Устройства преобразования и обработки информации в системах подвижной радиосвязи

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Содержание

1. Введение. Постановка задачи

2. Разработка функциональной схемы вокодера

3. Расчёт параметров и характеристик набора цифровых полосовых фильтров

4. Разработка структурной схемы и алгоритма работы вокодера

5. Оценка степени сжатия

6. Моделирование в среде Matlab

7. Заключение

8. Список использованной литературы

1. Введение. Постановка задачи

Цифровое представление речевого колебания, как следует из названия основано на сохранении формы колебания в процессе дискретизации и квантования. Способы представления речевого сигнала можно представить следующей схемой:

Параметрическое представление речевого колебания базируется на описании речевого сигнала, как выходного отклика модели речеобразования. На первом этапе параметрического представления речевое колебание подвергается процессу дискретизации и квантования, а затем обрабатывается для получения параметров модели. Параметры модели обычно разделяются на параметры возбуждения и параметры голосового тракта.

Были предприняты попытки создания вокодеров в среднем диапазоне скоростей кодирования (например,8кбит/с) и качеством естественной речи для приложений цифровой связи. Эти кодеры представляют собой комбинацию низкоскоростной техники кодирования и обычных кодеров формы сигнала. Таким образом, эти методы образуют третью категорию алгоритмов кодирования речи.

Одним из наиболее важных примеров применения речевой обработки сигнала является вокодер или кодер голоса (voice-coder), созданный Дадли в 1930 году. Целью разработки вокодера являлось уменьшения полосы частот для передачи речи. Эта задача актуальна и в настоящее время, несмотря на наличие широкополосных спутниковых, СВЧ и оптических систем связи.

В данном курсовом проекте рассматривается цифровой полосовой вокодер. Основная цель вокодера состоит в кодировании только наиболее важных для восприятия аспектов речи. Причем это достигается с меньшим числом разрядов, чем в большинстве кодеров. Таким образом, вокодеры могут использоваться в приложениях с ограниченной полосой частот, где другие методы кодирования неприменимы.

2. Разработка функциональной схемы вокодера

вокодер цифровой полосовой фильтр

Задача процесса кодирования в вокодере - определение спектра сигнала, а также его мощности в каждом диапазоне частот за отрезок времени, в котором существует форманта. Аналоговый сигнал на передающей стороне проходит через устройство аналого-цифрового преобразования. Затем он проходит набор цифровых фильтров, каждый из которых выделяет узкую полосу, от величины которой будет зависеть качество речи на приемном конце (чем меньше полоса, тем выше качество), но чем больше информации о частотных полосах, тем больше придется передавать информации по цифровому тракту. Далее используются устройства, которые измеряют и кодируют значение мощности спектра в каждом диапазоне частот. Вокодер также определяет характер возбуждения и частоту основного тона.

Полученная информация передается на приемный конец, где она используется для управления цифровым генератором. Он представляет память, где хранятся временные отсчеты частот, из которых необходимо выбрать нужную по частоте и мощности. Возбуждение гласных происходит с помощью генератора импульсов, который открывает на определенное время генерацию основного тона. Возбуждение глухих звуков имитируется шумовым генератором.

Сигнал возбуждения умножается на значения энергии для каждого из каналов, после чего поступает на фильтр соответствующего канала (гребенка фильтров блока синтеза полностью аналогична гребенке блока анализа).

Для получения выходного синтезированного речевого сигнала выходы всех каналов блока синтеза суммируются.

Рис. 1 Функциональная схема полосового вокодера

3. Расчёт параметров и характеристик набора цифровых полосовых фильтров

Исходными параметрами для расчёта являются:

1. частота дискретизации

2. показатель прямоугольности АЧХ

3. число частотных каналов - 4;

4. уровень неравномерности АЧХ в полосе пропускания 3дБ;

5. уровень подавления в зоне непрозрачности 30дБ;

Рис. 2. АЧХ набора фильтров.

Расчёт НЧ фильтра:

Для расчёта частоты среза в полосе пропускания и зоне непрозрачности необходимо сказать, что АЧХ всех фильтров должны пересекаться на уровне -3дБ (рисунок 2). Поэтому для расчёта необходимо воспользоваться следующими формулами:

и

Решая систему уравнений с двумя неизвестными, получим:

АЧХ НЧ фильтра: Импульсная характеристика:

Далее рассчитаем частоты среза для четырёх полосовых фильтров по формулам:

, где - центральная частота фильтра, - частота среза в полосе пропускания для НЧ эквивалента, i-номер фильтра i=1,2,3,4.

Рисунок поясняющий наименование частот:

Полученные в результате расчёта параметры:

Фильтр №1:

Фильтр №2:

Фильтр №3:

Фильтр №4:

Пример АЧХ и импульсной характеристики второго фильтра:

4. Разработка структурной схемы и алгоритма работы вокодера

Рис. 3. Структурная схема полосного вокодера.

Алгоритм работы вокодера:

1) С выхода АЦП блок цифровых данных с частотой дискретизации 8кГц поступает на входы цифровых фильтров и анализаторов.

2) Происходит фильтрация сигнала, при этом с помощью детектора основного тона определяется частота основного тона в полученном кадре, а обнаружитель тон/шум определяет, является ли сигнала на его входе вокализованным или невокализованным.

3) Далее с помощью двухполупериодного выпрямителя и ФНЧ происходит детектирование огибающей.

4) Данные с выходов всех каналов, обнаружителя тон/шум и детектора основного тона с помощью формирователя кадра объединяются в определённую структуру - выходной пакет.

5. Оценка степени сжатия

Исходя из следующих начальных условий рассчитаем степень сжатия полосового вокодера:

1. частота дискретизации:

2. разрядность АЦП: n = 8 бит;

3. длина кадра: 12.5 мс;

4. длина i-го частотного канала: ;

На вход вокодера данные поступают с АЦП со скоростью , за счёт использования буфера на входе вокодера скорость будет определяться длиной кадра:

Исходя из длины каждого частотного канала получим общее количество бит на выходе полосового вокодера: l=8+7+6+5=26бит, следовательно степень сжатия данного вокодера без учёта информации об основном тоне сигнала и вокализованности сигнала:

6.

Моделирование в среде Matlab

Заключение

При выполнении данного курсового проекта был рассчитан набор цифровых фильтров, входящих в полосовой вокодер. Была произведена оценка степени сжатия. На основании полученных результатов можно сделать вывод, что сигнал на выходе вокодера окажется грубым. Для повышения качества сигнала необходимо увеличивать количество фильтров и использовать полифазную или пирамидальную структуру.

Список использованной литературы

1. Рабинер Л.Р. Шафер Р.В. «Цифровая обработка речевых сигналов» М. Радио и связь, 1981 г.

2. Белами Дж. «Цифровая телефония» М.: Эко-Трендз, 2004 г.

3. Рабинер Л., Гоулд Б. «Теория и применение цифровой обработки сигналов» М.: Мир, 1978 г.

Размещено на Allbest.ru