Кодирование формы РС во временной области на принципах икм, дифференциальной икм и дельта-модуляции (ДМ). Ошибки и динамический диапазон квантования.

Цифровое представлениеРС основано на сохранении его формыв процессе дискретизации и квантования. В этом методе используются три основных способа кодирования: импульсно-кодовая модуляция (ИКМ), дифференциальная ИКМ (ДИКМ),адаптивная дифференциальная ИКМ (АДИКМ) и дельта-модуляция (ДМ) [3, 26].

Системе ИКМ соответствует цифровой сигнал с выхода АЦП, поэтому в нем сохраняется вся избыточность аналогового PC.

Чаще всего кодирование заключается в записи номера уровня в двоичной системе счисления. В цифровых системах связи и вещания распространены симметричные коды, характеризуемые тем, что первый символ (старший значащий бит) кодовой комбинации определяется полярностью кодируемого отсчета сигнала, а остальные символы несут информацию об абсолютном значении отсчета. Необходимое число разрядов для кодирования при заданном максимальном числе уровней шкалы квантования определяется из выражения [26].

Число двоичных разрядов АЦП РС обычно выбирается равным = 8, включая знаковый разряд. Поэтому диапазон чисел на выходе АЦП составляет от –127 до +127. В результате на выходе АЦП формируется последовательность 8-разрядных кодовых слов, следующих с частотой 8 кГц. Следовательно, цифровая скорость передачи сигнала на выходе АЦП составляет

[кбит/с].

Эта величина представляет собой информационный объем цифрового представления PC (система ИКМ-64), который необходимо учитывать при его передаче или хранении [3, 26].

На приемной стороне линии цифровой передачи в декодере битовый поток восстанавливается и воссоздаются величины квантованных дискретов. Затем для восстановления исходной формы сигнала используется ФНЧ. Декодер и ФНЧ образуют цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП). Если ошибок в передаче не было, то сигнал на выходе идентичен входному за исключением шума квантования (искажения в результате квантования: разности между величиной дискрета и ее квантованным представлением).

Искажения (шум) квантования, возникающие при преобразовании аналогового РС в цифровую форму, обычно выражаются в виде отношения средних мощностей сигнала и шума, т.е. отношения сигнал-шум(ОСШ)квантования: [26, 35].

Анализ этой формулы показывает, что каждое добавление одного разряда в кодовое слово улучшает ОСШ на 6 дБ. Это является особенностью ИКМ, так как ни один другой метод АЦП не позволяет так заметно улучшать помехозащищенность за счет небольшого увеличения скорости передачи [26].

При передаче сигналов для обеспечения всем абонентам одинакового качества часто стремятся сделать постоянной относительную ошибку квантования. Это достигается путем использования неравномерного распределения уровней квантования в процессе мгновенного компандирования, когда на передающей стороне PC подвергают компрессии по логарифмическому закону, а на приемной осуществляют обратную операцию – экспандирование с помощью экспоненциального преобразования [12, 26].

ДИКМ и дельта-модуляция (ДМ) специально разработаны для реализации преимуществ, которые дает использование корреляции между дискретами в РС. Наличие корреляции означает, что сигнал изменяется медленно и разность между соседними отсчетами будет иметь меньшие значения, чем исходный сигнал. Поскольку диапазон разностей значений дискретов меньше диапазона самих значений дискретов, для кодирования значений разности потребуется меньше разрядов.

Простейшими средствами получения разности значений дискретов являются запоминание предыдущего входного дискрета непосредственно в аналоговой памяти и использование аналогового вычитающего устройства для измерения изменения (рис. 6.1) [26]. Изменения сигнала затем квантуются и кодируются для передачи.

 

Рис. 6.1. Структурная схема системы ДИКМ

 

Сигнал разности после дискретизации квантуется при ДМ только по знаку (полярности), а при ДИКМ – и по знаку, и по величине, после чего формируются двоичные символы (кодовые слова) цифрового сигнала.

Таким образом, в дифференциальных кодеках квантованию и передаче по цифровому каналу подвергается разность между текущим отсчетом (выборкой) PC и его предсказанным значением.

Шум квантования при подаче на вход квантователя будет меньше, чем при обычном квантовании (ИКМ). При одинаковом уровне шума число уровней квантования будет меньше, а значит, длина двоичного кодового слова и необходимая скорость передачи будут снижены [3].

На приемной стороне из принятого цифрового сигнала аналогичным образом формируется квантованный аппроксимирующий сигнал, который после ФНЧ и усиления поступает на выход системы.

Дельта-модуляция фактически может рассматриваться как особый случай ДИКМ, когда используется только один разряд на отсчет разностного сигнала. Этот единственный разряд показывает полярность отсчета разностного сигнала и посредством этого указывает на то, увеличился или уменьшился сигнал за время, прошедшее после последнего отсчета. В системах с ДМ частота дискретизации выбирается во много раз больше, чем в системе с ИКМ. В результате соседние отсчеты оказываются в большой степени коррелированными.

В простейшем случае линейной ДМ квантователь имеет только два уровня и фиксированный шаг квантования, а предсказатель представляет собой цифровое интегрирующее устройство, в котором сигнал задерживается на такт и умножается на коэффициент а, где 0 < < 1.

Иногда дельта-модулятор не в состоянии отслеживать быстрые изменения во входном сигнале. Когда это случается, возникает «отставание» восстановленного сигнала от исходного, характеризуемое как искажения перегрузки по крутизне [3, 27].

Рис. 6.2. Искажения перегрузки по крутизне при ДМ

Ошибки квантования (шумомдробленияили гранулярный шум) можно уменьшить, выбирая меньший шаг. При медленном изменении сигнала искажения обусловлены только шумом квантования. Но при быстром изменении сигнала ДМ-квантователь с мелким шагом просто не будет успевать подстраивать напряжение на выходе, и будет наблюдаться «перегрузка по наклону». Как показано на рис. 6.2, для медленно меняющихся сигналов основное значение имеет гранулярный шум, в то время как для быстро меняющихся сигналов – искажения перегрузки по крутизне.

Таким образом, приходится искать компромисс.

Перегрузка по крутизне является не только ограничивающим фактором для системы с ДМ, но и проблемой, присущей любой системе, когда кодируется разность значений соседних отсчетов. Поэтому для снижения погрешности передачи при ДИКМ и повышения эффективности ДМ (снижения ) параметры квантователя и предсказателя должны быть согласованы со статистическими характеристиками PC. Следовательно, как квантователь, так и предсказатель должны быть адаптивными. В этом случае речь идет об адаптивной ДИКМ (АДИКМ)

4. Система прерывистой передачи речи (DTX) и детектор активности речи (VAD) с обработкой в частотной области. Формирование комфортного шума и интерполяция фрагментов речи.

Перед поступлением в канал связи выходная информация кодера речи подвергается дополнительно канальному кодированию.

В декодере речи выполняются операции, обратные операциям кодера.

Обработка речи осуществляется в рамках принятой системы прерывистой передачи речи (DTX), которая обеспечивает включение передатчика только тогда, когда пользователь начинает разговор и отключает его в паузах и в конце разговора.

Статистические измерения показывают, что в процессе диалога речевая активность абонента составляет в среднем около 40 % длительности обмена. Другими словами, в дуплексном режиме переговоров каждый участник говорит менее 50 % времени. Этот факт позволяет примерно в два раза снизить речевую нагрузку в сети за счет формирования и передачи речевых пакетов, соответствующих только активному состоянию абонента. Устройства, реализующие процедуру обнаружения пауз в речи, называются обнаружителями пауз (обнаружителями речи) или детекторами активности речи (VAD). Для обеспечения требуемой точности работы этих устройств используется кодирование кратких перерывов в диапазоне 0...320 мс при неравномерной шкале квантования вида. При этом требуется всего три бита служебной информации на пакет [3, 27].

При использовании VAD во время пауз в речи можно также допустить передачу неречевых данных или предоставлять канал связи для передачи других переговоров. Передатчик может также выключаться для сокращения интерференции на соседних каналах и для сохранения энергии аккумуляторных батарей AT. Эффективность таких систем зависит от алгоритма VAD, который работает на фоне внешних шумов, типичных для СПР.

В кодеках вокодерного типа задача построения обнаружителя речи существенно облегчается благодаря формированию признака «тон-шум».

В системе GSM применяется схема VAD с обработкой в частотной области (рис. 8.2). VAD выявляет отличия спектральных характеристик входного воздействия от спектра фонового шума. Это осуществляется инверсным фильтром, коэффициенты которого устанавливаются применительно к воздействию на входе только фонового шума.

При наличии на входе речи и шума инверсный фильтр осуществляет подавление компонентов шума и снижает его интенсивность. Энергия смеси сигнала и шума на выходе инверсного фильтра сравнивается с порогом, который устанавливается в период воздействия на входе только шума. Этот порог находится выше уровня энергии шумового сигнала. Превышение порогового уровня принимается за наличие на входе реализации сигнал + шум. Исходными данными для работы алгоритма VAD являются коэффициент автокорреляции и четыре коэффициента запаздывания долгосрочного предсказателя. Решение VAD принимается для каждого сегмента в конце текущей последовательности процессов обработки.

 

 

Рис. 8.2. Структурная схема VAD с обработкой в частотной области

 

Основной проблемой DTX является потенциальное снижение качества речи, поскольку речь может идентифицироваться как шум. При использовании VAD возможны такие нежелательные явления: разрывы в речи и возможность того, что шум будет неправильно идентифицирован как речь.

В случае, когда VAD используется для включения и выключения передатчика, шумы на стороне приемника могут изменяться. Это связано с тем, что когда передатчик включен, фоновый шум передается вместе с речью. Однако, когда речь заканчивается, передатчик выключается, что приводит к снижению фоновых шумов до очень низкого уровня. Это случайное изменение в уровне шумов неприятно для слушателя и может снизить разборчивость в случае с обычно высоким уровнем шумов.

Способ уменьшения этого эффекта состоит в генерации комфортного шума на стороне декодера на время выключения передатчика. Этот шум должен быть похож на натуральный на стороне передатчика, поэтому передатчик периодически передает информацию о среднем уровне фона на приемник, чтобы точно воссоздать фоновый шум.

Когда на входе есть речь, передатчик постоянно включен. Во время пауз передатчик выключается, но после определенного времени, которое должно быть достаточно коротким, передатчик снова включается на время одного сегмента речи, чтобы передать информацию о среднем фоне для точного генерирования в приемнике комфортного шума. На приемной стороне, если определено наличие речи, происходит нормальный синтез. Если определено наличие паузы, выполняется одно из двух действий. Если не передается новой информации о фоне, используются существующие параметры шума, генерируется комфортный шум и используется для текущего фрейма. Обычно на стороне декодера также используется индикатор «хороший – плохой» сегмент, чтобы показать, верны или нет декодированные параметры, и если нет, используется замена сегмента [27].

5. Функциональные преобразования РС: ограничение по частоте и частотные предыскажения; ограничение по амплитуде и компандирование (слоговое и мгновенное) РС. Шумоподавление в паузах.