Аналого цифровое преобразование сигналов Кодирование речи 1

Аналого цифровое преобразование сигналов. Кодирование речи. 1

2

uk(t) u. АИМ(t) АМ ФНЧ r(t) uk(t) t r(t) и t UАИМ(i. Tд) Тд t Рисунок 2. 2 – Структурная схема и формы сигналов при АИМ 3

Gu( ) а) Gr( ) C 1 В C 2 б) Д GАИМ( ) 2 Д 2 / и в) Д- В В Д Д+ В GАИМ( ) г) Д- В В Д Д+ В Рисунок 2. 3 – Спектры сигналов при АИМ 4

u(t) u 4 u 3 u 2 u 1 0 3 Tд Tд 4 Tд Tд t 2 Tд -u 1 -u 2 -u 3 -u 4 -u 5 кв(t) + /2 t - /2 Рисунок 2. 4 – Квантование АИМ сигнала 5

y 7 112 6 96 5 80 4 64 3 48 2 32 1 16 Nc = 0 x Рисунок 2. 8 – Характеристика компрессирования типа А 6

7

UАИМ ИКМ СС 1 ФЭ 1 1 2 2 СПСЭ ФЭ 2 11 11 8 7 1 F УЛС T Рисунок 2. 14 – Нелинейный кодер взвешивающего типа P П X Y С Z A B C D К Рисунок 2. 12 – Формат восьмиразрядной ИКМ комбинации 8

Адаптивная дифференциальная импульснокодовая модуляция Для оцифровки речи в аппаратуре радиодоступа помимо рассмотренной выше импульсно кодовой модуляции используется и адаптивная дифференциальная импульсно кодовая модуляция АДИКМ (ADPCM – adaptive differential pulse code modulation). Этот вид импульсно кодовой модуляции был стандартизован ITU T и используется во многих приложениях, включая цифровые сети с коммутацией каналов, такие как ISDN, и при реализации многих беспроводных абонентских линий связи. 9

10

Адаптивная дифференциальная ИКМ Производительность схемы DPCM можно повысить, если использовать адаптивные методы предсказания и квантования, которые позволят предсказателю и устройству квантования адаптироваться к изменяющимся характеристикам кодируемой речи. 11

12

Дельта-модуляция Для улучшения производительности импульсно кодовой модуляции или для упрощения этого вида кодировки могут использоваться различные методики. Одной из наиболее популярных альтернатив является дельта модуляция (delta modulation – DM). 13

14

Кодер речи С возникновением электрической связи ученые и инженеры начали неустанный поиск способов компактного представления данных, то есть хранения и передачи информации меньшим потоком цифровых данных или в более узком частотном диапазоне. Весьма важное место в технике связи занимает передача речи. Поэтому понятно стремление представить речь в возможно более компактной форме. Сжатие речи при ее передаче сокращает объем передаваемых данных, затраты и, благодаря этому, позволяет снижать цены на услуги и привлекать новых пользователей. Именно поэтому рынок цифровой телефонии развивается под непосредственным технологическим диктатом ученых и разработчиков кодеков речи. 15

Задача различных способов получения цифрового сигнала ИКМ, ДМ, – максимального точно передать информацию о форме сигнала. Именно поэтому эти методы кодирования называют кодированием формы. Задача вокодерной обработки другая обеспечить, чтобы восстановленный сигнал звучал как можно более сходно с исходным сигналом. Принципиальное отличие вокодерного кодирования от кодирования формы состоит в том, что по каналу связи передают не сам сигнал, а параметры модели его образования. На приемном конце восстанавливаемый сигнал синтезируют. 16

а ) б) Рис. 2. 22 Временное а) и спектральное б) представление речевого сигнала, соответствующего гласному звуку «и» 17

а) б) Рис. 2. 23 Временное а) и спектральное б) представление речевого сигнала, соответствующего согласному глухому звуку «с» 18

После сегментации 160 отсчетов сигнала повергают процедуре кратковременного или формантного анализа. Его проводят, как уже отмечалось, с использованием процедуры линейного предсказания. При этом оценку текущего отсчета определяют как сумму p предшествующих отсчетов где ak коэффициенты предсказания. При формантном анализе порядок предсказания р выбирают равным 8 12. (2. 28) Разность между истинным и предсказанным значением отсчета определяет ошибку предсказания или первый остаточный сигнал: 19

S(t) Дискретизация, квантование и S(n) сегментация Формантный анализ Фильтр удаления формант A 1(z) r 1(n) Анализ основного тона Фильтр удаления осн. тона A 2(z) r 2(n) Аппроксимация 2 -го остаточного сигнала Му льт ипл екс ор Цифровой сигнал Этап кратковременн долговременно аппроксимации ого анализа 2 -го остаточного сигнала Рис. 2. 24 Структура кодера с линейным предсказанием 20

Де му льт ип лек сор Фильтр Генератор r 2 ВОС(n) восстановл r 1 ВОС(n) восстановл возбуждеосн. тона формант H 2(z) H 1(z) ния SВОС(n) ЦАП И ФНЧ SВОС(t) Рис. 2. 25 Структура декодера речи с линейным предсказанием 21

Индекс алгебраической кодовой книги (k) Задержка периода основного тона (Т) Предсказание усиления и векторное квантование Коэффициенты усиления Входной цифровой сигнал Демультипл ексор Предыдущий сигнал возбуждения Коэффициенты линейного предсказания gp Адаптивная кодовая книга Синтезирующий фильтр с большой постоянной времени P 1(z) Алгебраическая Выходной Синтезирующий фильтр речевой сигнал с малой постоянной времени [H 1(z)] 1 gc кодовая книга Рис. 2. 26 Структурная схема декодера речевого сигнала 22

Полученные при этом оптимальные параметры синтезатора кванту ются и передаются в канал связи. Обработка сигналов в кодере и декодере производится по блокам. Длительность основного блока составляет 30 мс, что соответствует 240 отсчетам при частоте дис кретизации 8 к. Гц. Для каждого такого блока формируется кадр передаваемой в канал связи инфор мации объемом 137 бит, что обеспечивает скорость передачи информации 4567 бит/с. Оценка значений коэффициентов линейного предсказания выполняется один раз на всем блоке, а оптимизация остальных параметров синтезатора выполняется на сегментах длительностью 60 отсчетов, т. е. 4 раза на блок. Поразрядное распределение информации в передаваемом кадре приведено в таблице 2. 5. Таблица 2. 5 Поразрядное распределение информации в кадре речевого кодека 1 й 2 й 3 й 4 й Всего в Параметр сегмент Коэффициенты линейного предсказания кадре 26 Период основного тона 8 5 5 5 23 Индекс алгебраической кодовой книги 16 16 64 Коэффициенты усиления 6 6 24 Всего 137 23

24

Таблица 2. 6 Усредненная оценка разборчивости речи (MOS) Качество Недостатки Оцен ка 5 Отличное Незначительные 4 Хорошее Еле ощутимые, но не раздражающие 3 Достаточное Ощутимые и слегка раздражающие 2 Плохое Раздражающие, но не неприемлемые 1 Неудовлетвор Очень раздражающие ительное (неприемлемые) 25