Исследование искажений сигнала, возникающих при его эффективном кодировании (сжатии)

1. Лабораторная работа

Исследование искажений сигнала, возникающих при его эффективном кодировании (сжатии). (Исследование анализирующего фильтра речевого кодера на основе линейного предсказания)

Цель работы

Исследование зависимости искажений сигнала, возникающих при его эффективном кодировании (сжатии), от точности анализа – определения огибающей кратковременного спектра сегмента (небольшого фрагмента) сигнала.

Краткие теоретические сведения

Если известна модель формирования сигнала, то при его параметрическом спектральном анализе определяются параметры модели, по которой можно определить спектр сигнала. Такой подход позволяет, в частности, описать спектр сигнала достаточно малым количеством параметров модели. Таким образом, появляется возможность задать сигнал малым количеством параметров, то есть  осуществить его эффективное кодирование – сжатие.

Примером сигнала, формирование которого достаточно точно описывается авторегрессионной моделью (модель представляет собой рекурсивный фильтр, на вход которого поступает сигнал возбуждения), является речевой сигнал. В данной лабораторной работе на примере речевого сигнала исследуется влияние точности определения параметров модели (анализа сигнала) на искажения сигнала после его восстановления (синтеза) по найденным в процессе анализа параметрам модели.

Работа современных речевых кодеков основана на следующей модели речеобразования. Речевой сигнал (РС) рассматривается как реакция фильтра-модели голосового тракта (синтезирующего фильтра) на сигнал возбуждения, который моделирует работу голосовых связок и процесс поступления воздушного потока в голосовой тракт. Данные модели характеризуются небольшим количеством параметров. Передача их по каналу связи вместо цифровых отсчетов сигнала значительно сокращает поток данных. При кодировании РС определяются параметры огибающей кратковременного спектра сигнала – модели голосового тракта, а также параметры сигнала возбуждения.

Модели приближенно описывают процесс формирования РС, поэтому при декодировании появляются искажения сигнала. В лабораторной работе анализируются искажения сигнала, обусловленные погрешностями моделирования голосового тракта – определения параметров огибающей его кратковременного спектра.

Огибающая кратковременного спектра сигнала представляется набором коэффициентов частной корреляции (КЧК), определяемых с помощью анализирующего сигнал (в данном случае лестничного) фильтра. Работа фильтра базируется на идее линейного предсказания последующего отсчета сигнала на основе знания нескольких его предыдущих отсчетов. Чем больше используется предыдущих отсчетов - звеньев фильтра (коэффициентов частной корреляции), тем точнее определяется огибающая спектра и тем меньше искажения синтезированного сигнала (сигнала на выходе речевого кодека).

Рис.1.1

В данном случае исследуется изображенный на рис. 1.1 лестничный фильтр, который характеризуется набором (вектором) K= {K₁, K₂….K_p} коэффициентов частной корреляции:

K_i =  ,  iÎ {1…p}, (1.1)

где p – число звеньев фильтра; N – количество временных выборок сегмента; X_i[n], X__i[n + 1] – значения входных сигналов для i-го звена в моменты  времени  nT_д,  (n+ 1)T_д;  T_д – период  дискретизации  (здесь –  125 мкс); S_вх[n], e[n] – входной и выходной сигналы анализирующего фильтра; ЭЗ – элемент задержки на величину T_д; X – перемножитель сигналов.

Исследование фильтра целесообразно проводить, используя модель сегмента речевого сигнала, параметры которой можно быстро менять в широких пределах.

Структурная схема обработки сигналов при исследовании анализирующего фильтра приведена на рис. 1.2.

Рис.1.2

В соответствии с требуемым для исследования типом звука (невокализованный или вокализованный) для формирования модели сегмента используется либо генератор шума ГШ, либо генератор импульсов основного тона ГОТ с заданным периодом Т_от (или частотой f_от) следования импульсов.

Подключение нужного генератора осуществляется ключом по команде «Т/Ш». С выхода ключа сигнал поступает на перемножитель П, который меняет уровень сигнала в соответствии с заданным коэффициентом усиления звука G.