实验一_PCM与ADPCM语音被压缩编码

实验一PCM与ADPCM语音压缩编码学院光电学院专业网络工程姓名陈炯烁学号106052011218一、实验目的1、了解PCM的基本原理和方法；2、了解ADPCM的基本原理；3、了解语音压缩编码的基本原理和过程。二、预备知识1、PCM的基本原理和方法；2、ADPCM的基本原理；三、实验仪器1、移动通信实验箱一台；2、台式计算机一台；四、实验原理目前国际上普遍采用容易实现的A律13折线压扩特性和μ律15折线的压扩特性。我国规定采用A律13折线压扩特性。本实验中的PCM采用的是A律13折线PCM。由预备知识可知，A率对数压缩特性定义为：1x1/Aln1ln11/Ax0ln1)(AAxAAxxc在CCITT建议中，A=87.56。在具体实现时压缩曲线c(x)用13段折线来近似，量化电平数L=256，即编码位数R=8。因为对语音的采样频率为8kHz，这样，A率13折线的PCM输出数据流速率为64kb/s。下图为A律13折线的压缩示意图：负电平部分的压扩特性和正电平部分的压扩特性是对称的，所以上图只画出了正电平压扩特性。这种量化方式相比于线性量化，当信号为小信号时，其信噪比较高（尤其是语音信号）。从图上可以看到，整个归一化电平区间被分为8个小区间，每个区间的斜率和起点电平如下表：折线段落12345678斜率161684211/21/4区间起点01/1281/641/321/161/81/41/2正电平部分的第一段和第二段的斜率都是16，负电平部分的第一段和第二段的斜率也都是16，所以本来划分的16折线段实际为13折线段。PCM编码对一个采样值量化编码后得到的是8比特的编码，下图是这8比特的码位安排：可见，编码的第一位C1为极性码，正电平为1，负电平为0。C2～C4为段落码，表示信号绝对值处在哪个段落，3位码的8种可能状态分别代表8个段落的起点电平。C5～C8为段内码，段内码共4位，并且段内采用均匀量化的方式，故共有24＝16个均匀量化级。但因段落长度不等，故不同段落间的量化级是非均匀的。小信号时，段落短，量化间隔小；反之，量化间隔大。13折线中的第一、二段最短，只有归一化的1/128，再将它等分16小段，每一小段长度为10241161281。这是最小的量化级间隔，它仅有输入信号归一化值的1/2048，记为Δ，代表一个量化单位。第八段最长，它是归一化值的1/2，将它等分16小段后，每一小段归一化长度为3211621，相当于64个最小量化间隔，记为64Δ。其余各段的最小量化间隔的计算以此类推。下图是13折线PCM的各段落段落内量化间隔，段落起始终点值，量化间隔等参数的表：段落序号电平范围段落码段落起始电平量化间隔段内码对应权值810242048111102464512256128647512102411051232256128643262565121012561612864321651282561001288643216846412801164432168433264010322168422163200116184211016000018421此外，4位段内编码可以采用自然二进制编码，也可以采用格雷码或折叠二进制码。ADPCM编码原理参见本章预备知识。本次实验分为两个部分。一部分是对一正弦信号进行A律13折线PCM编码的演示，另一部分是通过麦克风录制语音并延时回放，从主观感觉PCM，32kADPCM，16kADPCM的效果。本实验中，我们采用了Motorola的MC145540芯片来实现64KA律PCM编码、32KADPCM和16KADPCM编码。在实验箱上，与之相关的硬件测试点包括PCMCLK,PCMFSR,PCMTX,PCMRX，见下图示（右下角）。与MC145540的工作方式、时序图等相关信息，请参考MC145540的数据手册。五．实验步骤1、通过串行口将实验箱和电脑连接，给实验箱上电。将与实验箱相连的电脑上的学生平台程序打开。在主界面上双击“传统语音压缩信源编码”实验图标，进入此实验界面。2、正弦信号通过A律13折线PCM编码的演示实验：首先在信源编码试验界面的左边选中量化方法为“A率”，然后点击“正弦信号量化演示”。试验界面的右边将会出现正弦通过A律13折线PCM编码的波形示意。信号第一路是原始输入模拟正弦信号，第二路是PCM编码以后的正弦信号的量化值，第三路是量化过程中因量化而造成的量化值和真实值的误差的波形图。界面的中间为A律13折线的正电平部分的压扩示意图。将鼠标放在右边第一路输入模拟正弦信号的曲线上，13折线图示意图上会即时给出鼠标所在位置的正弦信号的输入未量化电平值，量化电平值，量化误差值，以及去掉极性的7位量化编码；同时折线上的圆形标点会随之移动，指示当前量化电平在13折线上的位置。试验时请注意：点击波形窗口的“all”按钮，将波形显示方式切换到用带圆圈的竖直线的显示方式，才能正确直观地观察到试验结果。同时可以点击波形图右边的“＋”，“－”扩展或压缩波形；点击“←”“→”向左或向右移动波形。然后，改变量化方式为“均匀”，然后点击“正弦信号量化演示”。再次观察界面右边的三个波形，比较均匀量化和前面A率13折线PCM量化方式得到的量化信号以及量化误差的不同。3．64KPCM、32KADPCM、16KADPCM语音主观听觉感受实验：实验界面左半部通过移动通信实验箱上Motorola的MC145540芯片从主观听觉方面来感受的64KA律PCM编码、32KADPCM和16KADPCM编码的语音质量。在界面左边最上部可以选择外部输入信号的来源，包括“直流”和语音两种方式，本处请选择“语音”。然后可以分别选择三种语音编码方式中的任一种：64KA律PCM编码、32KADPCM编码、16KADPCM编码。最后在实验箱上相应的音频接口接上耳机和麦克风。用户此时可以讲话，麦克风录取实时语音，该语音通过不同方式的语音编码，然后环回进行语音解码，用户可以听到语音的延时几秒的回放。此处可以由两个同学一起进行，一人用麦克风在一端讲话，另一人用耳机在另一端收听语音。在此实验中注意对比三种不同速率语音质量。64KA律PCM编码32KADPCM编码16KADPCM编码结论：通过对比64KA律PCM编码、32KADPCM和16KADPCM编码的语音，发现64KA律PCM编码的语音质量最好无杂音，32KADPCM次之，16KADPCM编码的语音质量最差可听到杂音。4.时序波形观察在A率64KPCM、32KADPCM、16KADPCM三种工作方式下，用示波器观察MC145540上的帧同步信号(MPCMFSX)，时钟信号((MPCMCLK)，接收和发送数据信号((MPCMTX,MPCMRX)的时序波形。可以由时序波形判断出下列三组（每组两幅图片）波形分别属于哪种工作方式。我们以第一组两幅信号波形为例，该组信号是64KPCM的时序波形。用示波器的两个探针分别测试试验箱上的MPCMFSX和其中MPCMCLK两个探测点，锁定波形得到第一组第一幅波形。其中，帧同步信号(MPCMFSX，示波器CH1)和时钟信号(MPCMCLK，示波器CH2)。锁定示波器上的波形，可以观察到，MPCMFSX高电平期间，PCM信号每一个CLK发送或接受一比特的信息，此处MPCMFSX高电平期间共有8个CLK周期，而帧同步信号MPCMFSX的频率是8KHz，因此该PCM信号的发送和接收信号速率是64Kbit/s。MPCMFSX与MPCMCLK时序图第一组第二幅波形是帧同步信号(MPCMFSX，示波器CH1)和发送或接收数据信号(MPCMTX或MPCMRX)。用第一路示波器观察MPCMFSX，第二路观察发送或接收数据信号((MPCMTX或MPCMRX)。锁定波形，然后大家可以观察在一个帧同步信号高电平期间（CH1），发送或接受数据信号((MPCMTX或MPCMRX)是否传送了8bit信息，并可以读取该八比特信息。MPCMFSX与MPCMRX/MPCMTX时序图同理，可以观察第二组，第三组信号波形，并得到该组信号的数据速率，由此判断该组信号波形是32KADPCM还是16KADPCM的信号波形。以下是第二组信号波形，请确定为何种编码方式。MPCMFSX与MPCMCLK时序图MPCMFSR与MPCMRX/MPCMTX时序图以下是第三组信号波形，请确定为何种编码方式？MPCMFSX与MPCMCLK时序图MPCMFSR与MPCMRX/MPCMTX时序图