Генерация случайных процессов на основе фильтра с решетчатой структурой

Неадаптивные РФ используются для обработки стационарных коррелированных процессов. Примерами задач, решаемых с помощью таких фильтров, может служить применение РФ для подавления или обеления стационарных коррелированных помех, измерение некоторых параметров сигнала, кодировании и декодирования, генерации случайных процессов, синтеза речи, создания эффективных вычислительных алгоритмов и т.д.

Эффективность обработки сигналов РФ определяется точностью АР моделирования этих сигналов, точностью используемых оценок параметров фильтра и сигнала, скоростью и объемом необходимых вычислений. Наиболее простым способом проверки соответствия параметров РФ характеристикам обрабатываемых сигналов может служить мера близости сигнала на выходе РФ к белому шуму, а также по степени подавления входного сигнала. Это следует из принципа построения РФ по минимуму дисперсии ошибки предсказания.

В стандарте GSM осуществляется адаптивная блочная обработка речи на основе фильтров предсказания с решетчатой структурой. Блочная адаптивная обработка процессов отличается от пошаговой тем, что параметры фильтра пересчитываются не с получением каждого нового отсчета сигнала, а по последовательным блокам отсчетов сигнала. Параметры речи, а также процесс на выходе адаптивного РФ, сформированные кодером на передающем сотовом телефоне, покадрово передаются через базовую станцию на приемник сотового телефона корреспондента. Декодер сотового телефона по принятым данным восстанавливает речевой сигнал. Для генерации речи применяется формирователь на базе РФ с обратной связью. Структура такого генератора приведена на рис. 4.

РФ с прямым прохождением сигнала и РФ с обратной связью, имеющие одинаковые коэффициенты отражения, выполняют инверсные операции над входным сигналом. Если на вход РФ с прямым прохождением сигнала подается коррелированный случайный процесс, т. е. , то на выходе получается ошибка предсказания типа белого шума . В случае же когда на вход РФ с обратной связью подается случайный процесс типа белого шума, т. е. , то на выходе формируется коррелированный случайный процесс, т. е. .

Работа генератора с кратковременным предсказанием на РФ описывается системой двух уравнений

, (45а)

, (45б)

где - коэффициенты отражения РФ, - число звеньев РФ, и - ошибки прямого и обратного предсказания в -м звене РФ в момент времени .

Применение для кодирования речи коэффициентов отражения РФ, которые являются также коэффициентами частичной корреляции случайного процесса, являются более предпочтительными, по сравнению с коэффициентами АР по следующим причинам:

- гарантируется стабильность работы генератора на РФ, т. к. согласно (43) , а это является необходимым условием, чтобы передаточная функция была минимально фазовой функцией и ее полюсы находились внутри единичного круга на комплексной плоскости;

- коэффициенты нечувствительны к ошибкам квантования;

- при переходе от -звенного к -звенному фильтру, значения не пересчитываются, в то время как коэффициенты АР нужно пересчитывать заново;

- коэффициенты отражения анализирующего и синтезирующего фильтров совпадают, что, впрочем, характерно и для коэффициентов АР.

Рисунок 4. Генератор коррелированного случайногопроцесса на

решетчатом фильтре с обратной связью.

В стандарте GSM в качестве порождающего процесса , который подается на вход синтезатора речи, используют ошибки предсказания анализирующего РФ, пропущенные через НЧ фильтр, с частотой среза 3-4 кГц. Хотя такой способ возбуждения требует существенного увеличения скорости передачи до 9, 4 кбит/с, качество восстановленного в декодере сигнала речи, соответствует качеству передаваемой речи в цифровых каналах связи ISDN, и превосходит качество речи в аналоговых радиотелефонных системах.

Высокое качество передачи речи в стандарте GSM достигается не только учетом корреляции между соседними отсчетами дискретизированного речевого сигнала, но и учетом тонкой структуры речевого сигнала – корреляции между отсчетами в соседних периодах основного тона. С этой целью используются предикторы с кратковременным и долговременным предсказанием соответственно. Синтезатор речи с кратковременным предсказанием описывается системой уравнений (45а, б) и показан на рис. 4.

Выражение для долговременного предсказания в стандарте GSM определяется следующим образом

, (46)

где - число отсчетов в периоде основного тона.

Тогда передаточная функция анализирующего фильтра может быть представлена в виде

. (47)

Передаточная функция синтезирующего фильтра описывается выражением

. (48)

Систему уравнений описывающую синтезирующий РФ с долговременным предсказанием можно получить из (45а, б)

, (49)

. (50)

4. Кодирование речи методом RPE/LPC -LTP

4.1. RPE –LTP –кодер на 16 кбит/с

В 1990 г. предполагалось ввести в эксплуатацию Европейскую цифровую подвижную систему радиосвязи, в которой будет использоваться кодирование речевого сигнала со скоростью 16 кбит/с. Разработка кодера производилась в 7 Европейских странах, а также в США и Канаде. Были разработаны следующие системы: адаптивное дифференцирование ИКМ –ADPCM; адаптивное кодирование преобразованием –APC; кодирование с линейным предсказанием с возбуждением от остатка – RELP–LPC; кодирование с линейным предсказанием с возбуждением от регулярных импульсов – RPE-LPC; кодирование с линейным предсказанием с многоимпульсным возбуждением – MPE-LPC, субполюсное кодирование –SBC –APCM.

В конце разработки были проведены сравнительные испытания всех кодеров. Испытания проводились на 7 языках. В результате испытаний были отобраны два кодера: RPE (Regular–Pulse Excitation) - линейное предсказание с возбуждением от регулярных импульсов с долговременным предиктором LTP (Long Term Predictor) и MPE–LTP -линейное предсказание с многоимпульсным возбуждением с долговременным предиктором LTP.

RPE– алгоритм предполагает, что сигнал остатка в линейном предсказании представляется последовательностью прореженных регулярных импульсов, но с большим числом импульсов в кадре, чем в многоимпульсном возбуждении MPE. RPE кодеры менее сложные, однако качество речи при их использовании недостаточно хорошее из-за наличия в сигнале тонального шума, который получается в речевом сигнале в процессе высокочастотной регенерации. В противоположность RPE–кодеру, кодер с многоимпульсным возбуждением MPE создает отличное качество речи, но является достаточно сложным. Компромиссом между этими двумя вариантами является RPE–LTP кодер, т. е. линейное предсказание с возбуждением от регулярных импульсов и с долговременным предиктором - LTP.

В передающей части кодера производится кратковременный LPC анализ, долговременный LTP анализ и кодирование регулярных импульсов RPE –кодером (рисунок 5).

Коэффициенты отражения кратковременного предсказания получают по методу Берга для РФ 8-го порядка. В кратковременном LPC анализе производится выделение коэффициентов отражения , преобразование их в коэффициенты логарифма площади (log-area-ratios), кодирование и передача их на прием. Коэффициенты квантуют следующим образом: при i равном 1 и 2; 3 и 4; 5 и 6; 7 и 8 число бит на коэффициент соответственно равно 6; 5; 4; 2. Итого, на 8 коэффициентов отводится 36 бит в кадре длительностью 20 мс.

Рисунок 5. Структурная схема кодера на 13 кбит/с.

В приемнике коэффициенты вновь преобразуются в коэффициенты отражения , которые затем используются для формирования инверсного решетчатого фильтра. На выходе кратковременного LPC –анализатора появляется сигнал остатка, который поступает на долговременный LTP –анализатор.

Долговременный предиктор LTP размещается после кратковременного. Делается это для устранения периодичности, которая еще сохраняется в сигнале остатка кратковременного предиктора. Такое размещение предикторов является наиболее приемлемым с точки зрения получения лучшего качества речи. Долговременный предиктор характеризуется выражением

. (51)

Коэффициенты отражения долговременного предсказания определяются также методом Берга для РФ 3-го порядка. На передачу каждого коэффициента отводится 3 бита в кадре. Коэффициенты предсказания предиктора определяются путем минимизации энергии остатка предсказания.

Взвешивающий фильтр с передаточной функцией используется для корректировки формантных областей в спектре остатка предсказания относительно уровня шума квантования. Осуществляется это путем выбора g. Оптимальное значение g определено путем прослушивания. Оно оказалось равным 0, 7 … 0, 9. При этом воспринимаемое значение шума квантования становится минимальным. Длительность импульсной характеристики составляет 11 выборок, при частоте дискретизации 8 кГц. Значения импульсной характеристики для соответствующих выборок с индексом представлены в таблице 1.

Таблица 1