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Forum: Digitale Signalverarbeitung / DSP Sprachaufzeichnung und -wiedergabe


Autor: Michael S. (nasenbaer83)
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Hi,
in der Uni sollen wir mit dem Siemens C167 Sprache aufzeichnen und 
später wiedergeben.
Nachdem ich mich in das Thema DSP eingelesen habe, denke ich das ich 
dazu DFT (bzw. zur späteren Berechnung dann FFT) nutzen muss. Leider 
habe ich nach 2 Büchern und intensiver Recherche im Netz noch immer 
keine Ahnung was ich genau machen muss.

Die DFT soll mir zu einem abgetasteten Sginal die Frequenzen und ihre 
Amplituden liefern aber wie das genau laufen soll ist mir schleierhaft.
Zudem brauche ich komplexe Zahlen für die Berechnung - der C167 
unterstützt nicht mal floating point wodurch man sich routinen dafür 
erstmal mühselig per hand schreiben müsste.

Hab ich irgendwas falsch verstanden? Und kann mir irgendwer grob 
erklären was ich mit den Abtastwerten des ADC machen muss?

Vielen Dank im Voraus :)

Autor: Nils (Gast)
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Hallo Michael,

> ... wir mit dem Siemens C167 Sprache aufzeichnen und später wiedergeben

Wozu brauchst Du für eine Sprachaufzeichnung eine DFT?
(Zur Wiedergabe bräuchtest Du dann auch die inverse DFT).

Sprachaufzeichnung:
1) A/D-Wandlung
2) Werte im Speicher ablegen

Sprachwiedergabe:
1) Speicher auslesen
2) Werte an den D/A

Ich kenne den C167 nicht, habe aber gelesen, dass er über eine 
SSC-Schnittstelle verfügt, um eine serielle Kommunikation mit A/D- 
D/A-Wandlern zu ermöglichen.

Alternativ kann die Wandlung (A/D und D/A) auch direkt über die Ports 
des uC erfolgen:
Das Stichwort lautet 'PWM' (Pulsweiten-Modulation).

Gruß
Nils

Autor: Michael S. (nasenbaer83)
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Hmm jo geht :D Aber warum wird in der Versuchsbeschreibung bei uns 
ellenlang Fouriertransformation beschrieben. Wir sollen die aufnahme 
auch noch komprimieren - braucht man das dafür??

Autor: Nils (Gast)
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Hallo Michael,

> Wir sollen die aufnahme auch noch komprimieren
Davon hast Du nichts geschrieben.

Du sollst offenbar folgendes machen:

Aufnahme:
1) Werte in einem Zeitfenster abtasten und einer FFT unterwerfen
2) Die FFT-Daten (Amplituden und Phasen) reduzieren (Komprimierung)
3) Werte abspeichern

Wiedergabe:
1) Eventuell Werte aus dem Speicher dekomprimieren (hängt davon ab, wie 
Du komprimiert hast)
2) Daten einer inversen FFT unterwerfen
3) Resultat an den D/A geben

Zum Verständnis:
Du tastest Dein Audiosignal in einem Zeitfenster ab (mehrere Werte 
also). Die DFT liefert Dir die Amplituden und Phasen bei festen 
Frequenzen.
Diese Daten bilden dann die Grundlage für eine Datenreduktion 
(Komprimierung).
Beim Abspielen wendest Du dann die inverse DFT (klar FFT) an: Aus den 
Amplituden und Phasen bei festen Frequenzen wird dann wieder ein Signal 
im Zeitbereich (Amplitude vs. Zeit), dass Du abspielen kannst.

> Zudem brauche ich komplexe Zahlen für die Berechnung
Dafür gibt es den Datentyp vector oder Du verwendest Arrays
> der C167 unterstützt nicht mal floating point
Durch Normierung lässt sich eine FFT auch in Integer-Arithmetik 
durchführen (-> Lookup-Tables für sin u. cos)

FFT:
Einfach mal im Forum suchen oder googeln - hier gibt es etliche Beipiele 
auf diversen MüPehs...
... siehe auch Elektor oder in Eurer Uni-Bibliothek:
In der Zeitschrift 'Elrad' gab es in den 1990ern eine Serie 
'Signalverarbeitung in C'. Da findest Du eine konkrete Implementierung 
einer FFT.

Kompression:
Welches Kompressionsverfahren Du benutzen sollst, sollte eigentlich 
(zumindest als Hinweis) in Deinem Script stehen.
Es gibt einfache Algorithmen, die auf einer rein informationstechnischen 
Sicht beruhen (-> z.B. LZW, ZIP) und zusätzlich psychoakustische 
Verfahren (-> z.B. Ogg, speech, mp3). Falls wirklich nichts in Deinem 
Script steht, einfach mal den Assi fragen, in welche Richtung es gehen 
soll. Ohne konkreten Input wird Dir da keiner weiterhelfen können.

Gruß
Nils

Autor: Michael S. (nasenbaer83)
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Als Komprimierungen wurden folgende Verfahren als möglich erwähnt:
- Diskrete Cosinustransformation (mit der Anmerkung das es schwer zu 
impl. ist)
- Pausenerkennung und kodierung solcher
- Entropiekodierung von Delta-Werten
- logarithmische Kodierung

Mein Problem ist ja, das alles in Assembler geschrieben werden muss. C 
Code kann ich dann natürlich als formale Algorithmusbschreibung nutzen 
aber derlei Datentypen stehen mir natürlich nicht zur Verfügung. Dies 
würde Aufgabe aber ungleich komplexe machen und IMO niemals lösbar sein 
in so kurzer Zeit denke ich. Ich muss da die Betreuer nochmal anprachen, 
wenn sie denn mal da sind. ^^

Autor: Nils (Gast)
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Hallo Michael,

> Diskrete Cosinustransformation (mit der Anmerkung das es schwer zu impl. ist)
Das wäre die Frage: Immerhin spielt die Cosinustransformation im Reelen, 
so dass Du Dir die Assembler-Programmierung von komplexen Zahlen 
ersparen könntest. In dem Zusammenhang ist auch die 
'Wavelet-Transformation' interessant (Kompression und reeles 
Fundamentalsystem). Literatur: Numerical Recipies
> Pausenerkennung und kodierung solcher
Am einfachsten zu machen, indem Du Daten unter einer definierten 
Schwelle nicht speicherst, sondern nur deren Länge vermerkst.
> Entropiekodierung von Delta-Werten
Kenn ich mich nicht genau mit aus. Geht aber in die Richtung 'LZW', also 
Komprimierung unter Berücksichtigung der Lauflänge von Codefolgen
> logarithmische Kodierung
Kenn ich mich nicht genau mit aus. Geht aber in die Richtung 
'psychoakustische Verfahren'. Beipiel (sehr plakativ!):
Wenn die FFT in einem Zeitintervall einen lauten hohen Ton leifert und 
gleichzeitig einen tiefen Ton mit geringer Amplitude, kannst Du den 
tiefen Ton weglassen, weil nur der laute, hohe Ton wahrgenommen wird (-> 
psychoakustische Maskierung). Ok, da ist die Einarbeitung sehr komplex - 
die Quellensuche wird auch schwer, weil in diesem Bereich viel Wissen 
patentiert ist.

> Dies würde Aufgabe aber ungleich komplexe machen und IMO niemals lösbar sein in 
so kurzer Zeit denke ich
Wie lange hast Du denn Zeit?

Gruß
Nils

Autor: Nils (Gast)
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Nachtrag:

Wenn die Zeit so kurz ist und Assembler angesagt ist, wieso dann nicht 
einen pragmatischen Weg einschlagen:
- Das Fourier-Gesumpse weglassen
- Die psychoakustische Verfahren den Frauenhofern überlassen

Stattdesssen:

Sprachaufzeichnung:
1) A/D-Wandlung
2) Kodierung der A/D-Werte und Schwellendetektion zwecks Pausenerkennung
3) Datenkompression mit LZW oder ähnlich
4) Werte im Speicher ablegen

Sprachwiedergabe:
1) Dekodierung des eigenen Formats (Pausenerkennung)
2) Dekompression des LZW
3) Werte an D/A

Du solltest Deine Betreuer fragen, ob das reicht - Du hättest damit eine 
Implementierung, die im Wesentlichen ohne Numerik auskommt.

Gruß
Nils

Autor: Florian (Gast)
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Wenn man den FFT nicht überlappend anlegt, hat man schöne Sprünge, die 
sich als Knattern bemerkbar machen. Besser vorher eine Fensterfunktion 
verwenden und 50% Überlappung wählen. Im Grunde genommenn müsste man 
auch da die Phasen anpassen aber aus meiner Erfahrung ist das Knattern 
so weniger hörbar.

Ich würde allerdings die Methode 'Entropiekodierung von Delta-Werten' 
verwenden.

Stichwort und erste Informationen:
http://de.wikipedia.org/wiki/ADPCM

Die einfachste Methode wäre sicherlich 'logarithmische Kodierung'.
Stichwort und erste Informationen:
http://de.wikipedia.org/wiki/A-law


Autor: Nils (Gast)
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@Forian:
Deine Vorschläge laufen auch auf eine mehr oder weniger algorithmische 
Lösung hinaus.
Ich denke, numerische Verfahren, insbes. in Assembler programmiert, 
liefern sehr viel 'Fallstricke'.
Siehst Du das ähnlich?

Gruß
Nils

Autor: Florian (Gast)
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Es wird wohl darauf hinauslaufen (müssen) zumindest mit Festkommazahlen 
zu rechnen.

Wenn in der Aufgabenbeschreibung schon von FFT die Rede ist, dann wäre 
doch eine Pausenerkennung, wie Du sie vorgeschlagen hast, vermutlich zu 
profan. Ich könnte mich auch vorstellen, dass es nicht um 
Codierungsverfahren, sondern um Signalverarbeitung geht und da die 
LZW-Geschichte unpassend wäre. Davonab war da nicht mal irgendetwas 
bezüglich Patenten bei LZW? Sicherlich wäre es für die Profs schöner, 
eine Huffman-Komprimierung zu sehen, wenn man denn so etwas machen 
wollte.

Wie gesagt, ich verstehe die Aufgabe eher so, dass man sich zumindest 
gedanklich mit Codecs, wie z.B. G.726 oder G.711 auseinandersetzen soll. 
Mir fielen die Begriffe "Sprache", "Kompression" und dann die Stichworte 
wie FFT, Logarithmus, Delta-Codierung etc. auf.

Klar ist das keine Aufgabe, die man 'mal eben' auf einem C167 unter 
Assembler umsetzt, aber für einen angehenden Akademiker in diesem Gebiet 
sollte das lösbar sein.

Autor: Michael S. (nasenbaer83)
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Wir haben bis 11.07. Zeit und es sind pro Woche 90 Minuten angesetzt. 
Diese Angabe ist aber utopisch niedrig und würde bei keinem der Versuche 
reichen. Praktisch arbeit man ca. 8 stunden pro Woche dran - in dreier 
Teams. Das macht die Sache nicht leichter, da der Programmierer dann 
auch immer erklären muss was er macht.

Aber auf jedenfall Danke schonmal für die vielen guten Infos. Mich 
interessiert das ganze ja auch privat. :)

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