子模块二 实训项目：PCM与ADPCM语音压缩编码

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1、现代移动通信技术基础 移动通信系张敏 2 模块一基础知识模块模块二天线与无线电波传播模块模块三无线组网技术模块模块四信源编码与信道编码模块模块五数字调制技术模块模块六扩频通信与码分多址技术模块模块七移动通信特有的交换技术模块模块八抗干扰和衰落通信模块 课程目录 3 模块四信源编码与信道编码模块 子模块一信源编码子模块二实训项目 PCM与ADPCM语音压缩编码子模块三信道编码子模块四实训项目 分组码 交织与解分组码 解交织 4 实训项目 PCM与ADPCM语音压缩编码 一 实验目的二 实验仪器三 实验原理四 实验步骤五 实验报告 5 一 实验目的 一 实验目的1 了解PCM的基本原理和方法 2

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 6 实训项目 PCM与ADPCM语音压缩编码 一 实验目的二 实验仪器三 实验原理四 实验步骤五 实验报告 7 二 实验仪器 二 实验仪器1 移动通信实验箱一台 2 台式计算机一台 8 实训项目 PCM与ADPCM语音压缩编码 一 实验目的二 实验仪器三 实验原理四 实验步骤五 实验报告 9 三 实验原理 三 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 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 在CCITT建议中 A

3、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 10 三 实验原理 下图为A律13折线的压缩示意图 11 三 实验原理 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表三所示 12 可见 8比特的码位安排 编码的第一位C1为极性码 正电平为1 负电平为0 C2 C4为

4、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 三 实验原理 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 图4 11是这8比特的码位安排 13 三 实验原理 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

5、段长度为 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 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 相当于64个最小量化间隔 记为64 其余各段的最小量化间隔的计算以此类推 14 表四13折线PCM参数 15 三 实验原理 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 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

6、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 16 图4 12MC145540芯片相关测试点位置 与MC145540的工作方式 时序图等相关信息 请参考MC145540的数据手册 17 实训项目 PCM与ADPCM语音压缩编码 一 实验目的二 实验仪器三 实验原理四 实验步骤五 实验报告 18 四 实验步骤 四 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

7、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 19 四 实验步骤 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

8、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 20 四 实验步骤 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

9、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 21 四 实验步骤 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 4 时序波形观察在A率64KPCM 3

10、2KADPCM 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 22 四 实验步骤 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 如图4 13所示 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

11、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 23 四 实验步骤 图4 13MPCMFSX与MPCMCLK时序图 24 四 实验步骤 图4 14MPCMFSX与MPCMRX MPCMTX时序图 25 四 实验步骤 第一组第二幅波形 图4 14 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MPCMR

12、X 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 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 26 四 实验步骤 图4 15MPCMFSX与MPCMCLK时序图 27 四 实验步骤 图4 16MPCMFSR与MPCMRX MPCMTX时序图 28 四 实验步骤 图4 17MPCMFSX与MPCMCLK时序图 以下是第三组信号波形 请确定为何种编码方式

13、29 四 实验步骤 图4 18MPCMFSR与MPCMRX MPCMTX时序图5 语音波形观察通过观察点 音频入 音频出 用数字存储示波器可以观察到不同工作方式下 在说话过程中的语音波形 30 实训项目 PCM与ADPCM语音压缩编码 一 实验目的二 实验仪器三 实验原理四 实验步骤五 实验报告 31 五 实验报告 五 实验报告在实验步骤2中 记录10组数据 正弦信号采样的原始电平 量化电平 去极性7位PCM编码 量化误差 任意选择上面的一组数据 写出用逐次比较型编码器从原始电平到PCM8位编码的详细过程 比较正弦信号量化演示实验中A率13折线和均匀量化两种量化方式下的误差信号峰值有何不同 并说明原因 说说你在实验步骤3中 对三种不同速率的语音压缩编码质量的主观感受 并说明原因 在实验步骤4中第二组和第三组信号时序图对应的是何种语音压缩编码方式 并说明原因 32 子模块二小结 理解实验目的 了解实验仪器 理解实验原理 掌握实验步骤 写出实验报告