Лабораторная работа №4 Изучение передачи речи по цифровым каналам связи

Цель работы: моделирование передачи речи по каналу связи.

Задание на выполнение работы: в пакете Matlab Simulink синтезировать схему передачи речи по каналу связи.

Теоретические сведения:

Для увеличения надежности передачи информации по цифровым каналам связи применяется помехоустойчивое кодирование с исправлением ошибок. Кодирование с исправлением ошибок – процедура обработки передаваемого сигнала, при которой в цифровой сигнал вводят ряд дополнительных символов, подчеркивающих индивидуальность каждого сообщения. Другими словами, в сигнал вводится некоторая избыточность. Введение избыточности приводит к дополнительным затратам временных и или частотных ресурсов канала. Для сокращения затрат, получаемых за счет вводимой искусственной избыточности, необходимо устранить естественную избыточность речевого сигнала, представленного в цифровом виде. Первым этапом цифровой обработки речевых сигналов является аналого-цифровое преобразование (АЦП). При стандартной частоте дискретизации число двоичных разрядов АЦП выбирается равным восьми. Задача устранения избыточности цифрового потока 8-битовых чисел с выхода АЦП осуществляется кодером речи. Совокупность кодера и декодера называют кодеком. В настоящее время существует множество вариантов кодеков речи, работы по их совершенствованию постоянно продолжаются. В системе цифровой связи стандарта GSM применяется кодек, принцип работы которого основан на методе линейного предсказания. Суть кодирования речи на основе метода линейного предсказания заключается в том, что по каналу связи вместо самой речи передают так или иначе выделенные цифровые сигналы, используемые в приемнике для возбуждения фильтра декодера и параметры фильтра, с помощью которого получены параметры сигнала возбуждения. Как анализирующий, так и синтезирующий фильтры являются цифровыми и процедуры кодирования и декодирования речи реализуются в соответствующих вычислителях. Сигнал на вход анализирующего фильтра поступает непосредственно с выхода АЦП, а выходной сигнал синтезирующего фильтра попадает на вход ЦАП.

Модель передачи речи по каналу связи ( рисунок 1) состоит из двух частей – анализа (рисунок 2) и синтеза (рисунок 3). Анализатор является передающей частью системы. Из оригинального речевого сигнала формируются параметры (коэффициенты отражения) и сигнал невязки и передаются по каналу связи. Синтезирующая часть (приемник) восстанавливает оригинальный сигнал с использованием коэффициентов и сигнала невязки.

В данной LPC-модели (local procedure coding – кодирование методом линейного предсказания) речевой сигнал разделяется на кадры по 20 мс (160 выборок) с перекрытием в 10 мс (80 выборок). Каждый кадр и коэффициенты отражения (11 порядка) вычисляются из коэффициентов автокорреляции с использованием алгоритма Левинсона-Дурбина. Оригинальный речевой сигнал проходит через фильтр-анализатор, который является бесполюсным фильтром с коэффициентами, равными коэффициентам отражения. Выход фильтра является сигналом невязки. Сигнал невязки проходит через синтезирующий фильтр, который является идеальным фильтром с коэффициентами, равными коэффициентам отражения. Выход синтезирующего фильтра является оригинальным сигналом.

Рисунок 1. Модель Simulink передачи речи по цифровым каналам связи с помощью линейного кодирования с предсказанием

Рисунок 2. Модель Simulink блока анализа речи

Рисунок 3. . Модель Simulink блока синтеза речи

Порядок выполнения работы:

В окне Matlab Command Window открыть окно моделирования Simulink (рисунок 5) и выбрать File|New|Model. Откроется рабочее окно новой модели. Затем с помощью перетаскивания моделирующих блоков из библиотеки Simulink и DSP Blockset начать моделирование устройства.

Рисунок 5. Значок Simulink

Блок источника сигнала (рис.6) находится в разделе Signal from Workspace. Загрузив сигнал в рабочую область под именем какой-либо переменной (в нашем примере s1), необходимо подбором установить параметры блока, чтобы обеспечить достаточно хороший прием сигнала (рис.7).

РиРис.6. Окно свойств блока источника сигнала

Рис.7. Сравнение исходного (синий) и полученного (красный) сигналов

Блок LPC-анализа представляет собой подсистему, которая перетаскивается в рабочую область из библиотеки Simulink Ports&Subsystems и называется «Atomic Subsystem». Двойной щелчок по этому блоку открывает рабочее окно подсистемы, в котором можно конфигурировать подсистему.

П

Рисунок 8. Блок предварительной фильтрации

редварительный фильтр представляет собой блок из раздела Filter design (рис.8) с параметрами (рис.9)

Рисунок 9. Параметры блока предварительной фильтрации

Б

Рисунок10.

Блок буфера

уфер (рис.10) c параметрами (рис.11) находится в разделе Signal Management

Рисунок 11. Окно свойств блока буфера

Функция окна (рис.12) с параметрами (рис.13) находится в разделе “Signal operation”. Б

Рис.13

лок сначала создает вектор окна по выбранному типу длиной М, а затем умножает поэлементно вектор М на входную матрицу размером MxN. Автокоррелятор (рисунок 14, а,б) находится в разделе Statistics и вычисляет автокорреляционную функцию входного воздействия.

Блок, реализующий алгоритм Левинсона-Дурбина (рис.15) находится в разделе Math Functions|Matricies and Linear Algebra|Linear System|Linear System Solvers и решает систему уравнений Эрмита-Теплица с использованием алгоритма рекурсии Левинсона-Дурбина. Взодным воздействием является вектор автокорреляционных коэффициентов с 0 как с первым элементом. Выходом являются полиномиальные коэффициенты А, коэффициенты отражения К и мощность ошибки предсказания Р.

Фильтр-анализатор (рис.16) , синтезирующий фильтр (рис.17), и фильтр, устраняющий наличие высокочастотных составляющих при восстановлении исходной формы сигнала (рис.18), находятся в разделе Filter designs.

Рисунок 12. Блок функции окна Рисунок 13. Параметры функции окна

.

а б

Рисунок 14. Блок АКФ (а) и окно его свойств (б)

а б

Рисунок15. Блок, реализующий алгоритм Левинсона-Дурбина (б) и окно его свойств (а)

а б

Рисунок16. Блок фильтра-анализатора (а) и окно его свойств (б)

а б

Рисунок 17. Блок синтезирующего фильтра (а) и окно его свойств (б)

а б

Рисунок18. Блок фильтра, устраняющего высокочастотные составляющие (а)

и окно его свойств (б)

Порядок выполнения работы:

1. Собрать схему модели передачи речи по цифровым каналам связи ( рисунки 1, 2, 3)

2. Передать с помощью этой схемы заданный сигнал

3. Построить сравнительный график переданного и принятого сигналов (аналогично рис.7). Написать выводы, почему наблюдаются изменения в принятом сигнале.

Отчет должен содержать:

1. Задание на выполнение работы

2. Модель цифрового устройства передачи речи

3. График, отражающий состояние сигнала до и после передачи

4. Выводы

Контрольные вопросы:

1. Опишите особенности передачи речи в цифровых устройствах связи

2. Поясните, почему при сравнении графиков переданного и принятого сигнала видно, что принятый сигнал имеет задержку и немного искажен по амплитуде относительно переданного?

Учебное издание

Теория передачи дискретных сообщений

Лабораторный практикум

Чернецова Елена Анатольевна

Редактор И.Г. Максимова

Подписано в печать Формат 60/901/2 Бумага книжно – журнальная

Печ. л. Тир. 55

Р ГГМУ, 195196, СПб, Малоохтинский пр

1 Для дальнейшего задания параметров , , необходимо использовать абсолютную адресацию

31