Дослідження ефективності використанні ДІКМ при передачі сигналів звукомовлення

     Історично кодування мовних джерел  розвивалося у двох напрямах, які привели до створення принципово  різних типів кодерів: кодерам  “джерела” (source coders) і кодерам  форми сигналу (waveform coders). Перехід  до більш низьких швидкостей  передачі заснований на видаленні  надмірності мовного сигналу  різними способами. 

 

     Вокалізовані (дзвінкі) звуки формуються за допомогою генератора імпульсної послідовності, а фрикативні (шумові) - за допомогою генератора випадкових чисел.

      Період проходження імпульсів на виході генератора імпульсної послідовності відповідає основному періоду збудження голосовими зв'язками. Генератор випадкових чисел формує шумовий сигнал з рівномірною спектральною щільністю. Цифровий фільтр (ЦФ) із змінними параметрами апроксимує передавальні властивості голосового тракту. На часовому інтервалі порядку 5-20 мс форма голосового тракту не міняється, тому характеристики ЦФ на даному інтервалі залишаються постійними. Амплітуда вхідного сигналу цифрового фільтра визначається коефіцієнтом посилення G.

      Енергетичні характеристики мовного сигналу. Реєструючи появу різних енергетичних рівнів мови загалом або в окремих частотних смугах, можна встановити відносну частоту їх появи.

      Внаслідок досліджень з використанням методів статистики було встановлено, що розподіл енергетичних рівнів мови підкоряється закону, вельми близькому до нормального.

      На рисунку приведена усереднена характеристика амплітудного складу російської мови, що являє собою інтегральний розподіл відносного числа випадків (Z), в яких перевищується той або інший рівень (В), причому за умовний нуль прийнятий середній рівень мови.

      Потрібно особливо відмітити,  що оскільки аналогічні характеристики  для різних частотних смуг  виявилися практично ідентичними,  то без істотної погрішності  можна користуватися однією усередненою  характеристикою.

Приведений  на рисунку амплітудний розподіл дозволяє виявити ще дві важливі  характеристики мови динамічний діапазон і пік-чинник. 

      Якщо необхідно використовувати  ДІКМ для аналогового сигналу,  то сигнал повинен бути спершу  дискретизирований, так щоб відліки дискретизованого сигналу могли б подаватися на вхід кодера ДІКМ.

      Існує два варіанти реалізації ДІКМ:

      Варіант 1: приймати значення двох послідовних семплів; якщо це аналогові семпли, квантовати їх; обчислити різницю між першим і наступним; результат - отримана різниця, і вона може бути Ентропійно закодована.

       Варіант 2: замість взяття різниці щодо попереднього вхідного семпли, беремо різницю щодо вихідний локальної моделі декодуючого процесу; в цьому варіанті різниця може бути квантована, що дає можливість контролювати втрати в кодуванні.

      У будь-якому з цих двох варіантів ДІКМ значно зменшується локальна надмірність (позитивна кореляція прилеглих значень) сигналу. При цьому може бути досягнутий коефіцієнт стиснення від 2 до 4, якщо різницеві значення будуть потім піддані Ентропійно кодуванню, оскільки у різницевих сигналів часто відома функція розподілу (з точністю до значень невеликої кількості параметрів).

Нижче наведені схеми кодера і декодера у двох варіантах з примітками:

Обчислення  різниці між двома послідовними відліками: 

Рисунок 1.11 -  Кодер та декодер ДІКМ 

      Кодер грає роль диференціатора (квантователь повинен передувати  диференціатора), а декодер виступає  як акумулятор. Ентропійний кодер (Q) скорочує число біт, у той час як декодер (Q - 1) відновлює число біт подання первісного дискретного сигналу.

     Різниця сигналу за допомогою синтезу:  

 
Рисунок 1.12 – Різниця сигналу 

       Диференціальна ІКМ (ДІКМ) є системою з прогнозом. Основна ідея передбачення полягає в усуненні надмірності, що міститься у відліках повідомлення.

      Диференціальна імпульсно-кодова  модуляція (ДІКМ) спеціально розроблена  для реалізації переваг, які  дає використання кореляції між дискрето в типовому мовному сигналі. Оскільки діапазон різниць значень дискрета менше діапазону самих значень дискрета, для кодування різниці величин дискретом потрібно менше розрядів. Частота дискретизації часто береться тією ж, що і в порівнюваних ІКМ-системі. Внаслідок цього обмежує смугу фільтр у кодере і згладжує фільтр в декодері в основному такі ж, як і в звичайних ІКМ-системах.

      Найпростішими засобами отримання  різниці значень дискретом для  ДІКМ-кодера є запам'ятовування  попереднього вхідного дискрета  безпосередньо в аналогової пам'яті  і використання аналогового віднімаючий  пристрої для вимірювання зміни.  Зміни сигналу потім квантуються  і кодуються для передачі. Проте  структура системи з ДІКМ, показана  на рис. 3,26, є більш складною, оскільки  попередня вхідна величина відновлюється  за допомогою ланцюга зворотного  зв'язку, в якій накопичуються  кодовані різниці значень дискретний. По суті, сигнал в ланцюзі зворотного  зв'язку є оцінку вхідного сигналу,  яка отримана шляхом інтегрування  кодованих різниць дискретний. Внаслідок  цього сигнал зворотного зв'язку, отриманий таким же чином, використовується  в декодері для відновлення  форми вихідного сигналу.

     Перевага реалізації з ланцюгом, зворотного зв'язку полягає в  тому, що при цьому помилки  квантування не накопичуються  необмежено. Якщо сигнал в ланцюзі  зворотного зв'язку відхиляється  від вхідного в результаті  накопичення помилок квантування,  то при наступній операції  кодування різницевого сигналу  це відхилення автоматично компенсується.  У системі без зворотного зв'язку  вихідний сигнал, що формується  декодером на протилежному кінці  лінії, може необмежено накопичувати  помилки квантування. 

Рисунок 1.13 - Функціональна схема пристрою ДІКМ 

      Як і в системах з ІКМ, процес аналого-цифрового перетворення може здійснюватися з компандування і без нього. У деяких з систем з ДІКМ використовують також техніку адаптації для підстроювання розмірів кроків квантування відповідно до рівня середньої потужності сигналу. (Див. огляд різних способів в [18].) Ці способи адаптації часто називають складовим компандування відповідно з інтервалом часу між підстроювання посилення. Складова компандування розглядається в розділі, присвяченому системам дельта-модуляції, де воно найбільш часто застосовується.

      Недоліки ДІКМ:

     1. Специфічна помилка, пов'язана з "перевантаженням по нахилу". Вона виникає при швидкій зміні повідомлення, коли різницевий сигнал більше, ніж можна передати за допомогою кодової комбінації.

      2. Існує ефект, пов'язаний з "накопиченням" помилок, оскільки помилковий прийом кодової комбінації супроводжується помилкою прийому не тільки даного, а й подальших відліків. 
 

      1.8 Квантування при ДІКМ

    

      Квантування у загальному випадку  задається правилом, що визначає розбиття області Ω квантуючого сигналу x(t) на N підобластей квантування Ω_k i правилом оцінки, яке ставить всім елементам xΩ_k одне оцінююче значення z_k (k=1, 2…, N). Величина N називається числом рівнем квантування.

      Відмінність оцінюючих значень від істинних, що входять до відповідних під областей квантування, призводить до помилки квантування. Для кількісного визначення помилок необхідно введення точних критеріїв, чи критеріїв правильності, що встановлюють відповідність між квантованими та квантуючими величинами.

      Квантування відліку вихідного  сигналу виконується по наступній  схемі:

- виділяється  діапазон квантування, тобто вказується граничні значення сигналу зверху x_N і знизу x₀, всередині яких відбувається розбивання на інтервали кантування;

- виділяються  границі під областей (інтервалів) квантування Ω_k, що позначаються як x _n-1 , x _k , що називаються порогами квантування;

- всім значенням x_i із інтервалу квантування Ω_k  приписується одне оцінююче значення z_k, що називається рівнем квантування, тобто x_i = z_k для всіх x_i Ω_k .

      Вибір параметрів квантування  (порогів та рівнів квантування)  відбувається на основі деяких  критеріїв, що мінімізують середнє  значення функції втрат (штрафів)  φ(х,z),  яка характеризує відмінність вихідного значення х від оцінюючого z, тобто помилку квантування. Задача вибору оптимальних параметрів квантування може бути сформульована наступним чином.

     В деякій області квантування  (х₀, х_N) задані вагова функція В(х) та функція штрафів φ(х,z). Потрібно розбити цю область на N під областей квантування так, щоб середнє значення штрафа було мінімальним. По формулі математичного очікування для середнього значення штрафа: 

               (1.1)

    

      Використання  функцій щтрафа дає можливість отримати критерії оптимальності, що мають широке практичне застосування.

       Процедуру квантування можна розглядати як результат проходження вхідного сигналу через пристрій з амплітудною характеристикою ступінчастої форми, яка називається шкалою квантування. Якщо в межах шкали крок квантування залишається постійним, то квантування називається лінійним (рівномірним). Квантування з нерівномірними кроками квантування називається нелінійним, тобто нерівномірнимиНа рисунку 1.9 зображена характеристика квантування.

Рисунок 1.14 – Характеристика квантування 

      Квантування сигналів супроводжується похибкою, яка чим менша, тим менший крок квантування. Різниця між вихідним і квантованим значенням сигналу називається шумом квантування. Звідси видна різниця між шумом квантування та іншими шумами, що діють в системі передачі сигналів. Шум квантування виникає в результаті детермінованого нелінійного перетворення вхідного сигналу і має випадковий характер. Тому при квантуванні говорять про похибки, а не про шуми. Характеристика квантування (рисунок 1.9) має дві зони: зона квантування при ׀Uвх.׀ ≤ ׀Uобм.׀ та зона обмеження при ׀Uвх.׀> ׀Uобм.׀. Зона квантування є робочою зоною характеристики. В її межах здійснюється квантування сигналу. Якщо миттєве значення вхідного сигналу Uвх. вийде за межі квантування, то вихідна напруга буде залишатись незмінною та рівною Uвих. макс.   незалежно від Uвх. . Виникаючі при цьому похибки мають без характер інерційного обмеження сигналу і вважаються недоступними. Різниця між вихідним та обмеженим сигналами  називається шумом обмеження. 
 
 
 
 

      1.9 Адаптивна диференціальна імпульсно-кодова  модуляція 

      Ще один спосіб використання сильної кореляції між сусідніми відліками мовного сигналу реалізується при застосуванні адаптивної диференціальної імпульсно-кодової модуляції (АДІКМ). При сильній кореляції дисперсія різниці D (ti) =U (ti) - U (ti-1) значень сусідніх відліків набагато менше дисперсії самих відліків U (ti). При застосуванні АДІКМ в цифрову форму переводяться збільшення D (ti), i = .... -1,0, +1 ,..., Які в точці прийому використовуються для відновлення значень відліків шляхом підсумовування. Тут кутова дужка над символом позначає оцінку відповідної величини, сформовану в приймачі.

        На практиці АДІКМ реалізується  із застосуванням різних алгоритмів  передбачення: замість кодування  різниці сусідніх відліків кодується  різниця між значенням чергового  відліку і передбаченим його  значенням. Цю різницю зазвичай  називають помилкою передбачення, значення якої переводиться в  цифрову форму і передається  по лінії зв'язку. Передбачення грунтується на знанні коваріаціонної функції мовного сигналу. 

        Іншим важливим елементом кодера  є адаптивний провісник, який  формує оцінку передбачення Uпр.(ti) на основі попередніх відновлених значень відліків мовного сигналу. Оцінка виходить шляхом підсумовування передбаченого значення і відновленого цифрового значення помилки передбачення.

        Слід зауважити, що даний кодер  АДІКМ управляється сигналами двох петель зворотного зв'язку: оцінкою передбачення Uпр.(ti) значення чергового відліку мовного сигналу U(ti) і оцінкою Y(ti) чергового значення масштабного множника квантователя. Обидві оцінки формуються в кінцевому рахунку виключно з значень чотирьох бітового сигналу I (ti), що передається по лінії зв'язку. У декодері приймача виконуються зворотні перетворення. Таким чином, кодер АДІКМ і декодер АДІКМ управляються однаковими сигналами.

        Тому для відновлення відліків  мовного сигналу в приймачі  по лінії зв'язку крім відліків  нормованої помилки передбачення I (ti) необхідно передавати поточне  значення кроку квантування (або  нормує множника). Крок квантування  передається також в цифровій  формі; частота проходження цих  значень зазвичай набагато нижче  частоти проходження відліків  мовного сигналу.