PCM语音编解码系统分析.docx

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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。

（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。

1.2PcM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pCM（脉冲编码调制）技术。

1926年M.雷尼提出了PCM技术的研究专利。

此后，A.H.热维斯进一步提出了语音通信pCM电路的研究报告。

1946年美国贝尔实验室试制成功第一台PCM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PcM通信系统的实用化。

目前，PCM在数字微波通信、光纤通信、卫星通信、程控交换以及遥测、遥控等各类通信系统中得到了广泛应用。

PCM技术己经成为现代通信系统的基本问题之一。

PCM语音编解码系统的发送端、接收端框图如图1.1所示。

PCM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）。

其即为脉冲幅度调制（PAM）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PAM信号;而是通过量化，将PAM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PcM信号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PAM信号fso（t）。

PAM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化编码码

AAA/AAAADDDPCM信号

f（t）f。

（t）至数字信道

发送端

，，o（t）

1/Sa（x）

自数字信道f’。

（t）~}D/A补偿f（t）终端

接收端

图1.1pCM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（CCITT）于1972年制定了G.7n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PcM编码标准。

A律、林律都是非线性量化PcM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。

1.3PcM语音通信系统的优点与存在的问题

PCM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PCM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PCM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，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PCM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ISON中灵活传输

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（lSON）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。

出现数字网后，语音信号经过PcM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lsoN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PcM技术，有利于对语音信号实现各种数字信号处理功能。

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PcM技术在保密通信中己经获得了广泛应用。

使用PCM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PCM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30oH广340oHz，通常可认为每个话路带宽约4kHz。

在本论文中，取抽样频率为skHz，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*skH:

=64kb/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pCM技术有上述优点，本论文中，采用pCM语音编解码系统实现语音

传输。

1.4论文组织结构

PCM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PCM

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、PcM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PCM语音编解码功能的系统结构。

第三章重点介绍了产生。

AC中1.575V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pCM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pcM语音编解码系统结构

在本章中，研究了实现PcM语音编解码的系统结构。

PCM语音编解码系统的框图如图2.1所示。

LPLLFIIIIIIIPFFF

A/AADDD

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

接接收移位位

寄寄存器器

信信宿宿宿平滑滤波器器器LPF11111111DDD/DDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDAAA

图2.1:

PcM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。

国标规定语音信号的有效带宽为0.3一3.4kH:

，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50Hz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:

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LPFI、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LPF卜

在习。

转换器中，对模拟信号以频率fs=skHz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.sfs以上的高频信号，但保留国标规定有效带宽内的信号。

选择该滤波器一3dB截止频率为3.4kHz。

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一20000Hz，

本芯片中，选择其采样时钟频率为256kHz。

抗混叠滤波器:

因为低通滤波器LPFI用开关电容滤波器实现，并选择fc=256kHz作为采样时钟频率，为减少因采样引入的混叠，在LPFI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.sfc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i28kHz，阻带最小衰减为isdB。

高通滤波器:

PCM语音编解码系统中，要处理的信号频率集中在300Hz一3.4kHz，同时为了抑制电源干扰，要求对50Hz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Hp「。

在本论文中，HPF用开关电容滤波器实现。

由于经过低通滤波，3.4kHz以上的高频成分已被滤除，因此日PF的采样时钟频率可选为skH:

。

选择其阻带边界频率为50日z，阻带最小衰减为i4dB。

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128kHz。

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。

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

128kHz，阻带最小衰减为15dB。

低通滤波器LpFI卜

在模/数转换器中，对模拟信号以频率skH:

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