【Matlab】PCM语音编解码
一.绪论
1.1 研究背景
随着信息技术的高速发展，现代通信技术，尤其是语音信 处理技术已经在日常生活中得到十分广泛的运用，如无线通信，军事通信，蓝牙通信等一系列专用通信系统等。而在语音信 处理的过程中十分重要的一环便是压缩编码技术，可分为三类：波形编码，参数编码及混合编码等。其中以脉冲编码调制（即PCM,Pluse Code Modulation）为代表的波形编码在语音信 处理的过程中应用最为广泛，是数字通信系统发展的一次飞跃。
1.2 PCM技术的研究现状
脉冲编码调制的概念是1937年由法国工程师AlecReeres最早提出来的。随着集成电路技术的飞速发展，超大规模集成电路的PCM编、解码器出现，使它在光纤通信、数字微波通信、卫星通信、信 处理、军事及民用电子技术领域发挥着越来越重要的作用。PCM是一种将模拟语音信 进行数字化的技术，同时也是语音波形编码的一种。目前广泛应用于通信、计算机、数字仪表、遥控遥测等领域，其应用广度和深度也在不断地扩展和深化。随着全球数字化、信息化的不断推进，脉冲编码调制会有更加良好的发展、应用前景。
在语音通信中，通常采用8位的PCM编码就能够保证满意的通信质量。典型电话信 的抽样频率是8000Hz。故在采用这类非均匀量化编码器时，典型的数字电话传输比特率为64 kb/s。
在计算机应用中，能够达到最高保真水平的就是PCM编码，被广泛用于素材保存及音乐欣赏，CD、DVD以及我们常见的 WAV文件中均有应用。因此，PCM约定俗成了无损编码，因为PCM代表了数字音频中最佳的保真水准，并不意味着PCM就能够确保信 绝对保真，PCM也只能做到最大程度的无限接近。要算一个PCM音频流的码率是一件很轻松的事情，采样率值×采样大小值×声道数 bps。一个采样率为44.1KHz，采样大小为16bit，双声道的PCM编码的WAV文件，它的数据速率则为 44.1K×16×2 =1411.2 Kbps。我们常见的Audio CD就采用了PCM编码，一张光盘的容量只能容纳72分钟的音乐信息。
1.3 研究内容
本次设计针对PCM的编解码及其特点进行探究，并基于MATLAB对PCM通信系统进行仿真，其研究内容主要有以下几个部分：
①利用Matlab编写PCM编解码相关函数程序，并调用PCM编解码函数，分别以一个正弦波和鸟的语音信 作为输入信 ，实现仿真，验证PCM编解码的正确性。
②采用Matlab中的Simulink进行PCM编解码仿真，噪声影响与性能分析。
③采用GUI界面操作完成语音输入，PCM编码，PCM解码，语音还原输出等一系列操作。此处调用①中的程序进行上述功能的实现。
二. PCM编解码的基本原理
2.1 PCM语音编码原理
通常我们把从模拟信 抽样、量化，直到变换成为二进制符 的基本过程，称为脉冲编码调制，简称脉码调制。PCM编码的过程，实际上就是将一个语音信 进行“抽样-量化-编码”的一个过程。它是将模拟信 变换成二进制信 的一种常用方法。PCM编码的具体步骤如下：
①对模拟信 按信 自身的频率特点（如正弦信 依据采样定理以其信 带宽2倍以上的频率提取抽样值，语音信 依据其自身的频率Fs，为精确表示信 ，一般要保留10kHz以下的频谱成分，G.711标准中规定PCM的抽样频率为8kHz）进行抽样
②对该模拟信 的各个抽样值进行量化，其实质是能够用数字量来表示在时域上离散的各个抽样值。在该过程中，会因为量化精度而产生量化误差，量化精度越高自然量化误差也就越小。而常用的量化方式有均匀量化和非均匀量化两种。
由于在均匀量化时，由量化器信噪比公式（S/N）=M可得量化器的信噪比随着量化电平数M的增加而显著提高，当小信 输入时，量化间隔也会变小，其量化噪声的平均功率也会变小，此时小信 量噪比便难以达到要求；而由于语音信 中小电压出现的概率较大，并且非均匀量化噪声对大小信 的影响大致相同，因此采用非均匀量化来改善语音信 中小信 的量噪比。
在PCM语音编码中，主要是对抽样值先进行压缩再进行均匀量化来实现非均匀量化，并通常采用8位PCM编码来保证PCM编解码系统的通信质量。
③在PCM编码中，一般采用A压缩律进行对抽样值的压缩，即具有如下式特性的压缩律：
在13折线律中采用的折叠码有8位。其中第一位c1表示量化值的极性正负。后面的7位分为段落码和段内码两部分，用于表示量化值的绝对值。其中第2至4位(c2 c3 c4)是段落码，共计3位，可以表示8种斜率的段落；其他4位(c5 ~ c8)为段内码，可以表示每一段落内的16种量化电平。段内码代表的16个量化电平是均匀划分的。所以，这7位码总共能表示27 ＝ 128种量化值。在下面的表2-1中给出了段落码和段内码的编码规则。
2.2 PCM语音解码原理
接收端实现PCM解码的原理框图如图2-3所示，其主要原理为逐次比较A/D转换。
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3.3 PCM解码
根据PCM解码的相关原理，可设计出PCM解码函数如图3-9所示，调用代码如图3-10所示，解码效果图如图3-11所示。
在图3-12中，我们以一个幅值为1，频率为1Hz的正弦波为例，先通过量化模块将正弦波量化，然后将量化后的信 通过对其进行编码，译码和解码，并设置其采样8位2进制编码，3位2进制解码，随后将解码过后的信 通过一个低通滤波器，滤除其中的高频噪声，从而将原来量化过后的信 在[0,1]区间上进行进行还原。
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3.5 PCM编解码的GUI实现
此处采用GUI界面操作完成语音输入，PCM编码，PCM解码，语音还原输出，界面如图3-17所示，语音输入与语音还原输出后的对比图如图3-18所示。语音输入部分采用matlab内部自带的鸟叫声作为输入。
四.性能分析
4.1 具体信 分析
此处主要对该信 进行失真度分析的测试，如图3-19所示。可得到失真度的大小为0.002321，说明对应具体信 而言，PCM编解码后的输出信 还原度较高。
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