實(shí)驗(yàn)一-PCM與ADPCM語(yǔ)音被壓縮編碼

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上實(shí)驗(yàn)一 PCM與ADPCM語(yǔ)音壓縮編碼學(xué)院 光電學(xué)院 專業(yè) 網(wǎng)絡(luò)工程 姓名 陳炯爍 學(xué)號(hào) 8 一、 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、了解PCM的基本原理和方法；2、了解ADPCM的基本原理；3、了解語(yǔ)音壓縮編碼的基本原理和過(guò)程。二、 預(yù)備知識(shí)1、PCM的基本原理和方法；2、ADPCM的基本原理；三、 實(shí)驗(yàn)儀器1、移動(dòng)通信實(shí)驗(yàn)箱 一臺(tái)；2、臺(tái)式計(jì)算機(jī) 一臺(tái)；四、 實(shí)驗(yàn)原理目前國(guó)際上普遍采用容易實(shí)現(xiàn)的A律13折線壓擴(kuò)特性和律15折線的壓擴(kuò)特性。我國(guó)規(guī)定采用A律13折線壓擴(kuò)特性。本實(shí)驗(yàn)中的PCM采用的是A律13折線PCM。由預(yù)備知識(shí)可知，A率對(duì)數(shù)壓縮特性定義為： 在CCITT建議中，A=87.

2、56。在具體實(shí)現(xiàn)時(shí)壓縮曲線c(x)用13段折線來(lái)近似，量化電平數(shù)L=256，即編碼位數(shù)R=8。因?yàn)閷?duì)語(yǔ)音的采樣頻率為8kHz，這樣，A率13折線的PCM輸出數(shù)據(jù)流速率為64kb/s。下圖為A律13折線的壓縮示意圖：負(fù)電平部分的壓擴(kuò)特性和正電平部分的壓擴(kuò)特性是對(duì)稱的 ，所以上圖只畫(huà)出了正電平壓擴(kuò)特性。這種量化方式相比于線性量化，當(dāng)信號(hào)為小信號(hào)時(shí)，其信噪比較高（尤其是語(yǔ)音信號(hào)）。從圖上可以看到，整個(gè)歸一化電平區(qū)間被分為8個(gè)小區(qū)間，每個(gè)區(qū)間的斜率和起點(diǎn)電平如下表：折線段落12345678斜率161684211/21/4區(qū)間起點(diǎn)01/1281/641/321/161/81/41/2正電平部分的第一段和

3、第二段的斜率都是16，負(fù)電平部分的第一段和第二段的斜率也都是16，所以本來(lái)劃分的16折線段實(shí)際為13折線段。PCM編碼對(duì)一個(gè)采樣值量化編碼后得到的是8比特的編碼，下圖是這8比特的碼位安排：可見(jiàn)，編碼的第一位C1為極性碼，正電平為1，負(fù)電平為0。C2C4為段落碼，表示信號(hào)絕對(duì)值處在哪個(gè)段落，3位碼的8種可能狀態(tài)分別代表8個(gè)段落的起點(diǎn)電平。C5C8為段內(nèi)碼，段內(nèi)碼共4位，并且段內(nèi)采用均勻量化的方式，故共有2416個(gè)均勻量化級(jí)。但因段落長(zhǎng)度不等，故不同段落間的量化級(jí)是非均勻的。小信號(hào)時(shí)，段落短，量化間隔??；反之，量化間隔大。13折線中的第一、 二段最短，只有歸一化的1/128，再將它等分16小段，每

4、一小段長(zhǎng)度為。 這是最小的量化級(jí)間隔，它僅有輸入信號(hào)歸一化值的1/2048，記為，代表一個(gè)量化單位。第八段最長(zhǎng)，它是歸一化值的1/2，將它等分16小段后，每一小段歸一化長(zhǎng)度為 ， 相當(dāng)于64個(gè)最小量化間隔，記為64。其余各段的最小量化間隔的計(jì)算以此類推。下圖是13折線PCM的各段落段落內(nèi)量化間隔，段落起始終點(diǎn)值，量化間隔等參數(shù)的表： 段落序號(hào)電平范圍段落碼段落起始電平量化間隔段內(nèi)碼對(duì)應(yīng)權(quán)值81024 2048111102464512256128647512 10241105123225612864326256 512101256161286432165128 25610012886432168

5、464 128011644321684332 6401032216842216 32001161842110 16000018421此外，4位段內(nèi)編碼可以采用自然二進(jìn)制編碼，也可以采用格雷碼或折疊二進(jìn)制碼。 ADPCM編碼原理參見(jiàn)本章預(yù)備知識(shí)。本次實(shí)驗(yàn)分為兩個(gè)部分。一部分是對(duì)一正弦信號(hào)進(jìn)行A律13折線PCM編碼的演示，另一部分是通過(guò)麥克風(fēng)錄制語(yǔ)音并延時(shí)回放，從主觀感覺(jué)PCM，32kADPCM，16kADPCM的效果。本實(shí)驗(yàn)中，我們采用了Motorola的MC芯片來(lái)實(shí)現(xiàn)64K A律PCM編碼、32K ADPCM和16K ADPCM編碼。在實(shí)驗(yàn)箱上，與之相關(guān)的硬件測(cè)試點(diǎn)包括PCMCLK, PCMF

6、SR, PCMTX, PCMRX，見(jiàn)下圖示（右下角）。與MC的工作方式、時(shí)序圖等相關(guān)信息，請(qǐng)參考MC的數(shù)據(jù)手冊(cè)。五 實(shí)驗(yàn)步驟1、通過(guò)串行口將實(shí)驗(yàn)箱和電腦連接，給實(shí)驗(yàn)箱上電。將與實(shí)驗(yàn)箱相連的電腦上的學(xué)生平臺(tái)程序打開(kāi)。在主界面上雙擊“傳統(tǒng)語(yǔ)音壓縮信源編碼”實(shí)驗(yàn)圖標(biāo)，進(jìn)入此實(shí)驗(yàn)界面。2、正弦信號(hào)通過(guò)A律13折線PCM編碼的演示實(shí)驗(yàn)：首先在信源編碼試驗(yàn)界面的左邊選中量化方法為“A率”，然后點(diǎn)擊“正弦信號(hào)量化演示”。試驗(yàn)界面的右邊將會(huì)出現(xiàn)正弦通過(guò)A律13折線PCM編碼的波形示意。信號(hào)第一路是原始輸入模擬正弦信號(hào)，第二路是PCM編碼以后的正弦信號(hào)的量化值，第三路是量化過(guò)程中因量化而造成的量化值和真實(shí)值的誤

7、差的波形圖。界面的中間為A律13折線的正電平部分的壓擴(kuò)示意圖。將鼠標(biāo)放在右邊第一路輸入模擬正弦信號(hào)的曲線上，13折線圖示意圖上會(huì)即時(shí)給出鼠標(biāo)所在位置的正弦信號(hào)的輸入未量化電平值，量化電平值，量化誤差值，以及去掉極性的7位量化編碼；同時(shí)折線上的圓形標(biāo)點(diǎn)會(huì)隨之移動(dòng)，指示當(dāng)前量化電平在13折線上的位置。試驗(yàn)時(shí)請(qǐng)注意：點(diǎn)擊波形窗口的“all”按鈕，將波形顯示方式切換到用帶圓圈的豎直線的顯示方式，才能正確直觀地觀察到試驗(yàn)結(jié)果。同時(shí)可以點(diǎn)擊波形圖右邊的“”，“”擴(kuò)展或壓縮波形；點(diǎn)擊“”“”向左或向右移動(dòng)波形。然后，改變量化方式為“均勻”，然后點(diǎn)擊“正弦信號(hào)量化演示”。再次觀察界面右邊的三個(gè)波形，比較均勻量

8、化和前面A率13折線PCM量化方式得到的量化信號(hào)以及量化誤差的不同。364K PCM、32K ADPCM、16K ADPCM語(yǔ)音主觀聽(tīng)覺(jué)感受實(shí)驗(yàn)：實(shí)驗(yàn)界面左半部通過(guò)移動(dòng)通信實(shí)驗(yàn)箱上Motorola的MC芯片從主觀聽(tīng)覺(jué)方面來(lái)感受的64K A律PCM編碼、32K ADPCM和16K ADPCM編碼的語(yǔ)音質(zhì)量。在界面左邊最上部可以選擇外部輸入信號(hào)的來(lái)源，包括“直流”和語(yǔ)音兩種方式，本處請(qǐng)選擇“語(yǔ)音”。然后可以分別選擇三種語(yǔ)音編碼方式中的任一種：64K A律PCM編碼、32K ADPCM編碼、16K ADPCM編碼。最后在實(shí)驗(yàn)箱上相應(yīng)的音頻接口接上耳機(jī)和麥克風(fēng)。用戶此時(shí)可以講話，麥克風(fēng)錄取實(shí)時(shí)語(yǔ)音，該

9、語(yǔ)音通過(guò)不同方式的語(yǔ)音編碼，然后環(huán)回進(jìn)行語(yǔ)音解碼，用戶可以聽(tīng)到語(yǔ)音的延時(shí)幾秒的回放。此處可以由兩個(gè)同學(xué)一起進(jìn)行，一人用麥克風(fēng)在一端講話，另一人用耳機(jī)在另一端收聽(tīng)語(yǔ)音。在此實(shí)驗(yàn)中注意對(duì)比三種不同速率語(yǔ)音質(zhì)量。64K A律PCM編碼32K ADPCM編碼16K ADPCM編碼結(jié)論：通過(guò)對(duì)比64K A律PCM編碼、32K ADPCM和16K ADPCM編碼的語(yǔ)音，發(fā)現(xiàn)64K A律PCM編碼的語(yǔ)音質(zhì)量最好無(wú)雜音，32K ADPCM次之，16K ADPCM編碼的語(yǔ)音質(zhì)量最差可聽(tīng)到雜音。4. 時(shí)序波形觀察在A率64K PCM、32K ADPCM、16K ADPCM三種工作方式下，用示波器觀察MC上的幀同步

10、信號(hào)(MPCMFSX)，時(shí)鐘信號(hào)(MPCMCLK)，接收和發(fā)送數(shù)據(jù)信號(hào)(MPCMTX, MPCMRX)的時(shí)序波形?？梢杂蓵r(shí)序波形判斷出下列三組（每組兩幅圖片）波形分別屬于哪種工作方式。我們以第一組兩幅信號(hào)波形為例，該組信號(hào)是64K PCM 的時(shí)序波形。用示波器的兩個(gè)探針?lè)謩e測(cè)試試驗(yàn)箱上的MPCMFSX和其中MPCMCLK兩個(gè)探測(cè)點(diǎn)，鎖定波形得到第一組第一幅波形。其中，幀同步信號(hào)(MPCMFSX，示波器 CH1)和時(shí)鐘信號(hào)(MPCMCLK，示波器 CH2)。鎖定示波器上的波形，可以觀察到，MPCMFSX高電平期間，PCM信號(hào)每一個(gè)CLK發(fā)送或接受一比特的信息，此處MPCMFSX高電平期間共有8個(gè)

11、CLK周期，而幀同步信號(hào)MPCMFSX的頻率是8K Hz，因此該P(yáng)CM信號(hào)的發(fā)送和接收信號(hào)速率是64K bit/s。MPCMFSX與MPCMCLK時(shí)序圖第一組第二幅波形是幀同步信號(hào)(MPCMFSX，示波器 CH1)和發(fā)送或接收數(shù)據(jù)信號(hào)(MPCMTX或MPCMRX)。用第一路示波器觀察MPCMFSX，第二路觀察發(fā)送或接收數(shù)據(jù)信號(hào)(MPCMTX或MPCMRX)。鎖定波形，然后大家可以觀察在一個(gè)幀同步信號(hào)高電平期間（CH1），發(fā)送或接受數(shù)據(jù)信號(hào)(MPCMTX或MPCMRX)是否傳送了8bit信息，并可以讀取該八比特信息。MPCMFSX與MPCMRX/MPCMTX時(shí)序圖 同理，可以觀察第二組，第三組信號(hào)波形，并得到該組信號(hào)的數(shù)據(jù)速率