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文檔簡介

1、課 程 設(shè) 計 報 告語音編碼電路設(shè)計院(系)別 專 業(yè) 通信工程 班 級 姓 名 學(xué) 號 指導(dǎo)教師 目錄一、語音編碼原理11什么是聲音12語音信號13語音編碼技術(shù)23.1語音編碼的提出23.2語音編碼技術(shù)的類別24語音編碼的必要性(含目的)35語音編碼的技術(shù)指標(biāo)36各種語音編碼技術(shù)比37語音信號的數(shù)字化和預(yù)處理47.1語音信號的數(shù)字化47.2語音信號的預(yù)處理58 PCM編碼59自適應(yīng)差分脈沖編碼調(diào)制(ADPCM)69.1自適應(yīng)脈沖編碼調(diào)制(APCM)的概念69.2差分脈沖編碼調(diào)制(DPCM)的概念79.3自適應(yīng)差分脈沖編碼調(diào)制(ADPCM)8二、國產(chǎn)AMBE聲碼器簡介8三、Protel設(shè)計軟

2、件組成及操作原理10四、設(shè)計思想16五、解決問題17一、語音編碼原理1什么是聲音 聲音是由物體振動產(chǎn)生,正在發(fā)聲的物體叫聲源。聲音以聲波的形式傳播。聲音只是聲波通過固體或液體、氣體傳播形成的運動。聲波振動內(nèi)耳的聽小骨,這些振動被轉(zhuǎn)化為微小的電子腦波,它就是我們覺察到的聲音。內(nèi)耳采用的原理與麥克風(fēng)捕獲聲波或揚聲器的發(fā)音一樣,它是移動的機械部分與氣壓波之間的關(guān)系。自然,在聲波音調(diào)低、移動緩慢并足夠大時,我們實際上可以“感覺”到氣壓波振動身體。因此我們用混合的身體部分覺察到聲音。2語音信號 聲音是攜帶信息的極重要的媒體,也是多媒體技術(shù)研究中的一個重要內(nèi)容。而聲音的種類十分繁多,因而有必要對其特性進行

3、研究以利于計算機進行處理。聲音是通過空氣傳播連續(xù)波,其強弱體現(xiàn)在聲波的壓力上音調(diào)的高低則體現(xiàn)在頻率上。當(dāng)用電信號表示時,則為時間和幅度均連續(xù)的模擬信號。當(dāng)用計算機進行數(shù)字化處理時則需要將其數(shù)字化。人耳能夠聽到的聲音頻率為20-20kHz,而我們的發(fā)聲頻率則為80-3400Hz。一般我們認為語音信號的頻率范圍是300-3000Hz。那我們發(fā)聲的原理又是怎樣的呢?當(dāng)肺里面的空氣沿聲道通過聲門就發(fā)出聲音。一般男性的聲道約為17厘米(從聲門到嘴唇),這也意味著聲音號中有1毫秒數(shù)量級的數(shù)據(jù)是具有相關(guān)性的。由于聲道形狀和激勵方式的變化相對的比較緩慢,故話音信號在短周期內(nèi)(約20毫秒)可認為是準(zhǔn)定態(tài)。又由于

4、聲門的準(zhǔn)周期性的震動和聲道的諧振,話音具有高度的周期性。話音編碼器就是要揭示這種周期性以減少數(shù)據(jù)率而又盡量不犧牲音質(zhì)。語音編碼是把較高碼率的數(shù)字化的話音通過特定的壓縮算法進行壓縮編碼,變?yōu)榇a率較低的參數(shù)進行傳輸,然后在接受端再進行解碼,恢復(fù)與重構(gòu),其目的就是在保證一定的話音質(zhì)量的前提下節(jié)省傳輸帶寬。 一般來說,語音信號的頻譜集中在300-3400Hz的范圍內(nèi),則其對應(yīng)的采樣頻率一般為8KHz。此外,語音信號還有另外一個重要特點就是它的短時性,即認為在一段短時間內(nèi)(典型為5-50ms),語音信號有保持相對穩(wěn)定的特性,這便于我們提取其中的參數(shù)。 語音信號的基木組成單位為音素,可以分為“濁音”和“清

5、音”,一般在短時分析的基礎(chǔ)上分析一段語音屬于哪一類音素,它可以看作是由聲帶振動或不經(jīng)聲帶振動來產(chǎn)生。“濁音”一般對應(yīng)漢語拼音中的韻母,它是由聲帶振動產(chǎn)生的,有明顯的周期性,可用一周期脈沖發(fā)生器進行近似;“清音”一般對應(yīng)漢語拼音中的聲母,不由聲帶振動產(chǎn)生的,類似于一個隨機噪聲。 在說話的時候,聲門處的氣流沖擊聲帶產(chǎn)生振動,然后通過聲道響應(yīng)變成譖音。聲道是一個分布參數(shù)系統(tǒng),它有許多自然諧振頻率,稱為共振峰頻率,是聲道的重要聲學(xué)特征。語音的頻率特性主要是由共振峰決定的,當(dāng)聲音沿著聲管傳播時,其頻譜形狀就會隨著聲管而改變。聲門脈沖序列具有豐富的諧波成分,這些頻率成分與聲道的共振峰頻率之間相互作用的結(jié)果

6、對語音的音質(zhì)具有很大的影響。 語音信號壓縮的基本依據(jù)是根據(jù)語音信號和人的聽覺特性得到的。 語音信號的產(chǎn)生機理和結(jié)構(gòu)性質(zhì)表明,其自身存在著很大的冗余度,語音壓縮本質(zhì)上就是通過識別這些冗余度并設(shè)法去掉它們,從而達到壓縮比特率的目的。語音信號的冗余度歸納起來主要體現(xiàn)在: 1)語音信號樣本間相關(guān)性很強,即其短時譜是不平的: 2)濁音語音段具有準(zhǔn)周期性; 3)聲道形狀及其變化的速率是有限的: 4)傳輸碼值的概率分布是非均勻的。 人的聽覺具有“掩蔽”特點: 1)一個強的音能抑制一個同時存在的弱音的聽覺; 2)人的聽覺對低頻端比較敏感; 3)人的聽覺對信號的相頻特性很不敏感。3語音編碼技術(shù)3.1語音編碼的提

7、出 隨著人們對多媒體通信要求的日益提高,現(xiàn)代通信網(wǎng)的傳輸量越來越大,媒體壓縮技術(shù)迅速發(fā)展。語音壓縮技術(shù)也處于不斷發(fā)展中,實用系統(tǒng)的最低壓縮速率已經(jīng)達到2. 4kbps甚至更低,在大大節(jié)省信道帶寬的同時還保證了話音質(zhì)量。由于大容量通信信道的引入,一段時間內(nèi)曾認為語音壓縮技術(shù)已沒有研究的必要,因為語音壓縮量相對于光纖信道容量來說已微不足道。實際上,光纖信道目前也只是在骨干網(wǎng)上得到應(yīng)用,在接入網(wǎng)及支線的大規(guī)模應(yīng)用仍需一定時間。另外,無線領(lǐng)域的信道帶寬始終是一個突出的問題。由此可見低速率語音編碼技術(shù)仍然有廣泛的應(yīng)用前景。3.2語音編碼技術(shù)的類別 語音數(shù)字化的技術(shù)基本可以分為兩大類:第一類方法是在盡可能

8、遵循波形的前提下,將模擬波形進行數(shù)字化編碼;第二類方法是對模擬波形進行一定處理,因此,語音編碼的方法歸納起來可以分成三大類:波形編碼、參數(shù)編碼和混合編碼。 波形編碼 語音信號的波形編碼力圖使重建語音波形保持原始語音信號的波形形狀,也即失真要最小。這類編碼器通常將語音信號作為一般的波形信號來處理,它具有適應(yīng)能力強,語音質(zhì)量好等優(yōu)點,但所需用的編碼速率高。脈沖編碼調(diào)制(PCM)自適增量調(diào)制(ADM)、自適差分編碼(ADPCM)、自適應(yīng)預(yù)測編碼(APC)、自適應(yīng)子帶編碼(ASBC)、自適應(yīng)變換編碼(ATC)等都屬于這類編碼器。它們分別在64-16kb/s的速率上能給出高的編碼質(zhì)量。當(dāng)速率進一步降低時

9、,其性能會下降較快。 參數(shù)編碼 參數(shù)編碼又稱為聲碼化編碼、模型編碼。同波形編碼不一樣,參數(shù)編碼通過對語音信號特征參數(shù)的提取及編碼,力圖使重建語音信號具有盡可能高的可讀性,即保持原語音的語意,而重建信號的波形同原語音信號的波形可能會有相當(dāng)大的差別。這類編碼器的優(yōu)點是編碼速率低,例如可以低到2. 4Kb/s,甚至2.4Kb/s以下,它的主要問題是合成語音質(zhì)量差,特別是自然度較低,連熟人都不一定能聽出講話人是誰。另外,它對講話噪聲敏感,需要安靜的講話環(huán)境。這類編碼器有通道聲碼器,共振峰聲碼器及線性預(yù)測聲碼器。 混合編碼混合編碼是近年來提出的一類新的語音編碼技術(shù),它將波形和參數(shù)編碼結(jié)合起來,力圖保持波

10、形編碼的高質(zhì)量和參數(shù)編碼話音的低速率?;旌暇幋a數(shù)字語音信號中既包括若干語音特征參量又包括部分波形編碼信息。其比特率一般在4-16kb/s速率上得到高質(zhì)量合成語音,而其復(fù)雜程度介于波形編碼器和參數(shù)編碼器之間。多脈沖激勵線性預(yù)測編碼( (RPELPC),碼激勵線性預(yù)測編碼編碼器。作為一種CELP聲碼器,GMPLPC),規(guī)則脈沖激勵線性預(yù)測編碼(CEIP)等都屬于這類新型的混合參數(shù)編碼器。4語音編碼的必要性(含目的) 語音信號的數(shù)字化傳輸,一直是通信的發(fā)展方向之一。語音編碼是數(shù)字化語音傳輸和存儲的基礎(chǔ)技術(shù)。采用低速率語音編碼技術(shù)進行語音傳輸比語音信號模擬傳輸有諸如可靠性高、抗干擾能力強、便于快速交換

11、、易于實現(xiàn)保密和價格低廉等優(yōu)勢。因此,它在通信系統(tǒng)中所占的比例不斷提高。這些實際應(yīng)用推動了語音編碼、特別是低速率語音壓縮編碼的發(fā)展。現(xiàn)代通信的發(fā)展趨勢決定了語音編碼技術(shù)的兩大突出優(yōu)勢: 大大節(jié)省了帶寬。從最初的PCM64K編碼到現(xiàn)在。標(biāo)準(zhǔn)語音壓縮協(xié)議如G723編碼速率為5. 3K或6.3Kbps;G729編碼速率為8Kbps。還有未形成協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)但更低的編碼速率已有成熟的算法可以實現(xiàn)如AMBE、CELP、RELP、VSELP、MELP、MP-MLQ、LPC-IO等多種語音壓縮算法,最低編碼速率達到2.4kbps,有些算法已在包括第三代移動通信系統(tǒng)(3G)的多個領(lǐng)域得到應(yīng)用。便于實現(xiàn)與IP融合。I

12、nternet的成功運用使得與IP的融合已成必然的發(fā)展趨勢。分組語音,即將分組交換的概念與語音傳輸相結(jié)合,使得語音信息更易于接入IP網(wǎng)。而分組語音的關(guān)鍵技術(shù)之一就是語音編碼技術(shù),低速率的語音編碼技術(shù)對語音信息的實時性有更好的保證。采用分組語音傳輸?shù)木W(wǎng)絡(luò),其傳輸?shù)恼Z音信息本身就是分組數(shù)據(jù)包,這樣的語音信息在接入Internet時將是非常的方便。 語音編碼的目的,是在給定的編碼速率下,使得從編碼后的語音恢復(fù)出的重構(gòu)語音的質(zhì)量盡可能高。提高壓縮效率的基本途徑在于利用語音信號中的冗余度和人耳的聽覺特性。語音編碼既可用軟件也可用硬件的方法實現(xiàn)。軟件實現(xiàn)就是將壓縮算法用軟件方法實現(xiàn),這樣做的好處是成本低、

13、修改方便靈活,但處理速度較慢,不易保證處理的實時性。采用硬件實現(xiàn)就是將語音壓縮算法固化到專用DSP芯片中,這樣處理速度快,便于實時處理。5語音編碼的技術(shù)指標(biāo) 一般來講,語音編碼的輸入語音是”電話質(zhì)量”的語音,帶寬限定在300-3400Hz之間。從模擬語音中獲得這樣的輸入語音,需要進行的處理有抗混疊低通濾波、8kHz采樣和16位A/D變換等。經(jīng)過這一系列處理,模擬語音轉(zhuǎn)化為速率為128kb/s的數(shù)字信號,作為語音編碼器的輸入。 衡量一種壓縮編碼算法的主要指標(biāo),包括編碼速率、語音質(zhì)量、復(fù)雜度等。對應(yīng)用于通信的語音編碼器,衡量的指標(biāo)還包括延遲和抗誤碼等。評價語音編碼質(zhì)量的方法包括客觀評價和主觀評價兩

14、類。對中、低速率的語音編碼算法,客觀評定方法常常很難反映人對語音質(zhì)量的感受,因此主要使用主觀評定方法。常用的方法有平均意見(Mean Opinion Score,簡稱MOS)分、判斷韻字測試(Diagnostic Rhyme Test,簡稱DRT)、判斷滿意度測量(Diagnostic Acceptability Measure,簡稱DAM)等。6各種語音編碼技術(shù)比 各種語音編碼技術(shù)比較參見下表:編碼速率最小基帶寬度KHz質(zhì)量PCM6432長途電話質(zhì)量ADPCM3216長途電話質(zhì)量M3216通信質(zhì)量SBC+ADPCM6432廣播質(zhì)量SBC168通信質(zhì)量RELP-LTT 規(guī)則脈沖激勵168通信質(zhì)

15、量LD-CELP短延遲碼激勵168接近長途MPLPC多脈沖線性預(yù)測84通信質(zhì)量CELPC碼本激勵線性預(yù)測4.82.4通信質(zhì)量LPC線性預(yù)測2.41.2合成質(zhì)量LPC+VQ線性預(yù)測矢量量化1.20.6合成質(zhì)量表1從數(shù)據(jù)通信的角度,音頻編碼標(biāo)準(zhǔn)主要有兩種:一是在電話傳輸系統(tǒng)中應(yīng)用的音頻編碼標(biāo)準(zhǔn),如PCM (ITU G711)、ADPCM (ITU G721)等可滿足電話級的語音質(zhì)量要求;二是在電視傳輸系統(tǒng)、視頻點播系統(tǒng)中應(yīng)用的音頻編碼標(biāo)準(zhǔn),如MPEG音頻標(biāo)準(zhǔn),可提供立體聲聲音質(zhì)量。7語音信號的數(shù)字化和預(yù)處理7.1語音信號的數(shù)字化語音信號的數(shù)字化是數(shù)字處理的前提。今年來,隨著集成電路工藝不斷提高,單

16、片的語音信號模擬接口電路包含有反混疊開關(guān)電容帶通濾波器、A/D、D/A,以及開關(guān)電容低通重構(gòu)濾波器。語音信號數(shù)字化過程如圖1所示。取樣頻率和相應(yīng)的濾波器特性可以由軟件控制,這給語音數(shù)字化帶來了極大的方便。但有兩個概念必須強調(diào):其一是取樣頻率必須大于或等于信號帶寬的2倍,這就是Nyquist采樣定理的條件要求。因此根據(jù)用途需要,對輸入的語音信號作低通(反混疊)濾波,若先濾波,后采樣A/D轉(zhuǎn)換,其濾波器應(yīng)是模擬的,若先采樣A/D轉(zhuǎn)換,后濾波,其濾波器就是數(shù)字的。如果工頻干擾(50Hz或60Hz)不嚴(yán)重或另有措施抑制,則不必用帶通濾波器而只需用低通濾波器就可以丁,它的截止頻率由實際語音信號帶寬確定。

17、典型的反混疊濾波器的技術(shù)指標(biāo)是:通帶內(nèi)波動絕對值小于ldB,通帶帶寬3400Hz,在4000Hz處衰減14dB,4600Hz以上衰減32dB,對某些個更高要求的應(yīng)用,阻帶衰減50dB以上。常用8階或10階橢圓濾波器來實現(xiàn)。其二是對樣點信號的量化,8bit量化較常用。實驗表明語音波形的動態(tài)范圍為55dB,lObit以上量化較合適。目前器件可以做到16bit量化,量化精度提高,量化信噪比提高,要求存儲容量加大,處理時間增加。這兩個概念就是說數(shù)字信號在時間上是離散的,在幅度上也是離散的而且是量化過的。圖1語音信號的數(shù)字化7.2語音信號的預(yù)處理在對語音信號數(shù)字分析處理之前,可以先對其進行預(yù)處理。這里講

18、的預(yù)處理是指對語音信號的特殊處理:預(yù)加重或稱高頻提升分幀處理。在推導(dǎo)語音信號數(shù)字模型時,聲門激勵是一個兩極點模型,嘴唇輻射是一個零點模型,如果一個零點抵消一個極點,那么還有一個極點的影響。在語音波形中,如果對語音信號的分析是建立在聲道模型的基礎(chǔ)上,那么就應(yīng)該人為地設(shè)置一個零點將聲門激勵的另一個極點抵消。這樣做語音信號的頻譜上效果就是高頻提升,使其變得平坦,便于進行頻譜分析或聲道參數(shù)分析。預(yù)加重濾波器一般是一階的,即: H (z) =1-p z。1(IJ值接近于l,典型值為0.94) (1)語音信號的數(shù)字模型是以發(fā)濁音的情況導(dǎo)出的,預(yù)加重的處理是合理的,但是對于發(fā)清音的情況值得推敲。從發(fā)音過程看

19、,發(fā)不同清音時,湍流的位置不同,也就是說激勵源所處的位置不同。對摩擦音,例如s,湍流產(chǎn)生于口腔內(nèi)部,發(fā)h湍流產(chǎn)生喉部。由于激勵位置不同,所以聲道阻抗不同。發(fā)擦音時,激勵源離嘴唇近,相應(yīng)的聲道要短,輸出信號的大部分能量集中在高頻端,而且出現(xiàn)反諧振特性。發(fā)鼻音好似鼻腔和口腔耦合,造成反諧振支路,同樣產(chǎn)生零點特性,所以簡單地在話音信號輸入后做預(yù)加重不盡合理。有的聲碼器就采用在語言分析之后,對預(yù)測系數(shù)加權(quán),采用帶寬擴展的辦法。由于語音信號是非平穩(wěn)過程,是時變的,但是由于人的發(fā)音器官的肌肉運動速度較慢,所以語音信號可以認為是局部平穩(wěn)的,或短時平穩(wěn)。這樣就可將平穩(wěn)過程的處理方法和理論引入到語音信號的短時處

20、理,將使語音信號的分析大大簡化。實踐證明,這個認識是符合客觀實際的。因此,語音信號分析常分段或分幀來處理。一般每秒的幀數(shù)約為33-100。視實際情況而定,分幀既可用連續(xù)的,也可用交疊分段的方法。在語音信號分析中常用“短時分析”表述。8 PCM編碼PCM是一種在現(xiàn)代通信系統(tǒng)中被廣泛應(yīng)用的語音編碼技術(shù),也是數(shù)字傳輸中的標(biāo)準(zhǔn)接口信號,ITU在G711建議書中定義了PCM編碼方法及其標(biāo)準(zhǔn)。PCM編碼的主要優(yōu)點是: 編碼方法簡單,不需要用復(fù)雜的信號處理技術(shù)就可實現(xiàn)數(shù)據(jù)壓縮,而無任何信號延遲; 基于對話音信號波形采樣的瞬時處理,具有較高的信噪比。PCM的組成原理如圖所示。在信號源端,模擬信號X(t)經(jīng)過反

21、混疊濾波和采樣處理器變換成脈沖調(diào)幅信號PAM,即X(n)。為了壓縮編碼的數(shù)碼率,需要一個非線形的放大器,對小信號電平放大,對大信號電平壓縮。經(jīng)過壓縮的信號X(n)送入一個線形編碼器,其量化特性是均勻分層,但對應(yīng)于輸入信號X (n)則是非均勻分層。這一非線形處理并不是按某一特定信號統(tǒng)計特性的最佳原理進行,而是按在大動態(tài)范圍內(nèi)信號獲取均勻一致的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)來確定的,即用所謂的對數(shù)壓擴特性。這樣,每一個脈沖用一組二進制碼C(n)來表示。C(n)可采用多種編碼形式表示,如普通二進制碼,折疊碼和格雷碼等。在接收端,經(jīng)過PCM解碼器將接收信號C'n)解碼成Y' (n)。當(dāng)信道傳輸無誤碼時,C&

22、#39; (n)=C(n),Y' (n)=Y(n),Y' (n) 經(jīng)過擴張器再生出X'(n),X'(n)經(jīng)過平滑濾波器就可建立重建信號X' (t),X ' (t)和X(t)之差就是量化誤差信號。圖2 PCM組成原理圖對于電話信號編碼,由于其信號帶寬為3003400Hz,通常采用8kHz頻率進行采樣,而每一個采樣脈沖用8位二進制碼表示。這樣,每個話音通道的數(shù)碼率為:f=8000×8=64kb/s (2) 財于采用8位編碼的正弦波信號,其最大信噪比按下式計算: SNR (dB) =6. 02×1+1. 76=6. 02×

23、8+1. 76=49. 92 dB (3)式中,L為二進制編碼位數(shù)。 如果要求信噪比至少保持在34dB以上,則信號的動態(tài)范圍應(yīng)當(dāng)為49. 92-34=15. 92dB,顯然這一動態(tài)范圍遠不能滿足要求。為了擴大信號的動態(tài)范圍,通常采用瞬時壓擴特性。瞬時壓擴的目的是使信號在大的動態(tài)范圍內(nèi)具有均勻一致的信噪比。瞬時壓擴的方法主要采用對數(shù)壓擴特性,即用一條通過原點正負對稱的曲線逼近對數(shù)函數(shù),以實現(xiàn)對正負對稱信號的對數(shù)壓縮。在ITU G711建議中,定義了兩種對數(shù)壓擴特性,一種是15段折線近似是律;另一種是以13段折線近似是A律,美國、日本等國家在數(shù)字通信中采用IJ律壓擴特性,中國和歐洲一些國家采用A律

24、壓擴特性。PCM編碼解碼器通常采用單片集成電路(IC)芯片實現(xiàn),它將濾波、放大、量化、壓擴、編碼以及解碼等功能集成一體,具有處理速度快、體積小、成本低、便于開發(fā)等特點。2.9自適應(yīng)差分脈沖編碼調(diào)制(ADPCM)G711使用A律或lJ律PCM方法對采樣率為8kHz的聲音數(shù)據(jù)進行壓縮,壓縮后的數(shù)據(jù)率為64 kb/s。為了提高充分利用線路資源,而又不希望明顯降低傳送話音信號的質(zhì)量,就要對它作進一步壓縮,方法之一就是采用ADPCM。9自適應(yīng)差分脈沖編碼調(diào)制(ADPCM)9.1自適應(yīng)脈沖編碼調(diào)制(APCM)的概念自適應(yīng)脈沖編碼調(diào)制(adaptive pulse code modulation,APCM)

25、是根據(jù)輸入信號幅度大小來改變量化階大小的一種波形編碼技術(shù)。這種自適應(yīng)可以是瞬時自適應(yīng),即量化階的大小每隔幾個樣本就改變,也可以是音節(jié)自適應(yīng),即量化階的大小在較長時間周期里發(fā)生變化。改變量化階大小的方法有兩種:一種稱為前向自適應(yīng)(forward adaptation),另一種稱為后向自適應(yīng)(backward adaptation)。前者是根據(jù)未量化的樣本值的均方根值來估算輸入信號的電平,以此來確定量化階的大小,并對其電平進行編碼作為邊信息(side information)傳送到接收端。后者是從量化器剛輸出的過去樣本中來提取量化階信息。由于后向自適應(yīng)能在發(fā)收西端自動生成量化階,所以它不需要傳送邊

26、信息。前向自適應(yīng)和后向自適應(yīng)APCM的基本概念,如圖3所示。圖中的s(k)是發(fā)送端編碼器的輸入信號,Sr (k)是接收端譯碼器輸出的信號。(a) 前向自適應(yīng)(b)后向自適應(yīng)圖3 APCM模塊圖9.2差分脈沖編碼調(diào)制(DPCM)的概念差分脈沖編碼調(diào)制DPCM(differential pulse code modulation)是利用樣本與樣本之間存在的信息冗余度來進行編碼的一種數(shù)據(jù)壓縮技術(shù)。差分脈沖編碼調(diào)制的思想是,根據(jù)過去的樣本去估算(estimate)下一個樣本信號的幅度大小,這個值稱為預(yù)測值,然后對實際信號值與預(yù)測值之差進行量化編碼,從而就減少了表示每個樣本信號的位數(shù)。它與脈沖編碼調(diào)制(

27、PCM)不同的是,PCM是直接對采樣信號進行量化編碼,而DPCM是對實際信號值與預(yù)測值之差進行量化編碼,存儲或者傳送的是差值而不是幅度絕對值,這就降低了傳送或存儲的數(shù)據(jù)量。此外,它還能適應(yīng)大范圍變化的輸入信號。差分脈沖編碼調(diào)制的概念示于圖4。圖中,差分信號d(k)是離散輸入信號s(k)和預(yù)測器輸出的估算值Se(k-1)之差。注意,注意Se(k-1)是對s(k)的預(yù)測值,而不是過去樣本的實際值。DPCM系統(tǒng)實際上就是對這個差值d(k)進行量化編碼,用來補償過去編碼中產(chǎn)生的量化誤差。DPCM系統(tǒng)是一個負反饋系統(tǒng),采用這種結(jié)構(gòu)可以避免量化誤差的積累。重構(gòu)信號Sr(k)是由逆量他器產(chǎn)生的量化差分信號d

28、q (k),與對過去樣本信號的估算值Se(k-1)求和得到。它們的和,即Sr(k)作為預(yù)測器確定下一個信號估算值的輸入信號。由于在發(fā)送端和接收端都使用相同的逆量化器和預(yù)測器,所以接收端的重構(gòu)信號Sr(k)可從傳送信號I(k)獲得。圖4 DPCM方塊圖9.3自適應(yīng)差分脈沖編碼調(diào)制(ADPCM)ADPCM(adaptive difference pulse code modulation)綜合了APCM的自適應(yīng)特性和DPCM系統(tǒng)的差分特性,是一種性能比較好的波形編碼。它的核心想法是:利用自適應(yīng)的思想改變量化階的大小,即使用小的量化階(step-size)去編碼小的差值,使用大的量化階去編碼大的差值

29、,使用過去的樣本值估算下一個輸入樣本的預(yù)測值,使實際樣本值和預(yù)測值之間的差值總是最小。它的編碼簡化框圖如圖5所示。接收端的譯碼器使用與發(fā)送端相同的算法,利用傳送來的信號來確定量化器和逆量化器中的量化階大小,并且用它來預(yù)測下一個接收信號的預(yù)測值。圖5 ADPCM方塊圖二、國產(chǎn)AMBE聲碼器簡介南京梧桐微電子中心致力于國產(chǎn)AMBE聲碼器的研制和應(yīng)用,現(xiàn)已量產(chǎn)銷售。該芯片全面兼容 DVSI 的 AMBE-1000,經(jīng)批量工業(yè)級應(yīng)用驗證,產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定,語音質(zhì)量與DVSI的AMBE-1000一致,并可與AMBE-2000互通。AMBE-1000是一款高性能多速率語音編解碼芯片,采用MBE技術(shù)的語音壓縮算

30、法,具有語音音質(zhì)好和編碼速率低等優(yōu)點,語音編解碼速率可以在2.4Kbps9.6Kbps之間以50bps的間隔變化,即使在2.4Kbps的時候,仍能保持自然的語音質(zhì)量和語音可懂度。并且所有的編碼和解碼操作都能在芯片內(nèi)部完成,不需要額外的存儲器。這些特性使它非常適合于數(shù)字語音通信、語音存儲以及其它需要對語音進行數(shù)字處理的場合。AMBE-1000最基本的組成部分就是一個編碼器和一個解碼器,兩者相互獨立。編碼器接收8KHz采樣的語音數(shù)據(jù)流(16bit線性,8bit A律,8bit u律)并以一定的速率輸出信道數(shù)據(jù)。相反,解碼器接收信道數(shù)據(jù)并合成語音數(shù)據(jù)流。編碼器和解碼器接口的時序是完全異步的。AMBE

31、-1000采用A/D-D/A芯片作為語音信號的接口。輸入輸出的語音數(shù)據(jù)流的格式必須是相同的(16bit線性的,8bit A律,8bit u律),信道接口采用8位或16位的微控制器。功能特性: 可選的語音編碼速率:2.4Kbps9.6Kbps 可選的前向糾錯(FEC)速率:50bps7.2Kbps 語音激活/舒適噪聲產(chǎn)生 可選的串行和并行信道接口 回聲抵消 DTMF檢測和產(chǎn)生 LQFP100封裝 支持休眠模式典型應(yīng)用數(shù)字保密電話數(shù)字對講機、數(shù)字電臺電力載波電話網(wǎng)絡(luò)語音通信多路長時間電話錄音AMBE-1000 管腳圖:三、Protel設(shè)計軟件組成及操作原理1.Protel99SE的簡介Protel

32、99SE是應(yīng)用于Windows9X/2000/NT操作系統(tǒng)下的EDA設(shè)計軟件,采用設(shè)計庫管理模式,可以進行聯(lián)網(wǎng)設(shè)計,具有很強的數(shù)據(jù)交換能力和開放性及3D模擬功能,是一個32位的設(shè)計軟件,可以完成電路原理圖設(shè)計,印制電路板設(shè)計和可編程邏輯器件設(shè)計等工作,可以設(shè)計32個信號層,16個電源-地層和16個機加工層2. Protel 99 SE 的功能Protel 99 SE 是桌面環(huán)境下以獨特的設(shè)計管理和協(xié)作技術(shù)(PDM)為核心的全方位印制電 路板設(shè)計系統(tǒng)。它是基于 Windows 95982000NT 的完全 32 位 EDA 設(shè)計系統(tǒng)。Protel 99SE 采用了三大技術(shù)是:(1) Smart

33、DOC 技術(shù) 所有文件都存儲在一個綜合設(shè)計數(shù)據(jù)庫中。從原理圖、印制電路 板、輸出文件到材料清單及其他設(shè)計文件都存儲在一個綜合設(shè)計數(shù)據(jù)庫中,以便對它們進行 有效的管理。(2) Smart Tool 技術(shù)把所有設(shè)計工具(原理圖設(shè)計、電路仿真、PLD 設(shè)計、PCB 設(shè)計 及文件管理)都集中到一個獨立、直觀的設(shè)計管理界面上。(3) Smart Team 技術(shù) 設(shè)計組的所有成員可同時訪問同一個數(shù)據(jù)庫的綜合信息、更改通 告以及文件鎖定保護,確保整個設(shè)計組的工作協(xié)調(diào)配合。這些技術(shù)把產(chǎn)品開發(fā)的三個方面結(jié)合在一起,即人、由人建立的文件和建立文件的工具3.Protel 99 SE的系統(tǒng)組成按照系統(tǒng)功能來劃分,Pr

34、otel99se主要包含以下倆大部分和6個功能模塊。1、電路工程設(shè)計部分(1)電路原理設(shè)計部分(Advanced Schematic 99):電路原理圖設(shè)計部分包括電路圖編輯器(簡稱SCH編輯器)、電路圖零件庫編輯器(簡稱Schlib編輯器)和各種文本編輯器。本系統(tǒng)的主要功能是:繪制、修改和編輯電路原理圖;更新和修改電路圖零件庫;查看和編輯有關(guān)電路圖和零件庫的各種報表。(2)印刷電路板設(shè)計系統(tǒng)(Advanced PCB 99):印刷電路板設(shè)計系統(tǒng)包括印刷電路板編輯器(簡稱PCB編輯器)、零件封裝編輯器(簡稱PCBLib編輯器)和電路板組件管理器。本系統(tǒng)的主要功能是:繪制、修改和編輯電路板;更新

35、和修改零件封裝;管理電路板組件。(3)自動布線系統(tǒng)(Advanced Route 99):本系統(tǒng)包含一個基于形狀(Shape-based)的無柵格自動布線器,用于印刷電路板的自動布線,以實現(xiàn)PCB設(shè)計的自動化。2、電路仿真與PLD部分(1)電路模擬仿真系統(tǒng)(Advanced SIM 99):電路模擬仿真系統(tǒng)包含一個數(shù)字/模擬信號仿真器,可提供連續(xù)的數(shù)字信號和模擬信號,以便對電路原理圖進行信號模擬仿真,從而驗證其正確性和可行性。(2)可編程邏輯設(shè)計系統(tǒng)(Advanced PLD 99):可編程邏輯設(shè)計系統(tǒng)包含一個有語法功能的文本編輯器和一個波形編輯器(Waveform)。本系統(tǒng)的主要功能是;對邏

36、輯電路進行分析、綜合;觀察信號的波形。利用PLD系統(tǒng)可以最大限度的精簡邏輯部件,使數(shù)字電路設(shè)計達到最簡化。(3)高級信號完整性分析系統(tǒng)(Advanced Integrity 99):信號完整性分析系統(tǒng)提供了一個精確的信號完整性模擬器,可用來分析PCB設(shè)計、檢查電路設(shè)計參數(shù)、實驗超調(diào)量、阻抗和信號諧波要求等。4.Protel 99 SE 常用命令及操作(1) Protel 99 SE 的啟動及操作進入 Protel 99 SE 系統(tǒng),只要運行 Prote1 99 SE 即可以。 啟動 Prote1 99 SE 后,將出現(xiàn) Protel 99 SE 的啟動界面,如圖所示。接著就會進入Prote1

37、99 SE 的主設(shè)計窗口 Design Explorer,如圖所示Protel 99 SE 啟動界面主設(shè)計界面(2) 創(chuàng)建項目數(shù)據(jù)庫 Protel 99 SE 提供了一個集成的設(shè)計工作環(huán)境,用戶必須首先創(chuàng)建 一個類型為.ddb 的數(shù)據(jù)庫(項目數(shù)據(jù)庫)。用戶以后的所有文件都存儲于這一數(shù)據(jù)庫中。用戶創(chuàng)建項目數(shù)據(jù)庫,只需執(zhí)行菜單命令 FileNew,就會彈出如圖 5.65 所示的“新建 項目數(shù)據(jù)庫”對話框。用戶只需輸入文件名及文件的存儲位置就可以,具體設(shè)置如下:1) 設(shè)置文件類型。文件的存儲類型有“M AccessDatebase(MS ACCESS 數(shù)據(jù)庫)” 和“Windows FileSyst

38、em (Windows 文件系統(tǒng))”兩種可選擇。2) 設(shè)置文件名及存儲路徑。文件名可在“DatabaseFi1e Name”項中直接填入文件名的 后綴為.ddb;存儲路徑可以用“Browse”命令修改(方法與 windows 其他軟件操作類似)。完 成上述操作后,利用鼠標(biāo)點擊 (左鍵)按鈕。完成上述操作后,進入設(shè)計窗口,如圖所示。設(shè)計窗口由以下幾部分組成:“新”建項目數(shù)據(jù)庫”對話框設(shè)計窗口 主設(shè)計窗口顯示已打開的文件及文件夾。 主菜單條顯示當(dāng)前設(shè)計方式下的菜單,在不同的設(shè)計方式下主菜單條所包含 的內(nèi)容不一樣。 工具欄顯示當(dāng)前設(shè)計分式下的常用操作(在不同設(shè)計方式下所包含的內(nèi)容不相 同),操作方法

39、是點擊相應(yīng)圖標(biāo),則完成相應(yīng)操作。 設(shè)計標(biāo)簽每個已打開的文件或文件夾都有一設(shè)計標(biāo)簽,點擊標(biāo)簽則該窗口將成 為當(dāng)前活動窗口。 設(shè)計導(dǎo)航樹Protel 99 E 提供一個類似于 windows 資源管理器。 設(shè)計管理器控制板用以顯示“設(shè)計導(dǎo)航樹”或顯示文件編輯器的瀏覽窗口;可 以通過菜單中“ViewDesign Manager”來打開關(guān)閉。 在線幫助提供在線幫助。(3) 建立新文件 在當(dāng)前設(shè)計庫中建立新文件,執(zhí)行菜單中 FileNew 命令,彈出“新 建文件”對話窗口,如圖所示。在該窗口中,給出 Protel 99 SE 能建立的所有類型的文 件,Prote1 99 SE 所能建立的文件類型為:CA

40、M 輸出文件. CAM、文件夾、印制電路板文 件(PCB 文件)PCB、PCB 庫文件LIB、PCB 打印輸出PPR、原理圖文件SCH、原理圖庫文件. LIB、電子圖表文件SPD、文本文件TXT及波形文件WVF等。在對話窗口中選擇相應(yīng)的文件類型圖標(biāo),點擊 OK 按鈕,該類型的文件則已包含在設(shè) 計項目數(shù)據(jù)庫中,可以在設(shè)計管理器中更改文件的文件名(注文件擴展名不可改變),單擊此 文件,系統(tǒng)將進入相應(yīng)的編輯器,可對該文件進行編輯。(4) 常用工具欄(Toolbars)的打開關(guān)閉工具欄(Too1bars)對于不同的文件編輯器來 講、所包含的內(nèi)容不完全相同,但它們打開與關(guān)閉的方法相同,都可以通過 Vie

41、wToolbars 來對其中所包含的工具欄“打開關(guān)閉”。工具欄“開關(guān)”是一種乒乓開關(guān),菜單中點擊 一次為開,如在菜單中再點擊一次為關(guān),通過這種方法可對工具欄的狀態(tài)(開關(guān))進行設(shè)置,如圖所示?!靶陆ㄎ募睂υ捒颉按蜷_關(guān)閉 工具欄”對話框(5) 畫面顯示狀態(tài)的放大與縮小電路設(shè)計人員在繪圖過程中,常要查看整張圖或只看 某一局部,所以經(jīng)常改變顯示狀態(tài),使用繪圖區(qū)放大或縮小。1) 命令狀態(tài)下的放大與縮小。當(dāng)處于其他繪圖命令下時,無法用鼠標(biāo)執(zhí)行縮放命令, 此時要放大或縮小顯示狀態(tài)。必須采用功能熱鍵來實現(xiàn)。放大按 PageUp 鍵,繪圖區(qū)將放大??s小按 PageDown 鍵,繪圖區(qū)將縮小。移位按 Home

42、鍵,當(dāng)前光標(biāo)下顯示位置,會移位到工作區(qū)中心位置顯示。更新按 End 鍵,給繪圖區(qū)的圖形進行更新,恢復(fù)正確的顯示狀態(tài)。2) 空閑狀態(tài)下的放大與縮小。當(dāng)未執(zhí)行其他命令而處于空閑狀態(tài)時可以用菜單(View)下的命令、主工具欄中的按鈕及功能熱鍵來進行顯示狀態(tài)的放大與縮小。放大用鼠標(biāo)點擊主工具欄中的 按鈕或執(zhí)行下拉菜單 命令 ViewZoom In,如圖所示??s小用鼠標(biāo)點擊主工具欄中的 按鈕或執(zhí)行下拉菜單命令 ViewZoom Out。用不同的比例顯示View 菜單命令提供了幾種顯示比例供 用戶選擇如圖所示。菜單命令中的 View縮放命令繪圖區(qū)顯示整個文檔用鼠標(biāo)點擊主工具欄中的 按鈕 或執(zhí)行下拉菜單命令

43、 View/Fit Document移動顯示位置在設(shè)計電路時,經(jīng)常需要移動位置可利用View/Pan 來實現(xiàn)。View/Pan 的功能是將當(dāng)前光標(biāo)位置的圖樣及器件移 至窗口的中心,以便操作,而顯示的比例不變。新畫面當(dāng)顯示畫面出現(xiàn)問題時,可以通過菜單命令 ViewRefresh 來更新畫面。放大某一區(qū)域Prote1 99 SE 提供了兩種方式:用對角選定一個矩形區(qū)域,用菜單 命令 View/Area,執(zhí)行后利用鼠標(biāo)拖曳選定一個矩形區(qū)域,顯示到整個窗口;用中心點加一 個選定矩形區(qū)域,用菜單命令 ViewAround Point,移動光標(biāo)到目標(biāo)區(qū)的中心位,單擊左鍵, 移動鼠標(biāo),使矩形框至滿足要求為止

44、,點擊左鍵進行確認,所選區(qū)域放大至整個窗口5.Protel 99 SE 原理圖設(shè)計利用 Protel 99 SE 進行 EAD 設(shè)計常用的步驟為(本部分僅討論利用 Protel 99 SE 進行原理 圖設(shè)計和 PCB 圖設(shè)計):第一步:設(shè)計原理圖,利用原理圖設(shè)計系統(tǒng)(Schematic Edit)繪制原理圖。 第二步:生成網(wǎng)絡(luò)表,網(wǎng)絡(luò)表是原理圖與 PCB 圖之間聯(lián)系的紐帶。 第三步:設(shè)計 PCB 圖,印制電路板(PCB)圖是 Protel 99 SE 的另一個重要功能。以本教材電子實習(xí)部分的“小功率直流穩(wěn)壓電源和充電器制作”為例講解 Protel 99 SE的設(shè)計過程。 電路原理圖設(shè)計是整個電

45、路設(shè)計的第一步,同時也是電路設(shè)計的根基,由于以后的設(shè)計工作都以此為基礎(chǔ),因此電路原理圖的設(shè)計好壞直接影響到以 后的工作。原理圖的設(shè)計可以按圖所示原理圖設(shè)計流程圖進行。(1) 設(shè)置圖樣大小 進入 Protel 99 SESchematic 后,首先要構(gòu) 思好零件圖,設(shè)置好圖樣大小。圖樣的大小是根據(jù)電路圖的規(guī)模和 復(fù)雜程度而定的,設(shè)置合適的圖樣大小是設(shè)計好原理圖的第一步。(2) 設(shè)置 Protel 99 SESchematic 設(shè)計環(huán)境設(shè)置 Protel 99SESchematic 設(shè)計環(huán)境,包括設(shè)置格點的大小、光標(biāo)類型等等。其實, 大多數(shù)參數(shù)都可以用系統(tǒng)默認值,而且這些參數(shù)經(jīng)過設(shè)置之后,符 合個

46、人習(xí)慣,以后無需再作修改。(3) 放置零件 在這一階段,用戶根據(jù)電路圖的需要,將零件 從零件庫中取出放置到圖樣上,并對放置零件的參數(shù)、零件的封裝 型式進行設(shè)定。零件的序號有多種方法進行設(shè)定手工設(shè)定、利用 Protel 99 SESchematic 提供的工具進行設(shè)定;同時還需要對放置的零件位置進行調(diào)整。(4) 原理圖布線原理圖布線就是利用 Protel99SEschematic 提供的各種工具,將 圖樣上的元器件用具有電氣意義的導(dǎo)線、符號連接起來,構(gòu)成一個完整的原理圖.(5) 調(diào)整線路調(diào)整線路就是將最初繪制好的電路圖作進一步調(diào)整和修改,使得原理圖 更加美觀。(6) 報表輸出在這一階段,用戶通過

47、 Protel 99 SESchematic 提供的各種報表工具生 成各種報表,其中最重要的報表是網(wǎng)絡(luò)表,通過網(wǎng)絡(luò)表為后續(xù)的電路板設(shè)計作準(zhǔn)備。(7) 文件的保存與打印輸出最后是文件的保存與打印輸出。四、設(shè)計思想 AMBE-IOOO讀寫一幀數(shù)據(jù)所需的時間遠小于20ms。也就是說在20ms時間內(nèi),除了讀1幀或?qū)?幀數(shù)據(jù)外,處理器還有大量的時間做其它的事。這使人們有可能在半雙工的低速信道內(nèi)實現(xiàn)全雙工的語音通話。用戶線接口及PSTN接口均以AMBE為核心。每一個終端可通過總線的PSTN接口接入PSTN電話網(wǎng);各個電話終端可通過總線互通,但每一時刻只能有一個終端接入PSTN。 由電話接口完成用戶話機模擬

48、信號的二、四線轉(zhuǎn)換;由編解碼器完成對模擬語音信號的數(shù)字化,并進行A率(u率)PCM編碼;由AMBE-IOOO對PCM語音信號壓縮并分組,實現(xiàn)分組語音;由單片機對分組語音進行打包,最后送入4 85總線進行傳輸。由于是多個終端,在軟件中需引入令牌機制,以防止沖突。就功能來說,AMBE-IOOO是一款優(yōu)秀的語音壓縮處理器;就其能達到的最低壓縮速率來看,己達到了世界先進水平,而且能夠保證高質(zhì)量的通話質(zhì)量。這使得它在世界范圍內(nèi)得到了廣泛應(yīng)用;但其壓縮算法為非標(biāo)準(zhǔn)算法,致伎由AMBE-IOOO構(gòu)成的語音處理系統(tǒng)只能用在某些專用網(wǎng)上。即使如此,它仍不失為在語音處理領(lǐng)域一款優(yōu)秀的處理器。電路設(shè)計最終的目的是為

49、了設(shè)計出電子產(chǎn)品,面電子產(chǎn)品是通過印制電路板來實現(xiàn)的。 因此。印制電路板是電路圖設(shè)計中最重要、最關(guān)鍵的步,其設(shè)計步驟如圖所示。(1)規(guī)劃印制電路板:在繪制印制電路板之前。用戶要對印制電路板有一個初步的規(guī) 劃,比如說印制電路板采用多大的物理尺寸,采用幾層板、是中面板還是雙面板各元器件 采用何種封裝形式及其安裝裝置等。這是一項極其重要的工作,是確定印制電路板設(shè)計的框 架。(2)設(shè)置參數(shù):參數(shù)的設(shè)只是印制電路板設(shè)計的非常重要的少 驟。設(shè)置參數(shù)之要是設(shè)置元器件的布置參數(shù)、板層參數(shù)、布線參數(shù)等等,一般說來,有些參數(shù)用其默認值即可。有些參數(shù)在使用過次以 后即第一次設(shè)置以后。以后幾乎無需修收。(3)裝入網(wǎng)絡(luò)

50、表及元件封裝:在前面談到網(wǎng)絡(luò)表是印制電路板 自動布線的靈魂,也是原理圖設(shè)計系統(tǒng)與印制電路板設(shè)計系統(tǒng)的接 口。因此這一步也是非常重要的環(huán)節(jié)。只有將網(wǎng)絡(luò)表裝入之后,才可能 完成對印制電路板的自動布線。元器件的封裝就是元器件的外形,對于每個裝入的元器件;必須有相應(yīng)的外形封裝才能保證印制電路板 布線的順利進行。(4)元器件的布局:元器件的布局可以讓 Protel 99 SE 自動布局,規(guī)劃好印制電路板并裝入網(wǎng)絡(luò)表后,用戶可以讓程序自動裝入元器件, 并出動將元器件布置在印制電路板邊框內(nèi)。Protel 99 SE 也可以讓用戶 手工布局。元件的布局合理,才能進行下步的布線工作。(5)自動布線 Prote1 99 SE 采用世界最先進的無網(wǎng)格、基于形 狀的對角線自動布線技術(shù),只要將有關(guān)的參數(shù)設(shè)置得當(dāng)元器件的布 局合理自動布線的成功率幾乎是 100。(6)手工調(diào)整 到目前為止,還沒有種自動布線軟件能夠完美,至不需要手工調(diào)整的地步。自動布線結(jié)束后,往往存在另人不滿意的 地方,需要手工

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