Цель работы на УИР: исследование существующих вокодеров для кодирования и передачи речи в сжатом виде (стр. 4 )

где – ординаты спектральной плотности, m – индекс коэффициента Фурье, – коэффициенты Фурье. Из формул следует, что если известны ординаты спектральной огибающей, то достаточно каждую из них умножить на соответствующие множители, определенные для заданного числа коэффициентов разложения, и затем алгебраически просуммировать произведения. Получаемые суммы и будут коэффициентами . Все это можно реализовать в матричной схеме с помощью резисторных делителей и сумматоров. Способ получения ординат спектральной огибающей можно заимствовать из реализации полосного вокодера. Блок-схема гармонического кодера на основе анализатора полосного кодера изображена на рисунке 9:

Рисунок 9 - Блок-схема гармонического кодера

  На схеме: ПФ – полосовые фильтры, Д – детекторы, ДОТ – детектор (выделитель) основного тона, М – матричная схема пересчёта ординат спектра в коэффициенты ряда Фурье.

  Синтез речевого сигнала на приёмной стороне тракта сводится к воспроизведению формы спектральной огибающей исходного речевого сигнала для сигналов, поступающих от местных источников речевых колебаний, имеющих монотонную форму спектральной огибающей. В качестве таких источников колебаний используется (в зависимости от сигнала тон-шум) или генератор дискретного спектра (генератор ОТ), или генератор шума.

  В гармоническом вокодере для синтеза речевого сигнала используются периодические фильтры, на которые подается возбуждающий сигнал от источника колебаний (ОТ или шум). Фильтры управляются приходящими с линии сигнал-параметрами. Для этого периодические фильтры состоят из линии задержки с отводами через равные временные задержки модуляторов и сумматора. С помощью линии задержки создаются гармонические функции различных порядков, модуляторы служат для управления амплитудами этих функций с помощью сигнал-параметров. Суммирование сигналов, поступающих от всех модуляторов, позволяет получить сигнал, имеющий спектральную огибающую исходного речевого сигнала (если сигнал-параметры в линии не подвергались искажениям). На рисунке 10 приведена блок-схема синтезатора косинусного типа:

Рисунок 10 – блок-схема синтезатора косинусного типа

  Синтезатор косинусного типа воссоздает спектральную огибающую, выражаемую сумой косинусов:

Где Е – сигнал, подаваемый на вход линии задержки от местного источника речевых колебаний.

  На рисунке 11 приведена схема синтезатора с периодическими фильтрами, описываемыми полным тригонометрическим полиномом:

Рисунок 11 – Схема синтезатора с периодическими фильтрами

  В отличие от приведенной выше схемы синтезатора в неё входят фильтры, синтезирующие и синусоидальные функции, а также широкополосный фазорасщепитель сигнала (Фр), приходящего от источника речевых колебаний с поворотом фаз всех составляющих колебаний на . Общее время задержки определяется произведением числа отводов (равным удвоенному числу сигнал-параметров) и значения времени задержки между отводами, т. е. , а значение определяется верхней частотой передаваемого частотного диапазона речи, т. е. .

  В гармоническом вокодере существуют искажения, сходные по звучанию с искажениями в полосном вокодере, связанные с тем, что при суммировании

сигналов, приходящих от далеко отстоящих отводов линии задержки, наблюдаются интерференционные искажения. С целью уменьшения искажений можно пробовать подавать на матричную схему определения коэффициентов ряда Фурье не отсчёты спектральной плотности, а некоторый их функции, например, логарифм или корень. В результате получаются модификации гармонического, например, косинусно-логарифмический вокодер, блок-схема которого приведена на рисунке 12:

Рисунок 12 – Блок-схема косинусно-логарифмический вокодера

  Где в анализатор добавлены блоки логарифмирования lg и обозначено: М – модуляторы, Ф – фазовыравниватель, Ус – усилитель.

  Для получения высокой точности разложения в сумму Фурье целесообразно брать 18 полос равной ширины в диапазоне до 3500 Гц, а число членов тригонометрического ряда — не более пяти. При этом шестой член — постоянная составляющая — определялся в линейном масштабе и передавался по каналу связи без обработки в матричной схеме.

  Достоинством этого вокодера является последовательный способ построения синтезатора, что позволяет избежать интерференционных искажений между отдельными составляющими спектра.

  Ещё одним из недостатков, описанных выше схем гармонического вокодера, является применение равномерного частотного масштаба для передачи спектральной огибающей, вследствие чего точность передачи её не соответствует субъективному масштабу восприятия по частотному диапазону. Этот же недостаток есть и у полосного вокодера. Он может быть устранен выбором ширины полос фильтров анализатора и синтезатора в субъективном масштабе. Для анализатора гармонического вокодера не представляет затруднений перейти на субъективный масштаб по частоте. Для этого надо взять полосовые фильтры со средними частотами, распределенными по частотному диапазону равномерно в субъективном масштабе по частоте. Сложнее обстоит дело с приемной частью гармонического вокодера – синтезатором, если используется аналоговая обработка сигнала. Обычные линии задержки дают равномерный масштаб по частотному диапазону, а здесь необходим неравномерный масштаб. Однако, при цифровой реализации синтезатора указанные трудности легко преодолимы.

  В ортогональных вокодерах, в отличие от. полосных, сигнал-параметры

неравнозначны и некоррелированы друг с другом. Поэтому искажение одного из них иногда приводит к значительным искажениям передачи. Особенно заметно это свойство ортогональных вокодеров сказывается на качестве – передачи речи при небольшом числе передаваемых параметров. Другим недостатком гармонических вокодеров, также проявляющимся при небольшом числе передаваемых параметров, является искажение формы формантных кривых: вместо резонансных получаются кривые синусоидальной формы и появляются дополнительные максимумы – ложные форманты, как показано на рисунке 13 а):

Рисунок 13 – Искажение формы формантных кривых

  Появление таких искажений придает звучанию синтезированной речи назальность. Чтобы приблизить форму спектральной огибающей к типичной формантной структуре, можно использовать квадратичный ортогональный (гармонический) вокодер (рис. 14):

Рисунок 14 – Блок-схема квадратичного ортогонального вокодера

  В анализаторе этого вокодера, в отличие от описанного выше линейного гармонического вокодера, каждая из n ординат спектра подвергается нелинейному преобразованию – извлечению квадратного корня из её величины. Только после этой операции по полученным значениям измененных ординат . Определяются коэффициенты ортогонального ряда , в такой же матрице, как и в линейном гармоническом вокодере. Таким образом, спектральная огибающая раскладывается в сумму из n членов:

где – члены суммы; , – средняя частота полосы, для которой определена k-я ордината спектра. Кривая на рис. 13 б) имеет более сглаженную форму, чем исходный спектр , и поэтому лучше аппроксимируется гармоническими функциями, чем при обычном преобразовании (рис. 13 а)). Если возвести в квадрат спектр , то получим спектр , сходный с . В результате такого преобразования в спектральной огибающей появляются максимумы спектра сходные по форме с формантными максимумами (рис. 13 б)).