Курсовая работа - Принципы построения систем сотовой связи - файл n1.docx

Курсовая работа - Принципы построения систем сотовой связи
скачать (731 kb.)
Доступные файлы (1):
n1.docx731kb.29.05.2012 21:54скачать

n1.docx

1   ...   10   11   12   13   14   15   16   17   18

4.3 Кодирование речи.


Кодер речи является первым элементом собственно цифрового участка передающего тракта, следующим после АЦП (рис.1.4). Основная задача кодера – предельно возможное сжатие сигнала речи, представленного в цифровой форме, т.е. предельно возможное устранение избыточности речевого сигнала, но при сохранении приемлемого качества передачи речи. Компромисс между степенью сжатия и сохранением качества отыскивается экспериментально, а проблема получения высокой степени сжатия без чрезмерного снижения качества составляет основную трудность при разработке кодера. В приемном тракте перед ЦАП размещен декодер речи; задача декодера – восстановление обычного цифрового сигнала речи, с присущей ему естественной избыточностью, по принятому кодированному сигналу. Сочетание кодера и декодера называют кодеком.

Исторически сложилось два направления кодирования речи: кодирование формы сигнала и кодирование источника сигнала. Первый метод основан на использовании статистических характеристик сигнала и практически не зависит от механизма формирования сигнала. Кодеры этого типа с самого начала обеспечивали высокое качество передачи речи (хорошую разборчивость и натуральность речи), но отличались меньшей по сравнению со вторым методом экономичностью. В методе кодирования формы сигнала используются три основных способа кодирования: импульсно-кодовая модуляция (ИКМ), дифференциальная ИКМ – ДИКМ и дельта-модуляция – ДМ. ИКМ соответствует цифровой сигнал непосредственно с выхода АЦП, в нем сохраняется вся избыточность аналогового речевого сигнала. При ДИКМ эта избыточность несколько уменьшается за счет того, что квантованию с последующим кодированием и передачей по линии связи подвергается разность между исходным речевым сигналом и его предсказанным значением, а при приеме разностный сигнал складывается с предсказанным значением, полученным по тому же алгоритму предсказания. Шкала квантования может быть равномерной, неравномерной или адаптивно изменяемой; предсказание сигнала может быть не зависящим от формы последнего или же зависеть от формы сигнала, т.е. быть адаптивным. Если при кодировании сигнала используются элементы адаптации, то соответствующую разновидность ДИКМ называют адаптивной ДИКМ – АДИКМ. ДМ – это ДИКМ с однобитовым квантованием, она также может быть адаптивной (АДМ). АДИКМ находит применение, например, в беспроводном телефоне с коэффициентом сжатия сигнала около 2.В сотовой связи используется исключительно второй метод кодирования, как более экономичный, - коэффициент сжатия порядка 5...8 с увеличением его в перспективе еще вдвое.

Второй метод – кодирование источника сигнала, или кодирование параметров сигнала, – первоначально основывался на данных о механизмах речеобразования, т.е. использовал своего рода модель голосового тракта и приводил к системам типа анализ-синтез, получившим название вокодерных систем или вокодеров. Вокодерные методы на основе линейного предсказания и применяются в сотовой связи, причем зависимость этих методов от данных о механизмах речеобразования отступает на второй или даже третий план, а оценка передаваемых по линии связи параметров производится на основе статистических характеристик сигнала по жестко определенному алгоритму, как и при кодировании формы сигнала.

Суть кодирования речи на основе метода линейного предсказания заключается в том, что по линии связи передаются не параметры речевого сигнала, как такового, а параметры некоторого фильтра, в известном смысле эквивалентного голосовому тракту, и параметры сигнала возбуждения этого фильтра. В качестве такого фильтра используется фильтр линейного предсказания. Задача кодирования на передающем конце линии связи заключается в оценке параметров фильтра и параметров сигнала возбуждения, а задача декодирования на приемном конце - в пропускании сигнала возбуждения через фильтр, на выходе которого получается восстановленный сигнал речи. Различные варианты алгоритмов кодирования отличаются один от другого набором передаваемых параметров фильтра, методом формирования сигнала возбуждения и тому подобными деталями.

Метод линейного предсказания заключается в том, что очередная выборка речевого сигнала Sn с некоторой степенью точности предсказывается линейной комбинацией М предшествующих выборок:

где ai – коэффициенты линейного предсказания, М – порядок предсказания. Разность между истинным и предсказанным значениями выборки определяет ошибку предсказания (остаток предсказания):

В результате z-преобразования этого разностного уравнения получаем

где функция A(z)

интерпретируется как передаточная характеристика некоторого фильтра (инверсного фильтра или фильтра-анализатора), частотная характеристика которого обратна по отношению к частотной характеристике голосового тракта. При подаче речевого сигнала на вход инверсного фильтра на выходе фильтра получается сигнал возбуждения, подобный (с точностью до ошибок, определяемых конечностью порядка предсказания М и погрешностью оценки коэффициентов предсказания) сигналу возбуждения на входе фильтра голосового тракта.

Полученное выражение для A(z) соответствует структуре трансверсального фильтра (рис. 4.2). Порядок предсказания выбирается из условия компромисса между качеством передачи речи и пропускной способностью линии связи; практически М берется порядка 10.



Рис. 4.2. Анализирующий трансверсальный фильтр при порядке предсказания М=3

Значения коэффициентов предсказания, постоянные на интервале кодируемого сегмента речи (на практике длительность сегмента составляет 20 мс), находятся из условия минимизации среднеквадратического значения остатка предсказания на интервале сегмента.

Для этого частные производные /∂аi приравниваются к нулю, что приводит к системе М линейных уравнений с М неизвестными коэффициентами а,. Матрица системы и метод ее решения оказываются несколько различными в зависимости от того, какими свойствами наделяется речевой сигнал на интервале преобразуемого сегмента речи.

Если речевой сигнал на этом интервале считается стационарным случайным процессом (автокорреляционный метод оценки коэффициентов предсказания), то матрица системы теплицева, система решается с помощью итерационной процедуры алгоритма Дарбина, и фильтр-синтезатор получается заведомо устойчивым. Если речевой сигнал считается нестационарным процессом (ковариационный метод оценки коэффициентов предсказания), то матрица системы симметрична, но не теплицева, система решается с использованием разложения Холецкого, а для обеспечения устойчивости фильтра-синтезатора ковариационный метод приходится соответствующим образом модифицировать.

В обоих случаях (как в автокорреляционном методе, так и в ковариационном) в качестве побочного результата решения получаются значения так называемых коэффициентов отражения, или коэффициентов частичной корреляции ki, i=1,...M, число которых равно числу коэффициентов линейного предсказания аi и которые связаны с коэффициентами аi взаимно однозначными нелинейными функциональными соотношениями. Коэффициенты отражения непосредственно связаны с другой формой фильтра линейного предсказания – так называемым решетчатым, или лестничным, фильтром (рис. 4.3). Коэффициенты отражения k, более удобны, чем коэффициенты линейного предсказания аi, для передачи по линии связи, так как в силу своих статистических характеристик в меньшей степени могут приводить к потере устойчивости фильтра при квантовании. Иначе говоря, они требуют меньшего числа разрядов при квантовании, т.е. приводят к более экономичному использованию линии связи. Иногда используются также функции от коэффициентов отражения – логарифмические отношения площадей:

название которых связано с моделью голосового тракта в виде набора акустических труб различных сечений.



Рис. 4.3. Анализирующий решетчатый фильтр при порядке предсказания М=3 (e+ и e- - остатки предсказания вперед и назад)

Вернемся к выражению для A(z), определяющему передаточную характеристику фильтра-анализатора. Передаточная характеристика фильтра-синтезатора H(z) обратна ей с точностью до скалярного коэффициента усиления G:

H(z) = G / A(z) .

Синтезирующий фильтр имеет ту же структуру, что и анализирующий (инверсный), и определяется тем же набором параметров (коэффициентов предсказания аi , или коэффициентов отражения ki или логарифмических отношений площадей ri), но входы и выходы в анализирующем и синтезирующем фильтрах меняются местами. Если на вход синтезирующего фильтра подать сигнал возбуждения, то на его выходе будет получен речевой сигнал с тем качеством, которое обеспечивается фильтром при принятом порядке предсказания, используемом числе дискретов для квантования параметров фильтра и прочих ограничениях и погрешностях того же характера.



Рис.4.4. Работа кодека речи в методе линейного предсказания

Таким образом, процедура кодирования речи в методе линейного предсказания сводится к следующему (рис.4.4):

Процедура декодирования речи заключается в пропускании принятого сигнала возбуждения через синтезирующий фильтр известной структуры, параметры которого переданы одновременно с сигналом возбуждения. Подчеркнем, что как анализирующий, так и синтезирующий фильтры являются цифровыми и процедуры кодирования и декодирования речи реализуются в соответствующих вычислителях (процессорах). Сигнал на вход анализирующего фильтра поступает непосредственно с выхода АЦП, а выходной сигнал синтезирующего фильтра попадает на вход ЦАП (рис. 1.4).
1   ...   10   11   12   13   14   15   16   17   18


4.3 Кодирование речи
Учебный материал
© nashaucheba.ru
При копировании укажите ссылку.
обратиться к администрации