Вокодеры с линейным предсказанием (стр. 3 из 9)

Коэффициенты предсказания, значения которых передаются по каналу связи на приемную сторону, используются в качестве переменных параметров в рекурсивном цифровом фильтре, на вход которого подаются сигналы возбуждения. При воспроизведении вокализованных звуков (гласных) – это последовательность импульсов с частотой основного тона, а при воспроизведении невокализованных звуков (согласных) – это случайная последовательность импульсов, формируемых генератором шума.

При кодировании с линейным предсказанием моделируются различные параметры человеческой речи, которые передаются вместо отсчетов речевого сигнала или их разностей. Это позволяет существенно снизить скорость передачи речевого сигнала по сравнению с методами ИКМ, ДИКМ, АДИКМ.

Рис.6.Структура синтезатора речи с линейным предсказанием.

Широко применяемый в настоящее время метод кодирования с линейным предсказанием предусматривает формирование блоков отсчетов (кадров), для каждого из которых вычисляется и передается частота основного тона, его амплитуда и информация о типе возбуждающего воздействия (гармоническое, негармоническое). Структура синтезатора речи с линейным предсказанием показана на рис. 6.

Здесь сигналы возбуждения имеют вид последовательности импульсов на частоте основного тона (для вокализованных звуков) или случайного шума (для невокализованных звуков).

Комбинации спектральных составляющих речи, возникающей, в частности, за счет работы голосовых связок, языка и губ человека, могут быть промоделированы цифровым фильтром с изменяющимися параметрами.

При линейном предсказании обычно производится спектральный анализ речи и выполняется построение систем анализа-синтеза. Во всех случаях параметры синтезатора обновляются при смене анализируемых кадров речевого сигнала.

Чтобы избежать эффектов, связанных со скачками значений параметров, необходимо плавно изменять параметры с помощью интерполяции при переходе от одного фрагмента (сегмента) речи к другому.

При кодировании речевых сигналов по методу LPC обычно применяют метод анализа через синтез (Analysis – by – Synthesis (AbS)).

Рис.7.Иллюстрация метода анализа через синтез (AbS), где:

а) кодер

б) декодер (l’(h) значение Pic для момента h, полученное после декодирования)

При этом синтезатор (основной элемент декодера речевого сигнала) используется как составная часть устройства кодирования (рис.7). На основе формируемых данных производится синтез речевого сигнала, который сравнивается в процессе передачи с реальным сигналом, поступающим на вход устройства.

Сигнал ошибки e (h), получаемый в результате вычитания истинного и синтезированного сигналов, используется для уточнения формируемых в кодере данных.

По существу системы, использующие метод LPC, отличаются лишь способами генерирования возбуждающего воздействия и выбора параметров моделирующего фильтра.

Глава 2: Способы преобразования информации в вокодерах с линейным предсказанием.

2.1.Преобразование коэффициентов.

Основным набором передаваемых параметров в вокодере с линейным предсказанием являются М коэффициентов фильтра с характеристикой A(z) для каждого анализируемого сегмента. Эти коэффициенты действительно были использованы учеными Итакура и Саито в вокодерной системе, построенной на основе метода максимального правдоподобия, где каждый параметр кодировался с помощью 9 бит. Исследователи Атал и Ханауэр обсуждали использование коэффициентов фильтра для передачи и отметили, что требуется не только относительно высокая точность (8—10 бит на коэффициент), но, кроме того, при линейной интерполяции параметров в приемнике не гарантируется устойчивость синтезатора. Вычисляя корни A(z) и передавая их, можно восстановить информацию о спектре сигнала, заключенную в A(z), используя в среднем 5 бит на параметр. Кроме того, поскольку корни соответствуют устойчивым синтезирующим фильтрам, при их линейной интерполяции гарантируется устойчивость.

Было исследовано и много других преобразований коэффициентов фильтра. Наиболее важным преобразованием является расчет коэффициентов частной корреляции или коэффициентов отражения {k_m}. Они вычисляются непосредственно в автокорреляционном методе и могут быть получены рекурсивно с помощью процедуры пошагового понижения порядка, если используется ковариационный метод. Необходимым и достаточным условием устойчивости при этом является ограничение этих параметров единицей по модулю. Более того линейная интерполяция параметров устойчивых фильтров приводит в результате к устойчивым фильтрам.

Параметры {k_m} связаны с площадями сечений неоднородной акустической трубы {A_т}.. В качестве параметров, удобных для передачи, используются как логарифм отношения функций площадей {ln(A_т /A_т -1}, так и сами функции площадей А{_m}. Линейная интерполяция этих параметров приводит к устойчивым фильтрам.

Одним из преобразований, гарантирующих устойчивость синтезирующего фильтра после интерполяции, основано на коэффициентах автокорреляции. При корреляционном методе анализ может быть разделен на вычисление коэффициентов автокорреляции в передатчике и решение автокорреляционных уравнений в приемнике. В ковариационном методе могут быть использованы процедуры пошагового понижения и повышения порядка, , включая применение уравнения в процедуре пошагового повышения порядка получения коэффициентов автокорреляции {r(т)}. В приемнике решаются автокорреляционные уравнения, как если бы процедура была идентична автокорреляционному методу. Устойчивость синтезирующего фильтра, полученного с помощью интерполяции автокорреляционных коэффициентов, следует из того факта, что линейная интерполяция элементов двух положительно определенных теплицевых матриц дает положительно определенную теплицеву матрицу. Такая гарантия устойчивости предлагает безошибочность вычислений, поскольку ошибки при вычислениях могут исказить свойство положительной определенности матриц.

К параметрам, гарантирующим устойчивость при их интерполяции между устойчивыми сегментами, относятся корни функции А(z), параметры {k_m}, функции площади, отношения площадей, логарифм отношения площадей и автокорреляционные коэффициенты. Параметрами, для которых неустойчивость, обусловленная ошибками вычислений, может быть легко обнаружена, являются корни полинома (для обеспечения устойчивости их модули должны быть меньше единицы), параметры {k_m} (для устойчивости их модули также должны быть меньше единицы), функции площади и отношения площадей (для устойчивости их значения должны быть положительными). Ошибки вычисления логарифма отношения площадей не могут привести к неустойчивости, поскольку экспоненциальность всегда обеспечивает положительные отношения площадей.

2.2. Кодирование и декодирование.

Для вокодеров, возбуждаемых квазипериодическим сигналом, передаваемые параметры представляют собой обычно преобразования сигнала основного тона Р, коэффициента усиления а и коэффициентов фильтра {а_i}. На практике кодирование сигнала основного тона и коэффициента усиления обычно осуществляется по логарифмическому закону. Типичным является логарифмическое кодирование сигнала основного тона на 5 или 6 бит и логарифмическое кодирование коэффициента усиления на 5 бит. Основное внимание далее будет уделено коэффициентам отражения {k_i,}, представляющим собой преобразование от {a_i}, и различным нелинейным преобразованиям, поскольку их свойства недостаточно известны.

В вокодерах с линейным предсказанием широко используются коэффициенты отражения (и такие параметры, как логарифм площадей). В автокорреляционном методе они легко получаются как часть результатов анализа, а в ковариационном методе — вычисляются с помощью процедуры пошагового понижения порядка. Необходимым и достаточным условием устойчивости синтезирующего фильтра при этом является то, что значения модулей коэффициентов отражения должны быть меньше единицы. Поэтому линейная интерполяция коэффициентов отражения устойчивых фильтров гарантирует устойчивость полученных в результате интерполяции фильтров.

Коэффициенты отражения имеют неразномерную спектральную чувствительность, причем наибольшая чувствительность будет, когда модуль коэффициента близок к единице. Это свойство было теоретически доказано Грэем и Маркелом. Они показали, что в процедуре пошагового повышения порядка на т-м шаге изменение логарифмического спектра фильтра 1/A_m(z), вызванное изменением k_mна Δk_m, будет осциллировать (при изменении частоты от нуля до fJ2) между значениями

ln[1+Δk_m /(1+k_m)] и ln[1-Δk_m/(1-k_m)]

Таким образом, значения k_m, модули которых приближаются к единице, наиболее чувствительны к малым изменениям спектра. Неравномерная спектральная чувствительность была также подробно изучена Висваназаном и Макхоллом.