31-01-2015_09-20-05 / Методические указания к выполнению лабораторной работы 3 по ЦСП

Рисунок 4 – Структурная схема полувокодера

Детали временной структуры речевого сигнала на низких частотах при этом не теряются, а в точности воспроизводятся на приемной стороне. А поскольку именно они определяют натуральность речи, то восстановленный сигнал получается очень качественным, даже сравнимым по качеству с каналом тональной частоты 0,3…3,4 кГц.

В одном из первых вариантов полувокодера нулевой субканал был выбран равным 250…940 кГц, а более высокие частоты от 940 до 3650 Гц были поделены на 17 субканалов, причем первые 14 из них имеют полосы пропускания 150 Гц, а последние – значительно шире. Общая полоса частот полувокодера получилась равной 1000…1200 Гц, что соответствует примерно трехкратному сжатию речевого сигнала канала тональной частоты.

Последние экспериментальные исследования несколько уточняют приведенные выше параметры: полосу частот нулевого субканала желательно выбирать равной 800…1000 Гц, а полосный вокодер должен иметь 6…10 каналов для полосы частот 1000…3400 Гц, при этом 82% слушателей вообще не заметят разницу по сравнению с каналом ТЧ. В целом, при использовании эффективных реализаций полувокодеров можно получить скорость передачи порядка 9,5 кбит/c. При этом достижения современной микропроцессорной техники и микроэлектроники, а также алгоритмов цифровой обработки сигналов позволяют создавать компактные вокодеры со скоростями передачи 16, 9,6, 8 и 4,8 кбит/c, что, в конечном счете, позволяет еще больше увеличить эффективность использования пропускной способности линий связи.

Для выполнения лабораторной работы потребуется выделение формант из частотного спектра речевого сигнала. Для выполнения данной задачи предлагается использовать дискретное преобразование Фурье.

Дискретное преобразование Фурье (ДПФ или DFT) вычисляется по следующей формуле:

N 1	2
S(k) s(n)e j		nk ,
	N
n 0

где k – номер отсчета спектра сигнала, принимает значения от 0 до N-1. Обратное дискретное преобразование Фурье (ОДПФ или IDFT)

вычисляется по следующей формуле:

		1	N 1	2
	s(n)		S(k)ej		nk ,
				N
		N k 0

где n – номер отсчета сигнала во временной области, принимает значения от 0 до N-1.

При реализации обработки звуковых файлов в системе MathCAD предлагается использовать алгоритм быстрого преобразования Фурье (БПФ или FFT).

Исходные данные:

Для каждой подгруппы, состоящей из двух студентов, преподавателем выдается индивидуальное задание в соответствии с номером варианта. Выполнение, составление отчета о проделанной работе и защиту следует проводить всей подгруппой. Исходные данные для разных вариантов приведены в таблице 1.

Таблица 1 – Исходные данные для выполнения лабораторной работы в соответствии с номером варианта (задание 3)

	Вариант	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10
	N	128	256	128	512	256	128	256	128	128	256
	Разрядность	10	8	7	9	11	12	7	8	12	15
	m
	Количество	5	3	10	2	1	4	6	2	3	5
	формант
	Файл	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10

Порядок выполнения лабораторной работы:

1.Запустить программную среду Mathsoft MathCAD.

2.Открыть звуковой файл формата WAV, содержащий отсчеты речевого сигнала:

Таким образом, для считывания звукового файла формата WAV в массив используется функция READWAV. Для получения атрибутов файла используется другая функция – GETWAVINFO. Она позволяет получить такие характеристики звукового файла, как число каналов, частота дискретизации, количество бит на один отсчет и скорость цифрового потока.

Считанный с помощью функции READWAV файл помещается в одномерный или двухмерный массив (в случае стерео), каждый элемент которого представляет собой отсчет речевого сигнала.

3.Преобразовать последовательность отсчетов файла в двухмерный массив, в котором исходная последовательность разбита на блоки по N отсчетов:

4.Вычислить дискретное преобразование Фурье (ДПФ) для блоков

исходного сигнала по N отсчетов. После этого необходимо выполнить квантование полученных 2N-1+1 частотных выборок с разрядностью m:

5. Найти фазовый спектр сигнала:

6.Выделить несколько формант сигнала в соответствии с индивидуальным заданием:

7.Выполнить обратное дискретное преобразование Фурье для получения сигнала во временной области:

8.Сохранить полученный сигнал в файл:

9.Прослушать полученные сигналы. Оценить качество речевого сигнала по пятибалльной шкале.

10.Выполните аналогичные преобразования для звукового файла с музыкой, оцените качество полученного сигнала по пятибалльной шкале.

11.Аналогичные преобразования речевого сигнала можно выполнить с помощью пакета прикладных программ MATLAB. Ниже приведен пример программы, реализующей вокодер:

function LabWork3 voice=wavread('Voice10.wav');

[ml dl]=wavfinfo('Voice10.wav'); [q n]=size(voice);

N=256;

m=15; g=round(q/N)-1; formant=5; Lvoice=zeros(256,g); Rvoice=zeros(256,g); for j=1:g;

Lvoice(1:256,j)=voice(1+N*(j-1):j*N,1);

Rvoice(1:256,j)=voice(1+N*(j-1):j*N,2);

end LDCT=fft(Lvoice); RDCT=fft(Rvoice); reLDCT=abs(LDCT); reRDCT=abs(RDCT); phLDCT=angle(LDCT); phRDCT=angle(RDCT); quLDCT=zeros(256,g); quRDCT=zeros(256,g); for j=1:g;

quLDCT(1:256,j)=reLDCT(1:256,j)/(max(reLDCT(1:256,j))+1e32)*2^m;

quRDCT(1:25 6,j)=reRDCT(1:256,j)/(max(reRDCT(1:256,j))+1e32)*2^m;

end figure(1)

plot(quLDCT(1:256,5000))

cutLDCT=zeros(256,g);

cutRDCT=zeros(256,g); for j=1:g;

for z=1:formant

[y v]=max(quLDCT(1:256,j)); [y2 v2]=max(quRDCT(1:256,j)); cutLDCT(v,j)=y; cutRDCT(v2,j)=y2; quLDCT(v,j)=0; quRDCT(v2,j)=0;

end

end figure(2)

plot(cutLDCT(1:256, 5000)) for j=1:g;

cutLDCT(1:256,j)=cutLDCT(1:256,j)*(max(cutLDCT(1:256,j))-1e- 32)/2^m; cutRDCT(1:256,j)=cutRDCT(1:256,j)*(max(cutRDCT(1:256,j))-1e- 32)/2^m;

end LDCTnew=cutLDCT.*exp(1i*phLDCT); RDCTnew=cutRDCT.*exp(1i*phRDCT); LVocVoice=ifft(LDCTnew); RVocVoice=ifft(RDCTnew); VocVoice=zeros(q,n);

for j=1:g; VocVoice(1+N*(j-1):j*N,1)=round(LVocVoice(1:256,j)); VocVoice(1+N*(j-1):j*N,2)=round(RVocVoice(1:256,j));

end wavwrite(VocVoice,44100,16,'VocVoice.wav');

Требования к отчету:

Отчет о проделанной работе должен быть оформлен в полном соответствии с СТО 4.2-07 «Система менеджмента качества. Общие требования к построению, изложению и оформлению документов учебной и научной деятельности» и включать в себя: титульный лист, цель лабораторной работы, расчеты в среде MathCAD и заключение. После представления отчета преподавателю требуется ответить на контрольные вопросы, а в случае успешной защиты отчет сдать преподавателю.

Контрольные вопросы:

1.Полосное кодирование речевого сигнала.

2.Статистические особенности речевого сигнала.

3.Устройство и принципы функционирования полосного вокодера.

4.Устройство и принцип функционирования гармонического вокодера.

5.Устройство и принципы функционирования формантного вокодера.

6.Устройство и принцип функционирования вокодера с линейным предсказанием.

7.Особенности современных вокодеров, используемых в системах связи.

Вокодеры CELP, ACELP.

8.Способы улучшения качества звучания вокодеров. Полувокодеры.

9.Дискретное преобразование Фурье. Быстрое преобразование Фурье. Методы реализации указанных преобразований в среде MathCAD и MATLAB.

Список литературы:

1.Крухмалев В.В. Цифровые системы передачи / В.В. Крухмалев, В.Н. Гордиенко, А.Д. Моченов. – М.: Горячая Линия - Телеком, 2007. - 352 с.

2.Баева Н.Н. Многоканальные системы передачи / Н.Н. Баева, В.Н. Гордиенко, С.А. Курицын, А.Ю. Персианов. – М.: Радио и связь, 1997. - 555 с.

3.Баева Н.Н. Многоканальная электросвязь и РРЛ.- М.: Радио и связь, 1988. – 312 с.

4.Зингеренко А.М., Баева Н.Н., Тверецкий М.С. Системы многоканальной связи.- М.: Связь, 1980 г.

5.Гитлиц М.В., Лев А.Ю. Теоретические основы многоканальной связи: Учеб. пособие для вузов связи. - М.: Радио и связь ,1985. - 248 с.

6.Скалин Ю.В. Цифровые системы передачи: Учебник для техникумов.- М.: Радио и связь, 1988. - 272 с.

7.Берганов И.Р. и др. Проектирование и техническая эксплуатация систем передачи: Учеб. пособие для вузов / И.Р. Берганов, В.Н. Гордиенко, В.В. Крухмалев. - М.: Радио и связь, 1989. - 272 с.