淺談MATLAB的自適應差分脈沖調(diào)制仿真

劉垚彤

摘要：數(shù)字語音有許多模擬語音不可比擬的優(yōu)點：它便于傳輸和存儲，能夠在噪聲信道中進行可靠傳輸，易于交換，能夠方便地加密傳輸。但由于未經(jīng)任何處理的數(shù)字語音數(shù)據(jù)量很大，若不經(jīng)過處理，那么在傳輸和存儲時會占用大量的信道資源和存儲空間，給系統(tǒng)提出很高的要求，因此數(shù)字語音一般都要進行壓縮編碼。ADPCM采用自適應量化和自適應預測方法，對PCM（脈沖編碼調(diào)制）語音信號進行再壓縮，是一種有效的語音信號波形編碼壓縮方法。自適應差分脈沖調(diào)制技術在語音壓縮編碼中得到廣泛運用。

關鍵詞：語音壓縮? 自適應脈沖編碼調(diào)制（ADPCM）? G.721? matlab

隨著通信、計算機網(wǎng)絡等技術的飛速發(fā)展，語音壓縮編碼技術在移動通信、衛(wèi)星通信、多媒體技術以及電話通信中得到普遍應用，起著舉足輕重的作用。為了減少傳輸碼率，降低傳輸帶寬，提高經(jīng)濟效益，在保證一定的通信質(zhì)量的前提下，國內(nèi)外對壓縮編碼的研究非常重視。

語音編碼就是將模擬語音信號數(shù)字化。如果對語音信號直接采用模/數(shù)（A/D）轉(zhuǎn)換技術進行編碼，則傳輸或存儲語音的數(shù)據(jù)量太大，為了降低傳輸速率或存儲容量，就必須對其進行壓縮編碼。還原時以壓縮的相反過程進行解碼，再經(jīng)過數(shù)/模（D/A）轉(zhuǎn)換合成近似的模擬語音信號。迄今已有各種各樣的語音編解碼技術，有脈沖編碼調(diào)制（PCM）、增量調(diào)制（DM）、差分脈碼調(diào)制（DPCM）和自適應差分脈沖編碼調(diào)制（ADPCM），它們都屬于語音編碼壓縮技術。

其中公認的較好方法是ADPCM編解碼技術。1984年CCITT經(jīng)過研究比較提出了G.721建議，決定以碼率為32kb/s的ADPCM作為語音壓縮的國際標準，它兼顧了通信質(zhì)量和設備的復雜性。該標準并于1986年做了進一步的修改。CCITTG.721建議的ADPCM編解碼算法已由法國中央國家通信研究所研制的數(shù)字信號處理單元TM32010實現(xiàn)，它把語音傳輸碼率由64kb/s壓縮到32kb/s，而且體積小，功耗和成本低，使信道容量增加1倍，是數(shù)字通信中的重大突破。

在保證一定的編碼語音質(zhì)量的前提下如何高效率地進行壓縮編碼，或者在給定信息速率的前提下如何提高編碼后的語音質(zhì)量，是語音編碼研究的重點。ADPCM利用了語音信號樣點間的相關性，并正對語音信號的非平穩(wěn)特點，使用了自適應預測和自適應量化，在32kb/s速率上能夠給出網(wǎng)絡等級語音質(zhì)量，從而符合進入公用網(wǎng)的要求。自適應差分脈沖調(diào)制技術是具有可調(diào)參數(shù)的語音壓縮技術，可根據(jù)信號自適應預測和量化，使實際樣本值和預測值之間的差值總是最小，這是其他語音編碼技術不能做到的。研究自適應差分脈沖調(diào)制仿真具有重要意義。

人們把話路速率低于64kbit/s的語音編碼方法，稱為語音壓縮編碼技術。常見的語音壓縮編碼有脈沖編碼調(diào)制（PCM）、差分脈碼編碼調(diào)制（DPCM）、自適應增量調(diào)制（ADM）、自適應差分脈沖編碼調(diào)制（ADPCM）等。

自適應差分脈沖調(diào)制（ADPCM）是用預測編碼來壓縮數(shù)據(jù)量。它結(jié)合了ADM的差分信號與PCM的二進制碼的方法，是一種性能比較好的波形編碼。自適應量化的基本思想就是讓量化階距與輸入信號幅度變化相匹配，即量化階距應當隨著輸入信號幅度變化而增減，從而進一步改善量化效果。

改變量化階大小的方法有兩種：一種稱為前向自適應，另一種稱為后向自適應。前向自適應是根據(jù)未量化的樣本值的均方根值來估算輸入信號的電平，以此來確定量化階的大小，并對其電平進行編碼作為邊信息傳送到接收端。后向自適應是從量化器剛輸出的過去樣本中來提取量化階信息。由于后向自適應能在發(fā)收兩端自動生成量化階，所以它不需要傳送邊信息。

自適應差分脈碼調(diào)制（ADPCM）就是在相同質(zhì)量指標的條件下，降低數(shù)字化語音數(shù)碼，壓縮數(shù)字化語音占用頻帶，提高數(shù)字通信系統(tǒng)的頻帶利用率。我們在詳細分析CCITTG.721標準算法的基礎上，充分利用數(shù)字信號各種數(shù)學運算技巧，盡量壓縮指令執(zhí)行時間，采用計算機模擬標準算法作為調(diào)試手段，使之達到運算精度與G.721完全一致，實現(xiàn)ADPCM的調(diào)制仿真。

通過對標準算法描述的研究后，可以將其按照ADPCM編碼中最重要的兩個方面，把算法分為自適應量化和自適應預測兩個大的功能算法模塊，它們共同作用實現(xiàn)了G.721編碼器算法，如圖4.2所示。

自適應差分脈沖編碼調(diào)制（ADPCM）結(jié)合了DPCM和ADM，可以理解為在差分算法DPCM的基礎上根據(jù)自適應增量ADM編碼原理進行的算法改進。改進的算法環(huán)節(jié)有兩個：①量化器的量化步長隨著輸入信號電平的相關變化而隨時做出調(diào)整，用大的量化步長去量化大的差值，用小的量化步長去量化小的差值。②線性預測濾波器的預測參數(shù)是自適應的隨時調(diào)整的。

以上就是ADPCM的一般編碼流程，因為解碼過程幾乎完全是編碼的逆操作，暫不具體具體說明。

通過編寫matlab的G.721-ADPCM程序的相關程序，采用的G.721-ADPCM算法，通過matlab軟件，導入獲取的語音，為了更好體現(xiàn)效果，可采用一小段歌曲，運用未加噪聲和加了噪聲兩種情況演示，通過ADPCM處理后語音波形的對比，得出如下結(jié)論：

通過載入語音之后，原語音的波形和經(jīng)過G.721ADPCM編碼之后的語音波形對比，音質(zhì)沒什么差別。放大后可以看出經(jīng)過ADPCM處理后的波形與原始波形非常接近，僅在振幅上有很微小的差別。加了噪聲之后查看仿真波形，并且通過改變不同的信噪比，來對比仿真的波形結(jié)果。

通過結(jié)果分析可知：ADPCM可以達到較好的編解碼效果，解碼后信號恢復較好。隨著信噪比的增大，原始語音信號與解碼后信號的相關系數(shù)越來也大，說明恢復的信號與原始信號越來越相近，效果越來越好。在相同比特速率條件下，ADPCM比PCM信噪比也有很大的改善，在改善量化噪聲方面優(yōu)于PCM系統(tǒng)。結(jié)合其他語音編碼分析可知，經(jīng)過ADPCM調(diào)制后的信號，其傳輸?shù)谋忍芈室萈CM的低很多，大大降低了碼元傳輸速率和壓縮傳輸帶寬，從而增加了通信容量。保持了很高語音編碼質(zhì)量。

ADPCM的根本作用是使語音通信數(shù)字化，而語音通信的數(shù)字化將使通信技術的水平提高一大步。對于蓬勃興起的移動通信和個人通信，語音編碼技術就是其中非常重要的支撐技術。ADPCM編碼作為一種經(jīng)典的語音編碼，算法結(jié)構較為簡潔，能夠很好的壓縮語音信號，減小存儲空間，提高傳輸速率，在一般電子通訊系統(tǒng)中有望得到進一步的應用。

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