Лабораторная работа 2 Изучение методов кодирования речевых сигналов

1 Цель работы:

1.1 Исследовать процесс кодирования звуковых и, в частности, речевых сигналов.

1.2 Ознакомиться с методами кодирования речевых сигналов на основе импульсно-кодовой модуляции (ИКМ).

2 Подготовка к работе:

2.1 Повторить материал по теме «Импульсно-кодовая модуляция (ИКМ). Дифференциальные методы ИКМ», использовать вышеприведенную литературу.

2.2 Подготовить форму отчета

3 Оборудование:

3.1 Персональный компьютер

3.2 Программы записи и воспроизведения звуковых сигналов

3.3 Программы конверторы звуковых сигналов

4 Задание:

4.1 Искажения при разностном представлении сигнала. Исследовать возможность представления не абсолютных значений сигнала, как при ИКМ представлении, а сигнал ошибки между предсказанным значением и реальным, для кодирования которой надо меньше разрядов. Пример осциллограммы музы­кального сигнала приведен на рис.1. Для получения такой картинки использовать кнопку «+» или кнопку увеличения временного масштаба изображения, расположенной под экраном.

Рисунок 1 – Дискретные отсчеты реального сигнала

Здесь используются дифференциальные методы квантования или раз­ностные системы кодирования и системы с предсказанием - ДИКМ. Основное искажение при использовании ДИКМ, ограничивающее применение для передачи сигналов звукового вещания (СЗВ) - ограничение крутизны, когда на­растание временной функции, атака, не может быть описано сиг­налом ошибки с ограниченным числом разрядов. Как и при ИКМ, присутствуют шумы квантования, зато отсутствуют искажения ограничения. На практике чаще используется формат АДИКМ, в котором используемый шаг квантования изменяется в зависи­мости от амплитуды сигнала.

- Для кодирования сигнала с использованием АДИКМ, сохра­нить его по команде Save as, выбрав тип файла DVI/IMA ADPCM. Выбор разрядности представления осуществляется в всплываю­щем меню и может изменяться от 2 до 5 разрядов.

- Сравнить звучание исходного и преобразованного файлов. При нормальном слухе можно заметить наличие модуляцию вы­сокочастотных шумов и компонент в преобразованном сигнале. Провести объективную оценку спектральных и статистических свойств сигнала, используя возможности опции Analyze. Как изменились при этом интегральные спектральные и стати­стические характеристики?

- Исследовать сигнал ошибки представления. Для этого из ис­ходного сигнала вычесть преобразованный сигнал, используя ко­манду MixPaste опции Edit. Поставить галочку в окошке Invertвозле регулятора уровня исходного сигнала, используя режим микширования OverlapиFromFile, нажав на клавишу SelectFile, выбрать компандированный файл. Внешний вид сигнала ошибки для речевого сигнала при использовании 4 разрядов пред­ставления и пропорциональном снижении объема сигнала, может быть выглядеть так (рис.2).

- Для изучения искажений эффекта синтезировать многокомпо­нентный гармонический сигнал. В опцииGenerate, Tones сформи­ровать сигнал, состоящий из базовой гармоники 3000 Гц и пяти ее гармоник, равного уровня и общим уровнем сигнала около 3 дБ. Осциллограмма испытательного сигнала приведена на рис.3.

Рисунок 2 – Сигнал ошибки разностного представления

Рисунок 3 – Тестовый сигнал из пяти гармоник

- Преобразовать сформированный сигнал в АДИКМ формат. Провести спектральный анализ исходного и компандированного сигналов (рис. 4 и 5).

Рисунок 4 – Спектр тонального сигнала из пяти гармоник

Рисунок 5 – Спектр тестового сигнала в разностном представлении

4.2 На рис.6 представлен один и тот же часовой звуковой от­рывок радиопередачи на входе и выходе кодека источника, ре­ализующего алгоритм МРЗ (MPEG 1 Layer 3). Для наглядно­сти крупномасштабный нижний фрагмент рисунка представляет разностный сигнал, т.е. непосредственно «искажения компакт­ного представления». Два сигнала нормированы по мощности. Уровень разностного сигнала составляет -9.3 дБ по отношению к уровню исходного сигнала.

Вход

Выход

Ошибка

Рисунок 6 – Изменения в сигнале, вносимые алгоритмом МР3

Рассмотреть искажения, которые возникают в цифро­вых трактах первичного распределения сигнала вещания, постро­енных с использованием формата МРЗ, при передаче реального сигнала. Для этого использовать сигнал звуковой программы, предо­ставленный преподавателем, или сформировать программу самостоятельно, используя соответствующий источник на CD. Ниже, в качестве примера, использована часовая запись радиопрограммы «Маяк». Запись сделана с использованием 16-разрядной ИКМ при частоте дискретизации 32 кГц, что соответствует высшему классу каче­ства. Привести временную диаграмму сигнала (рис.7).

Рисунок 7 - Временная диаграмма исходного сигнала

- Для имитации прохождения компактно представленного в формате МРЗ сигнала через канал воспользуемся возможностьюего сохранения, предусмотренной в большинстве современных ре­дакторов, в том числе и в CoolEdit. Для этого в опцииFile вы­брать команду исходный сигнал — сохранить как. В качестве типа файла выбрать МРЗ, в качестве значения цифровой скорости (Bitrate) укажите 128 или 96 или иное количе­ство кбит/с.

- Изучить потери преобразования субъективно при прослу­шивании и объективно — спектр и статистика в опцииAnalyze.

- Потом вызовите сохраненный сигнал в формате МРЗ и опять сохраните в формате WAV — со всеми «прелестями», собранными в МРЗ. На рис. 8 приведены временные диаграммы для сигнала, сохраненного в формате МРЗ при значениях скорости 128 и 96 кбит/с и вновь преобразованного в формат WAV:

Рисунок 8 - Временные диаграммы сигнала, сохраненного в формате МР3

при значениях скорости 128 (а) и 96 кбит/с и вновь преобразованного

в формат WAV(б)

- Рассмот­реть изменения сигнала подробнее. Для этого необходимо сфор­мировать сигнал ошибки как разность между входным и выход­ным сигналами.

Следует учесть, что для анализа желательно использовать наиболее широкополосные сигналы, для которых устранение из­быточности наиболее заметно.Первоначально, для формирования разностного сигнала, ско­пировать сигнал из МРЗ-wav, откройте также и исходный файл. В менюEdit — MixPasteвыберитеOverlap (сложить) и отметьте галочкойInvert (для инверсии сигнала по фазе). При этом величина ошибки при снижении цифровой скорости будет резко возрастать.

- Для объективного анализа изменений сигнала следует ис­пользовать гистограммы распределения мгновенных значений и статистики исходного сигнала и сигнала, прошедшего канал с ко­деком источника, а также спектральный анализ.

- Для этого выделить исследуемый сигнал и в менюAnalyzeвыберитеFrequencyAnalysisилиStatistics.

Сделать выводы. Из результатов статистического и спектрального анализа должно быть видно, что сигналы практически не отличаются. При пониженной скорости передачи в распределении мгно­венных значений и спектрограммах начинают замечаться отли­чия. Замечают изменения сигнала и слушатели — примерно в 30 % случаев.

- Самостоятельно провести исследование изменений объек­тивных параметров сигнала для цифровых скоростей компактно представленного сигнала 32 и 16 кбит/с. Такие скорости исполь­зуются, в частности, в Интернет-вещании. Для удобства сравне­ния можно использовать псевдостереофоническое представление, записав по одному каналу исходный сигнал, а по другому — искаженный после прохождения кодека МРЗ. В этом случае гораздо удобнее зрительно сравнить характеристики двух сигналов.

- Провести контрольные прослушивания отрезков сигнала. Для этого следует отобрать фрагменты сигналов разных типов (речь, эст­радная музыка и т.д.), длительностью 8... 16 с (при большей дли­тельности фрагмента слушатель не запоминает сигнал и не может его сравнить с исходным). Последовательно прослушайте исходный и искаженный сигналы, снижайте скорость до появления заметности изменений сигнала.