31-01-2015_09-20-05 / Методические указания к выполнению лабораторной работы 2 по ЦСП

Методические указания к выполнению лабораторной работы №2 по дисциплине «Цифровые системы передачи»

Исследование процесса квантования речевого сигнала

Красноярск

Золотухин, В.В.

Методические указания к выполнению лабораторной работы №2 «Исследование процесса квантования речевого сигнала» по дисциплине «Цифровые системы передачи» / В.В. Золотухин. – Красноярск, 2011. – 17 с.

В данных методических указаниях к лабораторной работе по предмету «Цифровые системы передачи» перед студентами ставится задача изучения процесса квантования речевого сигнала в цифровых системах передачи информации и возникающих при этом искажений (шума) квантования.

Предназначено для студентов, обучающихся по специальности 210406.65 «Сети связи и системы коммутации», а также направлению 210400.62 «Телекоммуникации».

© В.В. Золотухин

Цель лабораторной работы: изучение основных принципов процесса квантования речевого сигнала, понятия шумов квантования и ограничения, влияния величины шага квантования и максимальной допустимой амплитуды сигнала на шумы квантования и ограничения.

Теоретические сведения:

Квантование сигнала по уровню представляет собой процесс перехода от бесконечного множества допустимых значений сигнала к конечному, что делает возможным передачу номера уровня цифровым двоичным кодом с конечным числом бит (рисунок 1).

Рисунок 1 – Квантование сигнала по уровню

При этом квантованный сигнал обладает рядом преимуществ, в частности, при воздействии шумов есть возможность восстановить сигнал методом регенерации.

При квантовании вся область допустимых значений сигнала делится на N разрешенных уровня квантования, а сигнал при передаче каждый раз округляется до ближайшего разрешенного уровня квантования. Очевидно, что при этом неизбежно возникает ошибка округления (квантования):

кв(t) s(t) sкв(t).

Разность между соседними уровнями квантования называется шагом квантования.

Поскольку на приеме будут наблюдаться не истинные значения s(t), а квантованные sкв(t), то на выходе ФНЧ приема вместе с исходным сигналом появится еще и шум квантования εкв(t).

Рисунок 2 – Возникновение шума квантования

Для оценки помехозащищенности сигнала от шума квантования используется следующая формула:

A	10lg		Pc		,
з кв
			Pкв

где Pc – средняя мощность сигнала;

Pкв – средняя мощность шума квантования.

Помимо шумов квантования при кодировании первичных сигналов электросвязи проявляются еще и шумы ограничения, вызванные ограниченной разрядностью кодирующих устройств. Таким образом, на приеме помимо исходного сигнала будет наблюдаться смесь из двух видов шумов – шума квантования и шума ограничения.

Средняя мощность шума квантования определяется следующим образом. Предположим, что плотность распределения мгновенных значений квантуемого сигнала w(s) известна (рисунок 3). При достаточно большом числе уровней квантования N можно считать, что в пределах i-го участка квантования плотность распределения w(s)i равномерна и имеет вид

прямоугольника с шириной, равной величине шага квантования			и высотой
w(si).
	sкв(s), w(s)	w(s)
		Uогр
-Uогр		Uогр
			s
		-Uогр
	εогр(s)
-Uогр		0
		Uогр	s

Рисунок 3 – Средняя мощность шумов квантования и ограничения

Дисперсия шума квантования для i-го участка определяется следующим образом:

	s	2
	i
кв2 i		s si 2 w(s)i ds.
	s	2
	i

Но поскольку в пределах отдельного i-го участка плотность распределения w(s) практически постоянна, то есть не зависит от s и равна w(si), то последний интеграл после замены переменных (s-si)=εквi принимает следующий вид:

2

2квi w(si)

2

2	d		p	2
				i	.
				12
квi		квi	i

где pi – вероятность попадания сигнала в i-ую зону квантования. Суммарная дисперсия определяется как сумма дисперсий в каждой из

зон квантования:

	кв2	кв2 i pi		i2	.
				12
		i	i
	При равномерном квантовании,		когда все шаги i одинаковы, а сумма

всех вероятностей pi равна 1, получаем следующее значение мощности шума квантования:

2

2 .

кв 12

Таким образом, при равномерном квантовании мощность шума квантования σкв зависит только от величины шага квантования кв и никак не зависит от уровня сигнала. Можно сказать, что в конечном счете мощность шумов квантования определяется числом уровней квантования.

Средняя мощность шумов ограничения проявляет себя только при значениях сигнала, большего Uогр, поэтому может быть рассчитана по формуле:

2

Pш огр 2 a Uогр w(a)da.

Uогр

Рисунок 4 – Зависимость ошибки ограничения от значения входного сигнала

Для субъективной оценки качества речевого сигнала, особенно в том случае, если он подвергается кодированию или сжатию, широко используется методика субъективной оценки, описанная в рекомендации МСЭ-Т P.800, также известная как методика MOS (Mean Opinion Score).

Согласно данной методике качество речи при прохождении сигнала от источника (говорящего) через всю систему связи к приемнику (слушающему) определяется как среднее арифметическое субъективных оценок, выставляемых экспертами после прослушивания сигнала на приемной стороне.

Оценки экспертами выставляются в соответствии с привычной в нашей стране пятибалльной шкалой:

5 – отлично (ухудшение сигнала не заметно для слушателя);

4 – хорошо (ухудшение сигнала заметно, но не раздражает);

3 – приемлемо (ухудшение качества слегка раздражает);

2 – плохо (ухудшение качества определенно вызывает раздражение);

1 – неприемлемо (ухудшение качества вызывает сильное раздражение).

При этом оценки 3,5 балла и выше соответствуют стандартному и высокому качеству телефонного сигнала, 3,0 – 3,5 – приемлемому качеству, 2,5 – 3,0 – синтезированному звуку. При передачи речи по цифровым системам передачи с хорошим качеством желательно ориентироваться на уровень оценки не ниже 3,5.

Ниже приведены оценки MOS для различных кодеков:

G.711 (ИКМ, нелинейный кодек с поразрядным взвешиванием, 64

кбит/c) – 4,3;

G.729 (скорость передачи данных – 8 кбит/с) – 3,92;

G.723.1 (MPC-MLQ - Multipulse LPC with Maximum Likelihood Quantization, 6,2 кбит/c) – 3,9;

G.726 (АДИКМ-кодек, 32 кбит/c) – 3,8;

G.723.1 (ACELP-кодек, 5,3 кбит/c) – 3,62;

G.728 (LD-CELP-кодек, 16 кбит/c) – 3,61.

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
Файл	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10
1	10	20	5	50	100	10	20	100	100	10
2	100	200	50	100	200	300	50	1000	500	100
3	1000	2000	500	1000	500	1000	400	5000	1000	1000
4	5000	10000	300	5000	1000	5000	1000	10000	2000	10000
5	10000	20000	5000	10000	3000	15000	5000	20000	4000	30000

Таблица 2 – Исходные данные для выполнения лабораторной работы в соответствии с номером варианта (задание 5)

Вариант	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10
Uогр1	100	50	10	20	70	200	30	60	80	90
Uогр2	500	250	50	100	350	1000	150	300	400	450
Uогр3	1000	500	100	200	700	2000	300	600	800	900
Uогр4	5000	2500	500	1000	3500	10000	1500	3000	4000	4500
Uогр5	10000	5000	1000	2000	7000	20000	3000	6000	8000	9000

Порядок выполнения лабораторной работы:

1.Запустить программную среду Mathsoft MathCAD.

2.Открыть звуковой файл формата WAV:

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.

В общем случае речевой сигнал представляет собой последовательность отсчетов дискретизированного аналогового сигнала, взятых с частотой дискретизации fд. Такой способ

представления речевой информации называют импульсно-кодовой модуляцией (ИКМ) или PCM (pulse code modulation). В таком формате речевая информация хранится в файлах формата WAV и на аудио компакт-дисках (Audio-CD).

Формат данных WAV был разработан компаниями Microsoft и IBM для хранения аудиоданных. Файлы с расширением WAV в общем случае представляют собой контейнер для хранения любых речевых данных, в том числе сжатых. Однако в большинстве случаев в подобных файлах речевой сигнал хранится в несжатом виде – LPCM (Linear Pulse Code Modulation) или линейной ИКМ, то есть импульсно-

кодовая модуляция с линейным квантованием. Частота дискретизации может варьироваться в пределах от 1 Гц до 4,3 ГГц, а число каналов – до 65536. На практике же наиболее часто используют лишь определенные характеристики, например, два канала, частота дискретизации - 44100 отсчетов/с, 16 бит на один отсчет.

Отсчеты речевого сигнала принимают значения от 0 до 255 для 8- битных значений и от -32768 до 32767 для 16-битных значений. Причем отсутствию сигнала (тишине) соответствует уровень квантования 128 в первом случае и 0 во втором.

Поскольку абсолютное значение шага квантования в данном случае неизвестно, все приводимые далее рекомендации справедливы для относительного значения шага квантования.

3.Осуществить изменение величины шага квантования в соответствии с индивидуальными исходными данными:

Для выполнения данного задания предлагается использовать функцию Round(z,y), которая осуществляет округление z до ближайшего значения, кратного y.

4.Оценить мощность шумов квантования при различных значениях шага квантования: