Кодирование речи с полной скоростью.

РЕЧЕВЫЕ КОДЕКИ ДЛЯ АБОНЕНТСКОГО ТЕРМИНАЛА СТАНДАРТА GSM

Основная задача кодера - предельно возможное сжа­тие сигнала речи, представленного в цифровой форме, - 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 системе GSM определены три стандарта кодирования речи:

• кодирование речи с полной скоростью(GSM FR);

• кодирование речи с половинной скоростью(GSM HR);

• улучшенноекодирование речи с полной скоростью(GSM EFR).

Этот тип кодирования использует модифицированный метод RPE-LTP - линейное предсказание с возбуждением регулярной последовательностью импульсов и долговременным предсказателем.

Рисунок 7.17 Блок-схема полноскоростного кодера речи в системе GSM(FR)

Основные требования к кодеру состоят в сокращении избыточности речевого сигнала и обеспечении в перерывах во время пауз передачи речи. Поэтому при передаче речи в системе GSM используется техника прерывистой передачи DTX, означающая, что каждый речевой канал активен не непрерывно.

Блок предварительной обработки кодера осуществляет предыскажение входного сигнала при помощи цифрового фильтра воспри­ятия, подчеркивающего верхние частоты, нарезание сигнала на сегменты по 160 выборок (20 миллисекунд) и взвешивание каждого из сегментов окном Хэмминга. Сигнал с выхода фильтра предыскажений подвергается анализу в соответствии с методом линейного предсказания, в результате чего определяются ко­эффициенты кратковременного линейного предсказания(STP). Полученные параметры, представляющие собой восемь коэф­фициентов отражения STP-фильтра, преобразуются в логарифмические отношения площадей (LAR), которые могут быть представлены более компактно, нежели сами коэффициенты отражения. Значения LAR в цифровой форме представляются 36 битами.

Затем найденные ко­эффициенты кратковременного линейного предсказания используются в фильтре-анализаторе STP для обработки того же самого сегмента входных отсчетов. В результате получаются 160 отсчетов остатка кратковременного предсказания сигнала.

Для дальнейшей обработки 20-мс сегмент остатка кратковременного предсказания z(n) делится на четыре подсегмента длительностью 5 мс, по 40 выборок в каждом. Каждый подсегмент последовательно обрабатывается в блоках кодера по отдельности.

Перед обработкой каждого подсегмента речевой кодер опре­деляет параметры фильтра долгосрочного предсказания(LTP) – (весовой) коэффициент предсказания g и задержку d. Операция выполняется на основе текущего подсегмента остатка STP-предсказания (см. сигнал 1 на рис.7.17) и сохраненной последовательности из трех восстановленных предше­ствующих подсегментов остатка кратковременного предсказания (см. сигнал 4 на рис.7.7). Подсегмент остатка сигнала (2), прошедшего LTP-фильтр, представляет собой разность между подсегментом приближенных значений прошедшего STP-фильтр остатка сигнала (3) и подсегментом точных STP-фильтрованных значений остатка этого сигнала (1). В результате получается субсегмент остатка долговременного предсказания. После отбрасывания по­следнего отсчета этот подсегмент направляется в блок-анализатор с возбуждени­ем последовательностью регулярных импульсов(RPE). RPE-анализатор разделяет обрабатываемый подсегмент на три последова­тельности возбуждения, каждая из которых состоит из 13 импульсов. Для этого производится децимация отсчетов и выбор сигнальной сетки (интервал следования импульсов возбуждения обычно втрое превышает период дискретизации исходного сигнала). Затем вычисля­ется энергия трех прореженных последовательностей. Последовательность с са­мой большой энергией выбирается как представля­ющая весь блок прошедших LTP-фильтр остатков.

Выбранные импульсы воз­буждения нормируются по отношению к наибольшей амплитуде и кодируется. Сдвиг сетки также кодируется и вместе со значениями импуль­сов возбуждения передается на приемник. В результате представление каждого 5-мс подсегмента производится 47-би­товым блоком.

Эти же RPE параметры подаются на блок декодирования и восстановления сетки RPE, который выдает подсегмент LTP-остатка (5). После прибавления отсчетов этого сегмента к приближенным значениям STP-остатка получают­ся реконструированные отсчеты STP-остатка, которые и направляются на вход фильтра долговременного анализа. В результате фильтрации получается новый подсегмент приближенных значений отсчетов остатка кратковременного пред­сказания, которые используются при обработке следующего подсегмента. В результате применения алгоритма кодирования 20-мс сегмент речи передается 260 битами информации, т.е. кодер речи осуществляет сжа­тие информации почти в 5 раз (1280 : 260 = 4,92), что обеспечивает цифровую скорость передачи R_ц = 64/5 @ 13 кбит/с. На рис.13.2 изображена упрощенная схема RPE-LTP-декодера. Он содержит такой же контур обратной связи, как и кодер.

В случае отсутствия ошибок пере­дачи, выходной сигнал этой части декодера восстанавливает последователь­ность отсчетов остатка кратковременного предсказания. Затем эти отсчеты направляются на вход STP фильтра-синтезатора, после чего обрабатываются бло­ком постфильтрации для компенсации предыскажений, внесенных фильтром на входе кодера. Сигнал на выходе блока постфильтрации представляет собой вос­становленные фрагменты речевого сигнала.

Рисунок 7.18 Блок-схема RPE-LTP-декодера речи