Введение к работе
Актуальность темы.
В настоящее время наблюдается устойчивая тенденция роста потребностей индивидуальных и коллективных пользователей в предоставлении каналов связи для передачи речевой информации. Следовательно, необходимо постоянно увеличивать число каналов передачи и эффективность их использования, сохраняя высокую достоверность (точность) передаваемых сообщений.
Разрабочики устройств и систем переда-,и сталкиваются с дефицитом отведенных для этой цели частотних диапазонов. Поэтому актуальной является задача низкоскоростной и достоверной передачи речевой информации меяду подвиїмши абонентами. На сегоднявний день в области цифровой передачи речи достигнуты значительные результаты на базе развития общего направления "кодирование с предсказанием". Такими результатами являются серийный выпуск однокристальных кодеков для передачи речи со скоростью 32 кбит/с в соответствии с Рекомендацией Є.72І ССІТТ. принятые стандарти меа-дународных организаций для передачи речи со скоростью 15 кбит/с. а такяе Федеральный стандарт Ш для систем подвияной радиосвязи, работавших со скоростью 4,8 кбит/с.
Ведущие научные лаборатории и исследовательские подразделения ряда фирм проводят интенсивные исследования по разработке многоскоростных перестраиваемых кодеков и стандартов для скоростей 2,4 - 9,6 кбит/с в локальных сетях и сетях обчего пользования.
Поэтому задача разработки и исследования кодека для передачи речи в системах подэи«ной радиосвязи со скоростями 4.8 - 9,6 кбит/с актуальна и имеет большое практическое значение.
Цель работы и задачи исследований,
Цельэ диссертационной работы является разработка эффективного кодека речи для скоростей 4.8 - 9,8 кбит/с на оснсеа алгоритмов линейного предсказания и гксперяйенмдыюго нссяздовакиа иа-форяацкошшх евзйств скгиала овибки предсяагзяйа (CQSh &зя достижений этой цели 5 диссертации рвве»тся слкаукіле ЗМзЗД".
- срзззеёке аіігорнтйоз -еафэктаного кадкротж'я prn> ^ ско-
- 4 -ростьв 16 кбит/с для выбора перспективного направления разработки;
исследование информационных свойств СОП в кодеках речи и разработка ее модели, допускающей дополнительное сокращение избыточности речи;.
разработка метода квантования СОП на основе модели;
разработка алгоритмов нелинейного предсказания речевого сигнала, позволяющих формировать ошибку предсказания с благоприятными для кодирования свойствами;
экспериментальное исследование характеристик разработанного алгоритма кодирования речи;
анализ возмоїностєй технической реализации нового кодека.
Состояние вопроса.
В настоящее время алгоритмы эффективного кодирования речи в подавлявшем большинстве основаны на линейном предсказании и методах дополнительной обработки СОП. В существующих методах воплоце-ны различные методы квантования параметров предсказания и СОП. Общепризнанным объективным критерием качества передачи речи,, как и других непрерывных сообщений, является критерий минимума сред-неквадратической овибки (СКО). Вместе с тем, при разработке кодеков, работающих на скоростях ниіе 9,6 кбит/с, исследователи сталкиваются с резким снивением качества восстановленного сигнала по критерию СКО, что обусловлено, во-первых, небольвим количеством уровней квантования, а во-вторых, несовервенством используемых математических моделей речевого сигнала. Следует отметить такяе, что критерий СКО не отракает свойства слухового восприятия и, следовательно, такое снияение показателя допустимо. Одновременно используется ряд объективных критериев качества, основанных на количественной мере близости спектров и кепстров исходного и восстановленного сигналов, а такге на взаимной корреляции мевду сигналами. Однако синтез устройств кодирования-декодирования, основанный на таких критериях весьма затруднителен. Поэтому на основании критерия минимума СКО разрабатывавтся практически все кодеки, предназначенные для передачи речи со скоростьв 4,8 - 9,6 кбит/с.
Основными факторами, затрудй'яящимк эффективное кодирование речи простыни средствами, являются существенная нестационарность речевого сигнала и отличие его функции распределения вероятностей (ШЬ) от Гауссовской. Влияние первого Фактора учитывают обычно
- 5 -принятием допущения локального постоянства статистических характеристик речевого сигнала на коротких временных интервалах в 20 -30 bs. Второй фактор заставляет разработчиков идти по следувцему пути: поскольку оптимального реіения для негауссовской ФПВ нет и получить довольно трудно, разработка новых алгоритмов идет по направленно изучения информационных характеристик оаибки линейного предсказания и поиска новых ее моделей и алгоритмов кодирования.
Суцествует несколько главных направлений такого пути:
векторное квантование СОП:
фильтрация и квантование прореженной овибки предсказания:
создание кодовых книг для СОП с выбором кода по цепи обратной связи.
Во всех направлениях кодирования не учитывавтся информационные характеристики СОП. В настоящей работе выполнено изучение этих характеристик и предлагается новы^. алгоритм кодирования СОП.
Методы исследования.
Исследования, проведенные в настоящей диссертационной работе выполнены методами теории вероятностей и математической статистики, функционального анализа, теории выбора и принятия реіений, теории информации и статистической радиотехники. В работе виро-чайшим образом применен метод моделирования на ЗВН и методы цифровой обработки сигналов. Невинные экспериментальные исследования проводились на ЭВМ типа IBM PC AT на основе программного обеспечения, разработанного и отлаженного автором.
Научная новизна.
-
Выполнено экспериментальное сравнение различных алгоритмов кодирования речи со скоростьп 16 кбит/с для выбора перспективного направления исследований.
-
Экспериментально установлено, что СОП представляет собой последовательнисть некоррелированных блоков отсчетов различной длины, допусканих различило точность квантования.
-
Предложена новая модель источника СОП. учитывавшая его блоковую структуру. Оценена избыточность нового источника.
-
Разра'отакн нелинейные алгоритмы предсказания речи, учя-тиЕЗЕзяз дередкезодз ФПВ.
-
РазраЗотгя яозмй аягорнтк перавнсдорногз ;;л<теогй кодирования Ш.
- Б -
Основные полокения, представленные к защите:
-
Результаты экспериментального сравнительного исследования кодеков для передачи.речи со скоростью 16 кбит/с.
-
Модель источника сигнала ошибки предсказания, представляючую последовательность некоррелированных блоков отсчетов различной длины.
-
Оценка избыточности сигнала ошибки предсказания.
-
Нелинейные алгоритмы предсказания речи, учитывайте условные ФПБ.
-
Алгоритм неравномерного блокового кодирования СОП.
-
Результаты исследования кодека речи со скоростью 4,8-9,6 кбит/с.
Личный вклад.
Все результаты, представленные в работе, получены автором лично.
Практическая ценность.
-
Показано, что при скорости передачи 18 кбит/с кодеки стандартов INMARSAT-B и GSH CCIR обеспечивают SNR в среднем на 3 dB выше, чем кодеки ДМ и АДИКМ.
-
Ястановлено, что избыточность сигнала ошибки предсказания в кодеке GSM CCIR составляет 0,67.
-
Экспериментально показано, что разработанный алгоритм векторного квантования СОП обеспечивает SNR 12 dB при слабой зависимости от начальных условий обучения кодовых книг.
-
При акустической помехе на входе кодека в диапазоне SHRaK от 20 до 8 dB SNR на выходе изменяется в пределах 12...5 dB.
-
Б отсутствии акустических помех кодек обеспечивает 1 класс качества по ГОСТ 16600-72.
Апробация работы.
Результаты исследований докладывались ежегодно на конференциях болгарских аспирантов в СССР "Актуальные проблемы современной науки" с мевдуиародным^частием и конференциях профессорско-преподавательского состава ИТУСЙ, а также на И Научно-технической конференции молодых ученых, специалистов и студентов "Формирование и обработка радиотехнических сигналов" в Черноголовке -1989г. Вколы-сеиинара РТЙ АН СССР им.Минца в Новороссийске б
1991г, 17 сенинаре "Автоматическое распознавание слуховых образов" (АРСО - 17) Иеєвск, 1992. международной сишіозиуке в Терно-поле, Украйна, 1992.
Публикации.
По теме диссертационной работа опубликовано б печатных работ и депонировано 2 доклада в ЦИНТИ - г.София. Болгария.
Структура диссертации.
Похожие диссертации на Исследование и разработка кодека для низкоскоростной цифровой передачи речи в системах подвижной радиосвязи
