Преобразование речевых сигналов в цифровую форму

Область преобразования речевых сигналов в цифровую форму вследствие его интересной природы и полезности во многих применениях в последние 20 лет подвергается интенсивному изучению.

Первым шагом в превращении аналогового сигнала в цифровой является формирование последовательности дискретных моментов времени, в которые осуществляется дискретизация сигнала. Помехи наложения спектров

Если входной сигнал системы с АИМ дискретизируется с частотой fs<2BW, то исходный сигнал не может быть восстановлен без искажений. Показан процесс возникновения помех наложения спектров в речевых сигналах на примере, когда сигнал с частотой 5,5 кГц дискретизируется с частотой 8 кГц. Импульсно-кодовая модуляция

В предыдущем разделе была описана амплитудно-импульсная модуляция, при которой дискретные моменты времени отсчетов с аналоговыми амплитудами используются для извлечения информации, содержащейся в непрерывно меняющемся аналоговом сигнале. Шум квантования

Основным аспектом расчета и разработки инженерных проектов является необходимость использования аналитических характеристик качества функционирования систем.Можно предположить, что значения дискретов с равной вероятностью могут попадать в любую точку в пределах шага квантования (предполагается равномерная плотность вероятности, равная 1/q).Анализ выражений показывает, что отношение сигнал-шум мало для малых значений дискретов. Импульсно-кодовая модуляция с равномерным квантованием

Кодер с равномерными шагами квантования для всех значений дискретов создает кодовые комбинации, линейно-связанные со значениями аналоговых дискретов, т. е. численный эквивалент каждой кодовой комбинации пропорционален значению квантованного дискрета, ее образующего.

В системе с ИКМ с равномерным квантованием размер каждого шага квантования определяется требуемым ОСШК для самого малого из подлежащих кодированию уровней сигнала.

Для реализации компандера могут быть выбраны различные характеристики компрессирования-экспандирования.

Кодирование с простой линеаризацией

Успех первых систем типа Т1, применявшихся в качестве межстанционных соединительных линий на местной сети, проложил путь для дальнейшего использования цифровых систем с временным группообразованием. В дополнение к необходимости улучшить качество речи стало также очевидно, что по мере увеличения использования цифровой техники в сети становится необходимым или по меньшей мере желательным осуществлять многие операции обработки непосредственно цифровых сигналов без преобразования их в аналоговую форму.

Каждый сегмент линейно-ломаной аппроксимации делится на шаги квантования равного рамера. Размеры шагов квантования и значения декодированных дискретов выражены исходя из максимальной амплитуды сигнала, равной 8159 условных единиц, так что конечные точки сегментов и выходные сигналы декодера выражены целыми числами. Аппроксимацию кривой компандирования отрезками прямых линий иногда называют 15-сегментной аппроксимацией. Характеристики ИКМ-кодера Как уже упоминалось, основной причиной разработки модификации, пришедшей на смену каналообразующему блоку типа Д1, была необходимость получения лучшего качества речи в цифровых линиях передачи междугородной сети. Отметим, что восьмиразрядные кодеры дают улучшение приблизительно на 5 дБ по сравнению с семиразрядным кодером в области высоких уровней сигнала и еще большее улучшение в области низких уровней сигнала. Представлена теоретическая характеристика аппроксимации закона А, где она сопоставляется с характеристикой аппроксимации по закону. Адаптивная регулировка усиления

Другим методом уменьшения числа разрядов, необходимых в кодовых комбинациях ИКМ сигнала (без увеличения шумов квантования), является ограничение динамического диапазона на входе кодера. Другой режим работы предусматривает измерение уровня мощности отрезка речи и использование полученного на его основе коэффициента усиления для приспособления кодера к тому же самому отрезку речи. Избыточность речи

Как уже упоминалось в предыдущих разделах, в обычной системе с ИКМ каждый дискрет входного сигнала кодируется независимо от всех остальных. Корреляция между дискретами

Высокий коэффициент корреляции порядка 0,85 показывает, что при любой попытке существенно уменьшить скорость передачи необходимо учитывать корреляцию между соседними дискретами.Корреляция между периодами основного тона

По способам генерации звуки человеческой речи часто относят к одной из двух категорий.Неравномерный усредненный спектр

Виды избыточности во временной области, описанные в предыдущих разделах, указывают на такие характеристики в частотной области, которые можно в определенной мере использовать для уменьшения скорости передачи кодированного сигнала.Кратковременный спектр

Спектр речи усреднен за большой период времени. Дифференциальная импульсно-кодовая модуляция

Дифференциальная импульсно-кодовая модуляция (ДИКМ) специально разработана для реализации преимуществ, которые дает использование корреляции между дискретами в типовом речевом сигнале. Варианты реализации ДИКМ

Кодеры и декодеры дифференциальной ИКМ могут быть выполнены множеством способов в зависимости от разделения функций обработки сигнала между аналоговыми и цифровыми цепями. Дельта-модуляция (ДМ) представляет собой еще один способ аналого-цифрового преобразования, при котором специальным образом используется корреляция между дискретами в речевом сигнале. Перегрузка по-крутизне

При работе дельта-модулятора кодированный сигнал никогда не отстоит от входного сигнала более, чем на размер шага. Однако иногда дельта-модулятор не в состоянии отслеживать быстрые изменения во входном сигнале и вследствие этого кодированный сигнал может отстать от входного более, чем на размер шага. Линейная дельта-модуляция

В наиболее простом дельта-модуляторе используются шаги постоянного размера для всех уровней сигнала, поэтому он называется равномерным, или линейным дельта-модулятором. Вследствие этого системы с ИКМ дают лучшее качество при высоких скоростях передачи, а дельта-модуляторы — при низких скоростях передачи около 40 кбит/с.Отметим, что высокая частота дискретизации дает очень тонкое разрешение для момента времени, когда сигнал пересекает границу квантования. Слоговое командирование

Существенным свойством методов компандирования, описанных для систем с ИКМ, является то, что они рассчитаны на мгновенный охват всего динамического диапазона кодера в течение каждого дискрета. Адаптивная дельта-модуляция

Многочисленные исследователи предложили и изучили большое число различных алгоритмов адаптации размера шага в дельта-модуляторе. Кроме автоматического уменьшения напряжения шага интегратор с утечкой устраняет также долговременный эффект влияния ошибок в канале на приемной стороне. Кодирование с адаптивным предсказанием

Алгоритмы кодирования, рассмотренные выше (ИКМ и дельта-модуляция) относительно просты в реализации, но требуют значительно большей полосы передачи, чем полоса аналоговых сигналов, которые они кодируют. Кодирование с разделением на полосы

Кодер с разделением на полосы представляет собой один из видов кодера, в котором используется анализ входного сигнала в частотной области вместо анализа во временной области, как в описанных выше кодерах. Вокодеры

По большей части алгоритмы кодирования (декодирования), описанные выше, предназначены в первую очередь для воспроизведения формы входного сигнала с максимально возможной точностью. Канальный вокодер

Канальные вокодеры были впервые разработаны в 1928 г. Г. Дад-ли. Формантный вокодер

Мгновенный энергетический спектр речи редко занимает сразу всю полосу ТЧ (от 200 до 3400 Гц)В противоположность этому кодеры с предсказанием, упомянутые выше, основывают свое предсказание только на измерениях прошедшего сигнала (задержанная оценка Соображения по выбору кодера (декодера)

В этой главе описано несколько способов цифрового преобразования сигналов речи и показано, что возможно также множество других вариантов и типов. Из соображений удобства часто используют синусоидальные колебания. Скорости передачи

При рассмотрении скоростей передачи для различных типов кодеков Флэнаган и другие [7] описали три обобщенные категории качества: качество переприемного участка, качество канала связи и синтетическое качество.Форматы кодированных сигналов и структура цифрового сигнала

Форматы кодированных сигналов в первую очередь являются предметом рассмотрения при передаче и коммутации, где существование структур, ориентированных на кодовые комбинации или блоки битов, требует цикловой синхронизации в цифровом потоке. Требования хронирования

Как уже упоминалось в начале этой главы, первый шаг в цифровом преобразовании речевого сигнала состоит в дискретизации сигнала через одинаковые временные интервалы. Задачи

Предположим, что сигнал состоит из трех синусоидальных колебаний: первое — с частотой 1 кГц, второе — с частотой 10 кГц и третье — с частотой 21 кГц. Система ИКМ с равномерным квантованием предназначена для кодирования сигналов в диапазоне от —8159 до +8159 с шагами квантования, равными 2. (Шаг квантования в начале координат простирается от —1 до +1.)