语音信号大作业

《语音信号处理》（2010-2011学年第2学期）实验报告实验二基于G.721ADPCM的语音编码一、实验目的1.理解语音编码的方法及其应用。

2. 进一步掌握ADPCM语音编码。

二、实验内容基于G.721ADPCM语音编码标准的MATLAB实现。

先输入一个语音信号，用ADPCM对其压缩编码，最后输出解码后的图形，将它与原图形进行比较。

同时将提取的语音信号和编码后的语音信号写入文件中。

三、实验原理1、ADPCM语音编码简介Adpcm是自适应差分脉冲编码调制的简称，最早使用于数字通信系统中。

该算法利用了语音信号样点间的相关性，并针对语音信号的非平稳特点，使用了自适应预测和自适应量化，在32kbps◎8khz速率上能够给出网络等级话音质量。

ADPCM将脉冲编码调制、差值调制和自适应技术结合起来，进一步利用语音信号养点间的关系，并针对语音信号的非平稳特点，使用了自适应预测和自适应量化，在32kbit/s速率上能够够给予网络等级语音质量，从而符合进入公用网的要求。

以下的流程图可以看出，编码器中嵌入了一个解码器，使得编码器的自适应修正完全取决于信号的反馈值。

这个反馈值与解码器的输出一致，所以后续的差值采样就补偿了量化误差，从而避免了量化误差的积累。

2、流程图3、编程算法简介1)先进行自适应预测，得出估计值，然后求取采样值与估计值之差，用表示；2)求出量化阶距自适应因子，它有调整短时能量的变化较快的的语音信号的和调整数据类慢变信号的两部分，经过速度因子加权平均而成；3)自适应量化并编码输出,得出编码值；4)自适应逆量化器输出并重建语音信号，输出重建后的语音信号。

四、程序代码以及分析任务一.主函数程序%主函数程序main.m：clear allcoe=[1,0,1,0,0,0,0,0,0,0,0]; %初始化系数coe1=[0,0,0];coe2=[0,0,0,0,0,0,0,0,0,0];coe3=[0];Dqk=zeros(1,7);fid=fopen('cm.txt','rt'); %读文件，文件格式为.txta=fscanf(fid,'%e\n');fclose(fid);fid=fopen('cm.721.txt','wt');for i=1:size(a,1);Slk=a(i); %输入信号[coe,coe1,coe2,coe3,Dqk]=adpcm(Slk,coe,coe1,coe2,coe3,Dqk); %调用语音编解码函数fprintf(fid,'%f\n',coe2(5));endfclose(fid);%-----------------------------波形显示------------------------fid=fopen('cm.txt','rt'); %读文件，文件格式为.txta=fscanf(fid,'%e\n');fid=fopen('cm.721.txt','rt');b=fscanf(fid,'%e\n');subplot(211),plot(a);title('输入语音波形');subplot(212),plot(b);title('解码输出波形');%完成赋初值、信号输入及调用语音编解码函数任务二.语音编解码子函数程序adpcm.mfunction [coe,coe1,coe2,coe3,Dqk]=adpcm(Slk,coe,coe1,coe2,coe3,Dqk)%语音编解码函数Yk_pre=coe2(1); %初值传递Sek_pre=coe2(2);Ik_pre=coe2(3);Ylk_pre_pre=coe2(4);Srk_pre=coe2(5);Srk_pre_pre=coe2(6);a2=coe2(7);Tdk_pre=coe2(8);Trk_pre=coe2(9);Num=coe2(10);coe2(10)=coe2(10)+1;[Sek,coe]=Selfpredict(Srk_pre,Srk_pre_pre,Dqk,coe); %自适应预测Dk=Slk-Sek; %采样值与其估值差值计算Yuk_pre=yu_result(Yk_pre,wi_result(abs(Ik_pre))); %快速非锁定标度因子计算if Yuk_pre<1.06Yuk_pre=1.06;elseif Yuk_pre>10.00Yuk_pre=10.00;endYlk_pre=y1_result(Ylk_pre_pre,Yuk_pre); %锁定标度因子计算%窄带信号瞬变判定%if((a2<-0.71875)&(fabs(Dqk)>pow(24.2,Ylk_pre)) ) Trk=1;else Trk=0;endTdk_pre = Trk;%窄带信号瞬变判定结束Tdk_pre=Tdk_com(a2); %单频信号判定[Alk,coe1]=Alk_com(Ik_pre,Yk_pre,coe1,Tdk_pre,Trk_pre); %自适应速度控制与自适应预测if Alk<0.0Alk=0.0;elseif Alk>1.0Alk=1.0;end[Yk,coe3]=Yk_com(Ik_pre,Alk,Yk_pre,coe3); %量化阶矩自适应因子计算Ik=Ik_com(Dk,Yk); %自适应量化并编码输出Yk_pre=Yk;Srk_pre_pre=Srk_pre;Sek_pre=Sek;Ylk_pre_pre=Ylk_pre;Ik_pre=Ik;coe2(1)=Yk;coe2(6)=Srk_pre;coe2(2)=Sek;coe2(4)=Ylk_pre;coe2(3)=Ik;Dqk(1)=Dqk(2);Dqk(2)=Dqk(3);Dqk(3)=Dqk(4);Dqk(4)=Dqk(5);Dqk(5)=Dqk(6);Dqk(6)=Dqk(7);Dqk(7)=Dqk_com(Ik_pre,Yk_pre); %自适应逆量化器输出Srk_pre=Srk_com(Dqk(7),Sek_pre); %重建信号输出coe2(5)=Srk_pre;语音编解码子函数程序adpcm.m的详细说明（按照程序流程）：1)先初始化系数；2)自适应预测，然后求的采样值与其估计值的差值。

即;3)快速非锁定标度因子计算。

称为快速非锁定因子，取值范围在区间，对应的线性阈为;式子中，称为标度因子。

的取值4）锁定标度因子的计算。

为了适应语音预测差值信号中的基音引起的能量突变，的高端取值都很大。

对于带内数据，信号短时能量基本是平稳的，阶矩自适应采用如下算法：;称为锁定标度因子。

5）窄道信号瞬间判定和单频信号判定当ADPCM编码器遇到频移键控指信号或其他窄道瞬变信号时，需要将系统从慢速自适应状态强制性调整到快速自适应状态，为此，引入单频信号判定条件和窄道信号瞬时判别依据:和的的决定公式见程序计算。

6）自适应速度控制与自适应预测是速度控制因子，它是通过I(n)的长时平均幅度值的差求出的。

它反映了预测余量信号的变化率。

长时：;短时：;函数F[I(k)]的取值如下所示。

7）量化阶矩自适应因子的计算。

式中y(k)是量化阶矩自适应因子，他又调整短时能量变化较快的语音信号的和调整数据内慢变信号的两部分，经速度调节因子加权平均而成：; 对于快变信号，趋于1，而对慢变信号趋于0；8）自适应量化并编码输出。

前面所有的步骤都为这一步服务。

即求的I(k)。

I(k) = ;[3.12,根据公式以及量化表可以得出编码。

9)自适应逆量化器输出，并重建语音信号。

即利用公式;至此，整个编码解码的过程结束。

从以上程序分析可以看出，编码里套着解码器，而编码的过程是繁琐的，要注意到众多细节问题。

以上的分析与流程图相对应，原理与思路相对应。

可知实验思路是没有问题的。

五、实验结果原始语音信号以及编码后的语音信号分别存在两个txt文本文件中，这里不再列举数据。

六、实验结果分析：由两者的图形可知，输入语音波形与解码输出波形的形状基本一样，没有大的失真，说明ADPCM算法的合理性，能对语音信号进行压缩编码，并且能够在现高质量语音。

对比两个文本文件中的数据，可知除了极少数的个别取样值误差较大之外，在50%以上，绝大部分数据的的相对误差都小于0.1%说明解码后的语音信号失真非常小，这在语音编解码的算法是比较好的。

运行wucha.m程序，出现如下波形：波形程序：clcclear%波形显示fid = fopen('xiangdui.txt','rt');a = fscanf(fid,'%e\n');fid = fopen('juedui.txt','rt');b = fscanf(fid,'%e\n');subplot(211),plot(b);title('绝对误差波形');subplot(212),plot(a);title('相对误差波形');分析上面两个图形，绝对误差比较理想，而相对误差可以很明显的看出，百分比大部分都在0附近，可知效果还是比较理想的。

同时我们也可以看出开始时候的语音信号有点失真，但是开始时的幅度较小，失真影响较大，有可能不能正确还原出原始信息，所以ADPCM算法对开始信号的处理部分还是应该改进。

这是本次实验的不足之处。

七、实验心得：1）本次实验做起来并不轻松，因为理论知识比较抽象，而且要利用到许多数学原理以及数字信号处理方面的知识，可知这不仅仅是一个单学科的实验，而且要利用到许多相关知识，是一门综合性的实验。

2）经过一个多星期的努力，我们把程序做出来了，并且也掌握了ADPCM 的原理及实现方法。

这是最有价值的地方。

3）通过本次实验我们对语音编码有了一定的了解，对编码算法有了清楚的认识和掌握。

4）在整个编码解码的过程，编码里套着解码器，而编码的过程是繁琐的，要注意到众多细节问题。

5）这次试验中对语音编解码子函数程序adpcm.m的功能、算法、输出等都能较清晰的掌握。

6）能通过这次试验最后输出解码后的图形，将它与原图形进行比较，同时将提取的语音信号和编码后的语音信号写入文件中。

附录：梅丽娟论文工作：实验心得刘智论文工作：实验原理及结果分析两人共同完成的工作：实验的选题、实验流程图、实验代码的编写、以及实验其他学科知识的参考。