完 成 模 /数 转 换 功 能 。 信 源 经 脉 冲 序 列 p (t) 抽 样 ， 生 成 零 阶 抽 样 保 持 信 号 fs。(t) 。其 即 为 脉 冲 幅 度 调

10、 制 ( PA M ) 信 号 ， 具 有 离 散 时 间 、 连 续 幅 度 (如 阶 梯 波 形 )， 每 个 脉 冲 的 幅 度 与 各 抽 样 点 的 信 号 幅 度 成 正 比 。 在 信 道 中 ， 不 直 接 传 输 PA M 信 号 ; 而 是 通 过 量 化 ，将 PA M 信 号 转 换 成 离 散 时 间 、离 散 幅 度 的 多 电 平 数 字 信 号 。规 定 一 组 量 化 电平 ，抽 样 值 取 为 最 接 近 的 一 个 电平 ，从 而 形 成 离 散 时 间 、离 散 幅 度 的 信 号 。该 信 号 经 二 进 制 编 码 后 ， 形 成 的 Pc M 信

11、号 fo (t)通 过 数 字 信 道 传 输 到 达 接 收 端 。接 收 端 实 际 接 收 到 的 信 号 厂D (O 包 括 fo(t)、 信 道 引 入 的 噪 声 。本 论 文 中 ， 为 了 简 化 分 析 ，假 定 厂o( t)与 fo(t)近 似 相 等 。在 接 收 端 ，经 数 / 模 转 换 后 可 恢 复 PA M 信 号 fso(t) 。PA M 信 号 的 频 谱 中不 仅 含 有 原 始 基 带 成 分 ，还含有高频成分。因此 PAM 信号需经过命 低通补偿滤波器 才一能恢复原始信号f(t) 。P胡 信 号 fs。( t )信 源 模 拟 信 号 抽抽样样样 量

12、 化 编 码码AAA /AAAADD D PC M 信 号f ( t ) f。( t ) 至 数 字 信 道发 送 端， ，o ( t )1/ S a ( x )自数字信道 f 。(t ) D/A 补 偿 f ( t ) 终 端接 收 端图 1.1 p C M 语 音 编 解 码 系 统 发 送 端 、 接 收 端 框 图国 际 电报 电话 咨 询 委 员 会 (C CITT ) 于 19 7 2 年 制 定 了 G .7 n 建 议 。 该 建 议 规 定 的 A 律 、 林 律 压 扩 方 法 为 现 在 世 界 上 通 用 的 两 种 Pc M 编 码 标 准 。A 律 、 林 律 都

13、是 非 线 性 量 化 Pc M 编 码 方 法 。 北 美 、 日本 使 用 林律 压 扩 方 法 ，其 它 国家 和 地 区 使 用 A 律 压 扩 方 法 。1.3 Pc M 语 音 通 信 系 统 的优 点 与 存 在 的 问题PC M 语 音 通 信 系 统 的 优 点 主 要 有 : ( l) 显 著 降 低 信 号 失 真语 音 信 号 一 般 用 于 远 距 离 传 输 ， 因此 必 须 避 免 信 号 失 真 。在 远 距 离 通 信 系 统 中 ，需 在 一 定 的距 离 间 隔 上 接 入 中 继 器 ，对 信 号 进 行 放 大 。 否 则 信 号 极 易 因 传 输

14、损 耗 而 消 失 。然 而 ，中 继 器 会 使 传 输 过 程 中 引 入 的 噪 声 也 被 放 大 。在 模 拟 通 信 系 统 中 ，当 信 号 经 多 级 中 继 器 转 发 之 后 ，噪 声 累 积 的 影 响 可 能 造 成 严 重 的 信 号 失 真 。 当 传 输 PC M 信 号 时 ， 失 真 能 得 到 较 大 的 改 善 。 因 为 这 时 中 继 器 也 作 为 再 生 器 使 用 ，在 每 个 脉 冲 的 持 续 期 间 判 决 脉 冲 的 有 无 ，根 据 判 决 的 结 果 确 定 1 码 、O 码 的 存 在 ，或 产 生 一 个 新 的 脉 冲 ，或 不

15、 发 脉 冲 。在 此 过 程 中 弱 噪 声 的 影 响 已 被 消 除 ， 仅 当 噪 声 大 到 足 以 使 判 决 发 生 错 误 时 ， 才 会 影 响 此 系 统 。 这 表 明 ，在 PC M 通 信 系 统 中 ，当 信 号 经 多 级 中 继 器 转 发 之 后 ，噪 声 不 会 累 积 。 根 据 目前 实 际 设 备 所 能 达 到 的 信 噪 比 ，合 理 设 计 中 继 器 间 距 ，可 把 噪 声 控 制 在 相 当 低 的 水 平 。(2 ) 量 化 噪 声 小 ， 接 收 端 音 质 清 晰在 接 收 端 ， 用 户 要 求 语 音 信 号 的 音 质 清 晰

16、， 即 具 有 较 小 的 杂 音 ( 噪 声 )。 在 模 拟 信 号 的 量 化 与 重 建 过 程 中 会 引 入 误 差 ，由此 产 生 的 噪 声 称 为 量 化 噪 声 。长 期 以 来 ， 对 量 化 噪 声 规 律 的 研 究 已 相 当 成 熟 。 通 过 合 理 设 计 模 /数 、 数 /模 变 换 器 ，可 将 量 化 噪 声 限 制 在 非 常 微 弱 的 范 围 之 内 。 保 证 在 接 收 端 ，通 过 PC M 语 音 通 信系 统 传 输 的 语 音 信 号 具 有 良好 的 音 质 。(3 ) 可 利 用 时 分 多 路 技 术 ，在 ISO N 中 灵

17、活 传 输随 着 数 字 化 、智 能 化 的 综 合 性 通 信 体 制 的 发 展 ，综 合 业 务 数 字 通 信 网 (lS O N ) 在 国 际 上 被 广 泛 使 用 。它 由数 字 传 输 与 数 字 交 换 技 术 结 合 起 来 组 成 。对 于 来 自不 同信 息 源 的信 号 (数 据 、图 文 传 真 、 图 像 等 ) 自动 地 进 行 变 换 、综 合 、传 输 、处 理 、存 储 和 分 离 。在 各 种 通 信 业 务 中 ，语 音 通 信 是 最 基 本 、最 普 遍 的 业 务 。50 年 代 以 前 的 电 话网 大 多 为 模 拟 系 统 。 出现 数

18、 字 网 后 ， 语 音 信 号 经 过 Pc M 技 术 ， 可 以 和 经 过 调 制 的 图像 信 号 、数 据 信 号 等 成 为 同 一 形 式 的 二 进 制 数 字 码 流 。利 用 时 分 多 路 复 用 设 备 ，它 们 可 以灵 活 地 组 合 在 一 起 ，通 过 同 一 系 统 进 行 传 输 。这 使 得 lso N 能 实 现 包 括 语 音 通 信 业 务 在 内 的 各 种 综 合 业 务 ，将 给 实 际 应 用 带 来 很 大 的 方 便 。(4) 有 利 于 数 字 信 号 处 理采 用 Pc M 技 术 ，有 利 于 对 语 音 信 号 实 现 各 种

19、数 字 信 号 处 理 功 能 。 例 如 : 数 字 滤 波 、 数 据 压 缩 等 。 也 更 易 完 成 各 种 形 式 的 加 密 、 解 密 ， 因 此 Pc M 技 术 在 保 密 通 信 中 己经 获 得 了广 泛 应 用 。使 用 PC M 语 音 通 信 系 统 也 可 能 存 在 一 些 问题 :与 直 接 传 输 模 拟 信 号 相 比 ，将 模 拟 信 号 转 换 为 PC M 信 号 传 输 时 ， 占用 频 带明 显 加 宽 。在 语 音 通 信 话 路 中 ，信 号 的 频 率 范 围 大 约 在 3 0o H 广34 0 o H z ，通 常 可 认 为 每 个

20、 话 路 带 宽 约 4k Hz 。 在 本 论 文 中 ， 取 抽 样 频 率 为 sk Hz ， 以 保 证 满 足 抽 样 定 理 的 要 求 。对 于 每 个 抽 样 点 ，若 按 8 位 脉 冲 编 码 传 送 一 个 话 路 脉 冲 信 号 ，所 需 的速 率 为 8 *sk H := 64k b/s 。 其 所 占 有 的 频 带 远 大 于 直 接 传 送 一 路 语 音 ( 模 拟 ) 信 号 所 需 的频 带 。对 于 这 种 传 输 数 字 信 号 占据 频 带 较 宽 的 矛 盾 ，现 在 己可 利 用 频 带 压 缩 技 术适 当 缓 解 。鉴 于 pC M 技 术

21、有 上 述 优 点 ， 本 论 文 中 ，采 用 pC M 语 音 编 解 码 系 统 实 现 语 音传 输 。1.4 论 文 组 织 结 构PC M 语 音 编 解 码 系 统 可 用 数 模 混 合 大 规 模 集 成 电路 实 现 。本 论 文 研 究 了 PC M语 音 编 解 码 系 统 的 结 构 和 其 中 部 分 主 要 模 块 。论 文 的 具 体 组 织 结 构 如 下 :第 一 章 为 概 述 ，介 绍 了研 究 语 音 编 解 码 技 术 的 目的 、Pc M 语 音 通 信 技 术 及 其优 点 和 不 足 。第 二 章 研 究 了 本 论 文 中 ， 实 现 PC

22、M 语 音 编 解 码 功 能 的 系 统 结 构 。 第 三 章 重 点 介 绍 了产 生 。A C 中 1.57 5 V 基 准 电 压 的模 块 设 计 。第 四 章 首 先 介 绍 了非 均 匀 量 化 编 码 的 原 理 ， 并 重 点 介 绍 了将 p C M 数 字 信 号转 换 为 模 拟 信 号 的 解 码 模 块 设 计 。第 五 章 介 绍 了 抗 混 叠 滤 波 器 的 设 计 。第 六 章 介 绍 了 平 滑 滤 波 器 的 设 计 。第 七 章 首 先 介 绍 了 开 关 电容 滤 波 器 的 原 理 、优 点 ，并 用 开 关 电 容 滤 波 器 结 构设 计 了

23、 系 统 中 的 高 通 滤 波 器 。第 八 章 简 要 介 绍 了可 变 增 益 放 大 器 的 设 计 。 第 九 章 为 整 体 仿 真 结 果 分 析 。第 二 章 pc M 语 音 编 解 码 系 统 结 构在 本 章 中 ，研 究 了 实 现 Pc M 语 音 编 解 码 的 系 统 结 构 。 P C M 语 音 编 解 码 系 统 的 框 图如 图 2 .1 所 示 。L PLL F II III I IPFF FA /AADD D带带隙 基 准准准准准准准准 发发发发发发发发送 移 位位寄寄存 器器时时序 与 控 制制制制制制制制制制制制 信信信信道道道 噪 声声接接收 移

24、 位位寄寄存 器器信信宿宿宿 平 滑 滤 波 器器器 LP F 1 11 11111 DDD /DDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDAA A图 2 .1: Pc M 语 音 编 解 码 系 统 框 图其 中 ，模 /数 (A/ D) 转 换 包 括 3 个 部 分 : 抽 样 、 量 化 、 非 线 性 编 码 。 数 /模 (。/A ) 转 换 包 括 2 个 部 分 : 非 线 性 一线 性 解 码 、线 性 数 /模 转 换 。 框 图 中 各 个 模 块 的 功 能 说 明 和 技 术 指 标 如 下 。信 源 :为 语 音 模 拟 信 号 。 国标 规 定

25、 语 音 信 号 的有 效 带 宽 为 0.3一3.4k H : ， 而 实 际 语 音 信 号 的 频 域 带 宽 远 超 过 这 一 范 围 。其 中 包 括 来 自电源 线 的 50 H z 工 频 干 扰 。信 道 :在 信 道 中 能 实 现 码 形 变 换 、调 制 、信 号 再 生 等 。信 号 在 信 道 中 传 输 一 定 距 离 后 ，叠 加 在 其 上 的 噪 声 会 使 其 产 生 失 真 。在 干 扰 达 一 定 程 度 时 ，中 继 器 可 对 失 真 的信 号 波 形 进 行 再 生 整 形 ， 防 止 失 真 。这 已超 过 了本 文 的研 究 范 围 。信 宿

26、 :指 用 户 在 终 端 接 收 到 的 模 拟 语 音 信 号 。模 拟 信 号 的接 收 通 路 由 可 变 增 益 放 大 器 、 抗 混 叠 滤 波 器 、 低 通 滤 波 器 LPF I、 高通 滤 波 器 组 成 。它 接 收 、处 理 信 源 的模 拟 信 号 ，使 之 能 被 送 入 后 级 的 A /o 转 换 器 。可 变 增 益 放 大 器 :由于 语 音 信 号 强 弱 不 同 ，可 变 增 益 放 大 器 通 过 调 节 运 放 外 部 反 馈 电 阻 ，控 制 其 闭 环 增 益 ， 把 经 过 放 大 的 语 音 信 号 送 至 下 一 级 。低 通 滤 波 器

27、 LPF 卜在 习 。转 换 器 中 ，对 模 拟 信 号 以频 率 fs = s k H z 进 行 采 样 。根 据 抽 样 定 理 ， 若 模 拟 信 号 g (t) 的 频 带 宽 度 有 限 ， 其 最 高 频 率 为 fm ; 则 对 此 信 号 可 用 频 率 fs 2 * fm 的 脉 冲 序 列 进 行 抽 样 ， 通 过 所 得 到 的 抽 样 值 g (盯 )， 可 以无 畸 变 地 恢 复 原 来 的 信 号 。因 此 ，模 拟 信 号 的 带 宽 须 小 于 采 样 频 率 fs 的 一 半 。否 则 ，因 为 采 样 引 起 的频 谱 混 叠 会 使 信 号 在 输

28、 出 端 无 法 被 恢 复 。因 此 ，在 模 拟 信 号 的接 收 通 路 中 ，用 低 通 滤 波 器 滤 除 0 .s fs 以上 的 高 频 信 号 ，但 保 留 国 标 规 定 有 效 带 宽 内 的 信 号 。选 择 该 滤 波 器 一3d B 截 止 频 率 为 3 .4k Hz 。低 通 滤 波 器 用 一 个 开 关 电容 滤 波 器 实 现 。为 保 证 开 关 电容 滤 波 器 能 正 常 工 作 ， 其 采 样 时 钟 频 率 fc 须 远 大 于 信 号 频 率 。因 为 语 音 信 号 的 频 率 范 围 是 加 一20 0 0 0 Hz ，本 芯 片 中 ，选

29、择 其 采 样 时 钟 频 率 为 2 56k Hz 。抗 混 叠 滤 波 器 :因 为 低 通 滤 波 器 LPF I用 开 关 电容 滤 波 器 实 现 ，并 选 择 fc = 2 5 6 k H z 作 为 采 样 时 钟 频 率 ， 为 减 少 因 采 样 引 入 的 混 叠 ，在 LPF I之 前 必 须 接 入 抗 混 叠 滤 波 器 。根 据 抽 样 定 理 ，抗 混 叠 滤 波 器 须 滤 除 0 .s fc 以 上 的 高 频 信 号 。本 论 文 中 ， 选 择 RC 有 源 滤 波 器 实 现 抗 混 叠 滤 波 器 。 该 滤 波 器 的 阻 带 边 界频 率 为 i2

30、8 kH z ， 阻 带 最 小 衰 减 为 is d B 。高 通 滤 波 器 :PC M 语 音 编 解 码 系 统 中 ，要 处 理 的 信 号 频 率 集 中 在 30 0 Hz 一3 .4k H z，同 时 为 了 抑 制 电源 干 扰 ， 要 求 对 50 H z 的 电 源 线 工 频 信 号 有 较 大 的 衰 减 。 因 此 ，在 模 拟 信 号 接 收 通 路 中 设 置 高 通 滤 波 器 H p 。在 本 论 文 中 ， H PF 用 开 关 电容 滤 波 器 实 现 。 由于 经 过 低 通 滤 波 ， 3 .4k H z 以上 的 高 频 成 分 已被 滤 除 ，

31、因 此 日PF 的 采 样 时 钟 频 率 可 选 为 sk H :。选 择 其 阻 带 边 界 频 率 为 50 日z ， 阻 带 最 小 衰 减 为 i4 d B 。模 拟 信 号 的 发 送 通 路 由低 通 滤 波 器 LPF “、 平 滑 滤 波 器 组 成 。 平 滑 滤 波 器 :由于 经 过 量 化 、编 码 ，最 终 经 D /A 转 换 、低 通 滤 波 还 原 的 模 拟 信 号 波 形 呈 阶 梯 状 。其 阶 梯 频 率 为 12 8k H z 。 为 了 使 之 成 为 用 户 端 收 听 时 ， 音 质 良好 的 语 音 信 号 ，必 须 经 过 平 滑 滤 波

32、。从 而 滤 除 高 频 阶 梯 分 量 ，使 曲线 消 除 阶 梯 波 形 ，变 得 平 滑 并 送 入 信 宿 。 为 了 能 有 效 滤 除 阶 梯 波 形 ， 选 择 平 滑 滤 波 器 的 阻 带 边 界 频 率 为12 8 kH z ， 阻 带 最 小 衰 减 为 15dB 。 低 通 滤 波 器 Lp FI 卜在 模 /数 转 换 器 中 ， 对 模 拟 信 号 以频 率 sk H : 进 行 采 样 。理 想 的抽 样 脉 冲 是 一 个 冲 激 序 列 。然 而 ，在 实 际 电 路 中 ，要 产 生 和 传 输 接 近 冲 激 函 数 的 时 宽 窄 且 幅 度 大 的脉 冲 信 号 比 较 困 难 。在 数 字 通 信