自适应差分脉冲编码调制与解调设计

1成绩评定平时成绩报告成绩综合成绩信息综合训练-------自适应差分脉冲编码调制与解调班级：0802211学号：22姓名：徐晓琳指导老师：郑文波指导老师:赵馨指导老师:刘泉2011年12月18日2一、目录一、目录……………………………………………………………………………………………………………………………………..2二、摘要...........................................................................................................................................2三、正文1、绪论……………………………………………………………………………………………………………………………32、硬件总体设计…………………………………………………………………………………………………………….53、器件结束……………………………………………………………………………………………………………………94、系统调试法………………………………………………………………………………………………………….....135、设计结论与心得会……………………………………………………………………………………………….....136、参考文献........................................................................................................................13二、摘要ADPCM是自适应差分脉冲编码调制的简称，最早使用于数字通信系统中。该算法利用了语音信号样点间的相关性，并针对语音信号的非平稳特点，使用了自适应预测和自适应量化，在32kbps◎8khz速率上能够给出网络等级话音质量。现在我们使用的是IMAADPCM算法，该算法中对量化步长的调整使用了简单的映射方法，对于一个输入的PCM值X(n)，将其与前一时刻的X(n-1)预测值做差值得到d(n)，然后根据当前的量化步长对d(n)进行编码，再用此sample点的编码值调整量化步长，同时还要得到当前sample点的预测值供下一sample点编码使用。通过此算法可将样点编码成4bit的码流，一个符号位和三个幅度位。该算法较简单，通过映射简化了运算。对于编码后的数据我们采用了wav文件格式，该格式对编码后的数据流进行了包装，由文件头和数据码流组成，文件头中指出了音频数据所采用格式、采样率、比特率、块长度、比特数及声道数等信息。数据码流以块为单位，块头指出了该块起始的预测值和index值，码流中每byte的高四位和低四位分别对应一个PCM。当前该算法以其简单实用的特点广泛应用到数字音乐盒和数字录音笔中。3三、正文1、绪论●自适应脉冲编码调制(APCM)的概念自适应脉冲编码调制(adaptivepulsecodemodulation，APCM)是根据输入信号幅度大小来改变量化阶大小的一种波形编码技术。这种自适应可以是瞬时自适应，即量化阶的大小每隔几个样本就改变，也可以是音节自适应，即量化阶的大小在较长时间周期里发生变化。改变量化阶大小的方法有两种：一种称为前向自适应(forwardadaptation)，另一种称为后向自适应(backwardadaptation)。前者是根据未量化的样本值的均方根值来估算输入信号的电平，以此来确定量化阶图1-1的大小，并对其电平进行编码作为边信息(sideinformation)传送到接收端。后者是从量化器刚输出的过去样本中来提取量化阶信息。由于后向自适应能在发收两端自动生成量化阶，所以它不需要传送边信息。前向自适应和后向自适应APCM的基本概念，如图所示。图1-2自适应差分脉冲编码调制(ADPCM)ADPCM(adaptivedifferencepulsecodemodulation)综合了APCM的自适应特性和DPCM系统的差分特性，是一种性能比较好的波形编码。它的核心想法是：①利用自适应的思想改变量化阶的大小，即使用小的量化阶(step-size)去编码小的差值，使用大的量化阶去编码大的差值,②使用过去的样本值估算下一个输入样本的预测值，使实际样本值和预测值之间的差值总是最小。它的编码简化框图如图所示。接收端的译码器使用与发送端相同的算法，利用传送来的信号来确定量化器和逆量化器中的量化阶大小，并且用它来预测下一个接收信号的预测值。差分脉冲编码调制(DPCM)的概念4差分脉冲编码调制DPCM(differentialpulsecodemodulation)是利用样本与样本之间存在的信息冗余度来进行编码的一种数据压缩技术。差分脉冲编码调制的思想是，根据过去的样本去估算(estimate)下一个样本信号的幅度大小，这个值称为预测值，然后对实际信号值与预测值之差进行量化编码，从而就减少了表示每个样本信号的位数。它与脉冲编码调制(PCM)不同的是，PCM是直接对采样信号进行量化编码，而DPCM是对实际信号值与预测值之差进行量化编码，存储或者传送的是差值而不是幅度绝对值，这就降低了传送或存储的数据量。此外，它还能适应大范围变化的输入信号。图1-3图1-4●国内外发展ADPCM在除了数字音乐盒和数字录音笔以外的其他领域都有应用，如蓝牙耳机。蓝牙耳机如今正面临着提高语音信号质量、降低功耗等压力，用户开始要求其语音信号的质量要与固定电话相当，这就需要在技术层面上解决传输质量的难题。语音信道采用连续可变斜率增量调制（CVSD）语音编码方案，并且SCO（同步语音信道）规定数据包不得重传。蓝牙技术中选用CVSDCODEC，是因为它在处理丢失或损坏的语音样本时非常可靠。背景噪音越高，干扰水平就越高，而CVSD编码语音却可以接受误码率达4%的语音。CSR公司开发的最领先的技术——AuriStream™，通过eSCO连接采用自适应差分脉冲编码调制（ADPCM）CODEC来实现更高的音频质量，与通过标准SCO连接的CVSD编码信号相比，功耗可节省40%。随着蓝牙耳机应用的持续增长，更长的通话时间对于长途旅行的商务用户或重要的电话会议显得至关重要。5ADPCM是一种众所周知并已被广泛接受的CODEC技术，它是CVSD的理想补充。后者能够处理误码，因此克服了蓝牙没有重传功能，只能依赖于SCO数据包来传输语音的不足。但是，eSCO能够探测误码并对数据包进行重传，所以没有必要再依赖CVSD了。ADPCM与CVSD的不同之处在于：它的取样速度慢，并能够发现样本之间的不同。ADPCM以32Kbps的较低速率（CVSD的速率为64Kbps）传输固定电话质量的信号，因此蓝牙传输器和接收器只需大约一半的运行时间。CSR公司的试验证明，该方法与所有其它蓝牙系统采用的CVSD编码技术相比，能够为蓝牙系统节省40%的功耗。ADPCM编码在质量方面还有其它的优点。在嘈杂的环境中，通过采用CSR公司BlueCore6采用了AuriStream技术的耳机与同样采用了AuriStream的手机相连接，可以使语音拨号变得更为精确，操作也更简单。因为CSR公司BlueCore6上采用的AuriStream可支持32Kbps速率的ADPCM（为CVSD的数据速率64Kbps的一半），所以还有潜力支持更多的语音信道。CVSD传统上支持三个同步SCO语音信道。虽然现在的蓝牙技术规范规定仅支持三个信道，但采用蓝牙增强型数据速率（蓝牙技术规范v2.0或v2.1，数据速率高达3Mbps）的32Kbps链路ADPCM，将有可能支持多达七个更高质量的eSCO信道。2、硬件总体设计原理（一）ADPCM简介由前面PCM和M设计我们已经知道，在不考虑信道误码率的情况下，M的性能通常比PCM的差。这主要是因为PCM和M系统不管误差信号如何变化，传输的增量是固定不变的。如果使增量的数值随误差信号()dk的变化量化成M个电平之一，然后再进行编码，这样，系统的性能就会得到改善。在这样的系统中，由于对传输的增量还要经过脉冲编码调制，因而称它为增量脉冲编码调制或差分脉冲编码调制()DPCM。下面先介绍DPCM的基本原理。图1-1给出了DPCM系统原理框图。图中输入抽样值信号为()Sk，接收端输出重建信号为()rSk，()dk是输入信号与预测信号()eSk的差值，()qdk是经量化后的差值，()Ik是()qdk信号经编码后输出的数字码。编码器中的预测器与解码器的预测器完全相同，因此，在信道传输无误码的情况下，解码器输出的重建信号()rSk与编码器的()rSk完全相同。DPCM的总量化误差()ek定义为输入信号()Sk与解码器输出的重建信号()rSk之差，即有6()()()()()()()()()reeqqekSkSkSkdkSkdkdkdk由上式可知，在这种DPCM系统中，总量化误差只和差值信号的量化误差有关。自适应差分脉码调制（ADPCM）是语音压缩编码中复杂度较低的一种方法，它能在32kb/s数码率上达到符合64kb/s数码率的语音质量要求，也就是符合长途电话的质量要求。ADPCM是在差分脉冲调制DPCM基础上逐步发展起来的，ADPCM的主要改进是量化器与预测器均采用自适应方式，即量化器与预测器的参数能根据输入信号的统计特性自适应于最佳或接近最佳参数状态。ADPCM编解码系统的原理方框图如图1-2所示。下面着重介绍四个部分。（a）编码器（b）解码器图1-5ADPCM编解码系统原理图1、输入输出单元输入输出信号为标准的A律或律64kb/sADPCM主要应用于扩充现有PCM信道传输容量，即把两个30路PCM信号合并成一个2048kb/s的60路ADPCM信号，这是ITU-TG.761建议的国际标准。因此，采用标准的64kb/sPCM作为ADPCM系统的输入接口是合理的。由于标准64kb/sPCM是经过对数压缩后的数++-ADPCM码输出非线性至线性PCM变换()lSk()Ik自适应量化器定标因子自适应自适应速度控制器()yk()lak自适应逆量化器度控制器自适应预测器度控制器()rSk()eSk()qdk+++()Ik自适应逆量化器()yk自适应速度控制器自适应预测器定标因子自适应()yk()qdk()eSk()lak()rSk非线性至线性PCM变换()pSk同步编码调整单元()dSk7字信号，它不能直接进行一般算术运算，所以，在进入ADPCM编码前，必须把A律PCM码变换成自然二进制码，即线性PCM码。这一变换可以通过两者之间内在的对应关系来实现。在接收端，则需要进行一次反变换，把ADPCM码解码得到用线性PCM码表示的重建信号()rSk，变换成A律或律对数PCM信号输出。1、同步编码调整单元同步编码调整单元的功能主要是为了防止在同步级联的情况下（也就是全数字转接ADPCM-PCM-ADPCM-PCM-ADPCM）可能发生的量化噪声的积累问题。同步编码调整的原理简述如下：在重建PCM信号()pSk输出到信道前，让()pSk再进行一次ADPCM编码，然后把这个码与输入ADPCM原始码进行比较。若比较后两者不相同，就对()pSkPCM码增加或减少一个PCM量化电平；如相同，则不作调整。其具体过程如下：①建PCM信号()pSk变换成线性PCM重建信号()rSk；②计算差值信号()()()xredkSkSk；③根据定标因子()yk，将()xdk再编成ADPCM码字()IMk；④把()IMk与输入的ADPCM原始码()Ik进行比较：若kIkIM，则()()dpSkSk；若()()IMkIk，则增加一个量化电平；若()()IMkIk，则减小一个量化电平。2、自适应量化低通滤波线性组合比较器线性非线性滤波运算kyu长时平均kdml短时平均kdms()yk()uyk()lyk()dk8图1-6双模式()yk产生原理ITU-TG.721建议采用L=1