Кодирование речевых сигналов, страница 2

Параметры  и  выбираются таким образом, чтобы охватить весь динамический диапазон сигнала. Если функция плотности вероятности симметрична, то .

При изучении эффектов квантования полезно представить квантованный сигнал в виде суммы неквантованного сигнала и ошибки квантования (шума квантования). При равномерном квантовании ошибка квантования не превышает половины . Для изучения эффектов квантования удобно использовать следующую модель шума квантования: шум квантования является стационарным белым; шум квантования не коррелирован с входным сигналом; распределение шума равномерно в любом интервале квантования. Поскольку речевой сигнал является достаточно сложным и быстроизменяющимся процессом, то вероятность попадания двух последовательных отсчетов в различные далеко отстоящие интервалы достаточно велика. В случае же входного сигнала, близкого к постоянному уровню, принятая модель шума квантования несостоятельна.

Оценка отношения сигнал-(шум квантования) определяется выражением:

.

Данное соотношение показывает, что добавление одного разряда в кодовом слове повышает отношение сигнал-(шум квантования) на 6 дБ. Это соотношение справедливо при следующих предположениях: 1) справедлива описанная выше статистическая модель шума квантования; 2) диапазон квантования превышает размах сигнала. Первое из условий выполняется, если кодовое слово содержит не менее 6 бит. Второе условие выполняется, если кодовое слово содержит не менее 11 бит, поскольку динамический диапазон речевого сигнала при художественном чтении может достигать 40..50 дБ.

Для одного и того же диктора амплитуда речевого сигнала существенно меняется. Дисперсия на невокализованных сегментах речи может быть на 20..30 дБ меньше, чем дисперсия на вокализованных сегментах. Т.о., кратковременное отношение сигнал-шум может изменяться в значительных пределах. Для поддержания ошибки квантования на приемлемом уровне необходимо выбирать количество уровней квантования, исходя из дисперсии сигнала на вокализованных сегментах речи, т.е. на невокализованных сегментах будет наблюдаться избыток уровней квантования. Таким образом, желательно иметь устройство квантования, при котором отношение сигнал-(шум квантования) не зависит от уровня сигнала. Вместо постоянной не зависящей от уровня сигнала ошибки квантования требуется иметь постоянную относительную ошибку. Данный эффект достигается путем использования неравномерного распределения уровней квантования.

На рисунке представлена структурная схема кодирующей и декодирующей частей при использовании мгновенного компандирования.

Вместо квантования исходного сигнала для достижения постоянной ошибки квантуется логарифм сигнала. Перед квантованием осуществляется т.н. компрессия входного сигнала в логарифмическом преобразователе, а выходной сигнал после декодирования экспандируется с помощью экспоненциального преобразования.

Следовательно, отношение сигнал-(шум квантования) не зависит от мощности сигнала, а зависит только от величины шага квантования. Данный квантователь не имеет практического значения, поскольку динамический диапазон изменения уровня сигнала  на выходе логарифмического преобразователя бесконечен. Однако можно сделать вывод, что характеристика компрессора должна быть близка к логарифмической.

Использование практически реализуемой системы компрессор-экспандер представлено на рисунке.

Характеристика компрессора, названная ‑законом компандирования и используемая в Северной Америке и Японии, имеет следующий вид:

,

где  и  ‑ максимальные входное и выходное значения компрессора. В Северной Америке стандартным является значение .

В Европе используется А-закон компандирования:

Стандартным значением является .

На рисунке представлено семейство характеристик компрессора при использовании ‑закона компандирования для различных значений . При  уровни квантования располагаются равномерно.