CVSD与PCM编码转换算法

摘 要： 提出一种PCM和CVSD之间的数字转换算法。该算法在无信道传输误码的影响下，不仅满足“多次转接时无误差积累”，保证多次转接时信噪比不变,还极大地提高了单次转接时的信噪比并且根据《国标》和G．711建议设计了数字CVSD编译码器、数字PCM编译码器。算法模拟结果表明，该转换算法是行之有效的、成为网间互联技术新的信源转换方法。　　　　　　　　　　　

关键词： 连续可变斜率增量调制 脉冲编码调制 编码数字转换 信噪比
中图分类号 TN 911．2l

　　引 言

　　人们在设计通信网时，通常因为考虑了用户、温度的升降、季节的转换以及环境的变迁、信道误码等影响，从而设计了各种各样的通信网。但不同的通信网存在着不同的信令以及信源编码体制，比如，野战综合通信网、卫星网、移动通信网等网都采用CVSD信源编码体制，而电话通信网采用PCM编码体制。面对各种各样的通信网，要想实现数据的共享是非常困难的。因此，采用数字信号码变换，便于数字通信网中数据的交换、转接、存储和处理。在数字通信网中，为了使不同数据信号能直接接口，需要能从一种速率的数字信号变换成另一种速率的信号，这样可以充分扩大信息资源的有效利用以及延伸信息传递距离。本文主要研究PCM和CVSD的相互转换问题。

　　本文，首先设计了符合《国际》的16kb/s CVSD方案及CCITTG.711A律PCM方案。其次，根据“多次转接无误差积累”的思想，设计了16kb/s CVSD与64KB/s PCM编码的数字转换算法。通过计算机语言模拟，结果表明，该编码转换算法是正确的。　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　

1 CVSD与A律PCM数字编译码器的设计及指标测试　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　

1．1 CVSD数字编译码器　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　

1．1．1 数字CVSD编译码器的设计

　　根据欧洲通信组织标准，可以得到模拟CVSD编译码器中音节平滑滤波器及编译码器中的主积分器的转移函数。
　　(1)音节平滑滤波器转移函数为
　　　　　　　　　　　　
　　　τ为时间常数，为增益因子。
　　(2)模拟CVSD编码器中，主积分器采用双积分，其转移函数为
　　　　　　　　　　　　
　　(3)模拟CVSD译码器中，主积分器转移函数为：
　　　　　　　　　　　　
　　都是模拟CVSD编译码器的增益系数。
　　采用冲激不变法把模拟域的转移函数变为数字域，从而得到数字CVSD编译码器。

图1 (a)数字CVSD编码器

(b)数字CVSD译码器

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
其中：
音节平滑滤波器　　　　

编码器双积分器 　　　　

译码器主积分器　　　　　

是时间常数，是增益因子。均是和工作频率、通带频率及采样频率有
关的系数。

　　　　　　　　　表1 CVSD数字编译码器的各参量的取值

 

　　图中，输出滤波器的功能一般对CVSD编码是相当关键的。实用的CVSD编码器一般输入过抽样，以便在二电平粗量化器的限制条件下达到实用编码的目的。由于这种过抽样,所以未滤波的输出阶跃函数的特性中，包含了量化噪声及输入信号频带 以外的失真分量，这就要求用低通滤波器来抑制与/2之间的带外分量。

　　根据指标：采样率为16kHz，通带截止频率为3.4kHz，阻带截止频率为3.8kHz。阻带衰减为0.53dB，温带衰减为0.0283dB。数字低通滤波器设计成五阶椭圆IIR滤波器。
　　将《国标》表5中周期性测试比特序列a～g作为CVSD译码器的输入，这些序列将在B点产生800Hz音频信号。为了使B点产生的800Hz电平符合《国标》表5给出的值，确定出16kb/s CVSD编译码器中 。　

1．1．2 全数字CVSD编译码器的性能测试
　　采用800Hz正弦信号对图1所示的全数字CVSD编译码器进行以下性能测试，为了防止差拍现象，采用820Hz正弦波。1)A点和B点之间的插入损耗；2)频率衰减失真；3)增益随输入电平的变化；4)空闲信道噪声；5)动态范围特性；6)频率响应特性；7)非线性压扩比

　　测试结果表明，各项指标均符合国家标准。说明本文所设计的CVSD数字编译码器是正确的。本文只给性能5的测试结果，同时也给出《国标》所要求的样板曲线。

　　图2给出了16kb/s CVSD的动态范围特性曲线，它是采用频率为820Hz的正弦测试信号Asin[2π×820/l6000) ]获得的，纵坐标SNR＝101g(输入信号功率/重建误差功率)(dB)，横坐标为201g[( /ODBM)](dB )，参考电平为0dBm。是根据《国标》表5给出的周期性测试比特序列g得到的，对于l6kb/s CVSD为ODBM＝l729.08974。　

1．2 64kb/s A律PCM数字编译码器的设计
　　根据7位非线性码(不含极性位)和12位线性码(不合极性位)的对应关系，本文设计了两个PCM编码(LPCM→PCM)和PCM译码(CPCM→LPCM)程序。

　　本文对PCM编译码器的动态范围进行了测试，即当输入800Hz正弦信号时的SNR特性，并给出了所要求的样板曲线/测试方法和图2相同，可见，在信号输入很宽的范围内，PCM编译码器的SNR保持在37dB左右。

　

图2 数字CVSD编译码器的动态范围特性曲线

图3 数字PCM编译码器动态范围特性曲线

　 　　
2 CVSD与PCM编码数字转换算法　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　

2．1 PCM／CVSD数字转换器
　　设计的PCM/CVSD的数字转移器如图4所示：

图4 　PCM/CVSD数字转换器

图5 　判决系统

　　PCM/CVSD数字转换器的工作原理为：
　　每当输入一个CPCM码时，采用延迟判决编码的方法获得所需的两位码。首先用CVSD译码器译出00，01，10，11的译码值，再通过抽取器将采样率从16kHz降为8kHz。然后通过判决系统优选出所需要的CVSD组合码，并将此时的CVSD译码器的状态保存下来，以供下优选时用。

　　判决系统(如图5所示)的工作原理为：
　　(1)首先计算CVSD00码的8KHz采样的的CPCM码及的PCM译码值，记录CVSD00码及此时译码器状态，保存和到和中；

　　(2)计算CVSD01码的8kHz采样译码值的CPCM码及的PCM译码值，分别与输入的PCM码进行比较。
　　i)若，则保留CVSD01码及此时译码器状态，相应地，用更换，转到步骤(3)；

　　ii)若，则转向步骤(3)；

　　iii)若

　　当时，若，则保留01码及此时译码器的状态，用更换 ，转向步骤(3)；若 ，则转向步骤(3)；

　　当，若 ，则保留01码及此时译码器的状态，用更换转向步骤(3)；若 ，则转向步骤(3)；

　　(3)对CVSD10码及11码依次作步骤(2)中的处理。
　　，所保留的两位CVSD码即为优选码，所保存的译码器状态即为下处理输入的CPCM码时的CVSD译码器的起始状态。

2．2 CVSD/PCM数字转换器
　　设计CVSD/PCM数字转换器如图6所示：

　　　　　　　　　　　　　　　图6 CVSD/PCM数字转换器
　　图中，抽取器将16kHz采样的线性码信号变为8kHz采样的线性码 ，即＝，=0、1、2……，因为其转接过程比PCM/CVSD简单，故本文不再论述。　　　　　　　　　　　　　　　　　　

3 编码转换算法的模拟结果

　　本文采用正弦波对算法进行了C语言模拟测试，在文献[3]曾刊出了一种关于PCM和CVSD之间数字转换的算法。因而，本文同时也给出了该算法的模拟结果。

　　表2中，SNR为常用信噪比，也即量化信噪比。和图2的计算方法一样，编码转换次序0，l，2，……，含义为P→P/C →C/P →P/C →C/P →P/C……次序0即为P→P直接PCM编码情况。次序l即/C →C/P →P为次转接情况，以此类推。我们可从表2看出，多次转接时信噪比不变。表3为文献【3】方法的测试结果。　　　　　　

　　基于上两种方法的结果对比，本文所提出的方法信噪比在0～34dB 范围内信噪比都大于文献[3]所刊出的方法，不仅极大地提高了单次转接时的信噪比，同时也保证了“多次”转接时信噪比不变”，究其原因：文献[3]方法实质上并没有做到优选CVSD码，所以造成信噪比不仅在—34dBmo——25dBm。范围内有很大的衰减，还在单次转接时信噪比也没有本文方法高。因此本文的新方法成为联接两种通信网中的信源编码转换的首先方法。这对我们实际生活有极大的意义。

　　综上所述，本文对PCM和CVSD之间数字转换算法的研究，解决了通信网的互联问题。从转换的结果可以看出，采用PCM/CVSDL转换方式和直接CVSD信源编码方式相比，信噪比没有降低，但如果信息由PCM/CVSD，再经CVSD/PCM时，信噪比降低很多。这是由CVSD这种特殊的信息编码方式造成的，用PCM方式编码的信息转换成CVSD编码方式时，由于CVSD粗量化的结果造成信息的大量丢失，因此，己由PCM转换成CVSD码的信息再次转换成PcM时，信噪比不可能还原到初始的PCM信噪比水平。这种“多次转换无误差积累”的算法是以损伤PCM信噪比为代价的。

参 考 文 献

1 钱亚生，诸庆麟译．语音与图象的波形编码原理及应用．北京：人民邮电出版社．1990 456～512　　　　
2 国家技术监督局．增量调制终端设备技术要求及测量方法．北京：中国标准出版社、1992．25～35　　　
3 杨俊，冯重熙．32kb/sCVSD与64kb/sPCM编码数字转换算法．通信学报，1994，15(1)：33～39　　　　　
4 张向东，杨俊，唐昆．CVSD多径搜索编码算法研究．电子科学学刊，1994·，16(4)：337～344　　　　　
5 冯重熙．现代数字通信技术．北京人民邮电出版社．1987 101～103　　　　　　　　　　　　　　　　　
6 曹志刚，钱亚生．现代通信原理．北京：清华大学出版社．1992．154～163