3.1.1 RPE –LTP –кодер на 16 кбит/с
В 1990 г. предполагалось ввести в эксплуатацию Европейскую цифровую подвижную систему радиосвязи, в которой будет использоваться кодирование речевого сигнала со скоростью 16 кбит/с. Разработка кодера производилась в 7 Европейских странах, а также в США и Канаде. Были разработаны следующие системы: адаптивное дифференцирование ИКМ –ADPCM; адаптивное кодирование преобразованием – APC; кодирование с линейным предсказанием с возбуждением от остатка – RELP–LPC; кодирование с линейным предсказанием с возбуждением от регулярных импульсов – RPE-LPC; кодирование с линейным предсказанием с многоимпульсным возбуждением – MPE-LPC, субполюсное кодирование –SBC –APCM.
В конце разработки были проведены сравнительные испытания всех кодеров. Испытания проводились на 7 языках. В результате испытаний были отобраны два кодера: RPE (Regular–Pulse Excitation) - линейное предсказание с возбуждением от регулярных импульсов с долговременным предиктором LTP (Long Term Predictor) и MPE–LTP -линейное предсказание с многоимпульсным возбуждением с долговременным предиктором LTP.
|
|
RPE – алгоритм предполагает, что сигнал остатка в линейном предсказании представляется последовательностью прореженных регулярных импульсов, но с большим числом импульсов в кадре, чем в многоимпульсном возбуждении MPE. RPE кодеры менее сложные, однако качество речи при их использовании недостаточно хорошее из-за наличия в сигнале тонального шума, который получается в речевом сигнале в процессе высокочастотной регенерации. В противоположность RPE–кодеру, кодер с многоимпульсным возбуждением MPE создает отличное качество речи, но является достаточно сложным. Компромиссом между этими двумя вариантами является RPE–LTP кодер, т. е. линейное предсказание с возбуждением от регулярных импульсов и с долговременным предиктором - LTP. В передающей части кодера производится кратковременный LPC анализ, долговременный LTP анализ и кодирование регулярных импульсов RPE –кодером (рис. 3.1).
Коэффициенты отражения кратковременного предсказания получают по методу Берга для РФ 8-го порядка. В кратковременном LPC анализе производится выделение коэффициентов отражения , преобразование их в коэффициенты логарифма площади (log-area-ratios), кодирование и передача их на прием. Коэффициенты квантуют следующим образом: при i равном 1 и 2; 3 и 4; 5 и 6; 7 и 8 число бит на коэффициент соответственно равно 6; 5; 4; 2. Итого, на 8 коэффициентов отводится 36 бит в кадре длительностью 20 мс.
Рисунок 3.1 - Структурная схема кодера на 13 кбит/с
В приемнике коэффициенты вновь преобразуются в коэффициенты отражения , которые затем используются для формирования инверсного решетчатого фильтра. На выходе кратковременного LPC –анализатора появляется сигнал остатка, который поступает на долговременный LTP –анализатор.
|
|
Долговременный предиктор LTP размещается после кратковременного. Делается это для устранения периодичности, которая еще сохраняется в сигнале остатка кратковременного предиктора. Такое размещение предикторов является наиболее приемлемым с точки зрения получения лучшего качества речи. Долговременный предиктор характеризуется выражением
.
Коэффициенты отражения долговременного предсказания определяются также методом Берга для РФ 3-го порядка. На передачу каждого коэффициента отводится 3 бита в кадре. Коэффициенты предсказания предиктора определяются путем минимизации энергии остатка предсказания.
Взвешивающий фильтр с передаточной функцией используется для корректировки формантных областей в спектре остатка предсказания относительно уровня шума квантования. Осуществляется это путем выбора g. Оптимальное значение g определено путем прослушивания. Оно оказалось равным 0,7 … 0,9. При этом воспринимаемое значение шума квантования становится минимальным. Длительность импульсной характеристики составляет 11 выборок, при частоте дискретизации 8 кГц. Значения импульсной характеристики для соответствующих выборок с индексом представлены в таблице 3.1.
Таблица 3.1 - Значения импульсной характеристики
5(=7) | 4(=8) | ||
1,000000 | 0,700790 | 0,250793 | |
2(=9) | 2(=10) | 1(=11) | |
0,000000 | -0,045649 | -0,016356 |
Выход взвешивающего фильтра для каждого субкадра, длительностью 5 мс является , где номер выборки сигнала в субкадре с частотой дискретизации 8 кГц.
В соответствии с RPE алгоритмом, для уменьшения количества передаваемых дискретных отсчетов процесса, он подвергается предварительной обработке. Дискретизированные с частотой 8 кГц отсчеты речи разбиваются на кадры, длительностью 20 мс, и 4 субкадра по 5 мс. Субкадры процесса на выходе НЧ фильтра, длительностью 5 мс и состоящие из 39 отсчетов, подвергается децимации (прореживанию) в соотношении 1:3. В результате получаются три выборки по 13 импульсов в каждой. Фазы этих последовательностей сдвинуты друг относительно друга на одну выборку (0,125 мс) (рис. 3.2).
Далее производится выбор номера одной из этих трех последовательностей, обладающей с максимальной энергией, т. е. . В выбранной последовательности определяется импульс с максимальной амплитудой (масштабный) импульс . В каждом 5 мс субкадре на передачу номера последовательности с максимальной энергией затрачивается 2 бита, а на передачу - 6 бит. кодируется по логарифмическому закону.
Кроме того, передаются амплитуды всех 13 импульсов выбранной последовательности с максимальной энергией. При этом на передачу каждого импульса затрачивается 3 бита. На всю последовательность затрачивается бит в субкадре или бит в кадре.
На рис.3.2 приводится распределение битов по параметрам в 20 мс кадре: 8 коэффициентов ; 4 коэффициента ; 4 коэффициента ; 4 коэффициента ; 4 значения ; 4 значения всех 13 импульсов . Итого 260 бит/кадр.
Рисунок 3.2 - Пример децимации и селекции импульсов
При частоте кадров 50 Гц общая информационная скорость составляет кбит/с. Для синхронизации и защиты от ошибок в канале связи отводится 3 кбит/с.
Кодер RPE-LTP-LPC обеспечивает высокое качество речи, которое незначительно снижается при 5% ошибок в канале связи и при отношениях сигнал/помеха 26 и 18 дБ. Кодер может быть реализован на одном цифровом процессоре типа TMS320C25 с внешней памятью.
4 АНАЛИЗ РЕЧЕВЫХ СИГНАЛОВ КОДЕРОМ РЕЧИ