Маковеева М.М., Шинаков Ю.С. Системы связи с подвижными объектами (2002) (1151874), страница 14
Текст из файла (страница 14)
Следовательно, систему уравнений (2.36) можно записать следующим образом; р 2 й „ак =О, гп 12,...,р. мв (2.37) йн«э» =йн Х- Х— йг-кэк =йэ (2.38) р ,"г й, „а„=йр, или в форме %а = К с очевидными векторными обозначениями. Решение этой системы осуществляется путем обращения матрицы д, в результате чего оценку вектора коэффициентов а можно запи- сать в виде: э ='д ~й, (2.39! где Я ' есть матрица, обратная для матрицы %. К настоящему времени предложено достаточно много алгоритмов, обеспечивающих высокую скорость вычисления оценок (2.39). Полученные значения коэффициентов фильтра предсказания должны передаваться по линии связи.
Однако для обеспечения приемлемой точности восстановления значений речевого сигнала в приемнике оказалось необходимым испольэовать от 8 до 10 бит для цифрового представления каждого коэффициента. Поэтому вместо этих коэффициентов обычно передают так называемые коэффициенты отражения Я)г), значения которых имеют меньший динамический диапазон и требуют для кодирования всего 6 бит на каждый коэффициент. Например, если порядок фильтра предсказания р = 10, то общее число битов, выделяемых для одного сегмента, равно 72, включая по 8 бит для кодирования значений коэффициента усиления и периода основного тона. Можно подсчитать при этом, что если значения параметров фильтра будут пере- считываться каждые 15 или 30 мс, то результирующая скорость окажется равной 4800 или 2400 бит(с Поскольку а, = -1, то систему (2.37) можно записать в более удобной матричной форме: Кодирование коэффициентов отражения С()г), й = 1,,р, может быть улучшено дополнительно путем применения неравномерногс квантования, когда до кодирования значения этих коэффициентов подвергаются нелинейному преобразованию, которое .уменьшает чувствительность коэффициентов отражения к ошибкам квантования.
В качестве такого преобразования обычно выбирают обратный гиперболический тангенс или так называемое логарифмическое отношение площадей (.Ай((г) = ~апн ~(С(к)) =!д ~( ( — С((гЦ (2.40) Различные способы кодирования, использующие алгоритмы линейного предсказания, отличаются друг от друга методами восстановления ошибки предсказания (сигнала возбуждения) в приемнике. Представленная на рис. 2.1З схема кодирования наиболее популярна. Однако для ее реализации требуется, чтобы передатчик оценивал период частоты основного тона, что не является простой задачей. Более того, фазовая когерентность между гармоническими компонентами последовательности импульсов возбуждения приводит к появлению резкого жужжащего звука в синтезированной речи. Существуют способы кодирования, свободные от этого недостатка, и обеспечивающие высокое качество цифровой передачи речи даже при суммарной скорости 4,8 кбит!с.
Однако их вычислительная сложность оказывается достаточно высокой (более 500 млн операций умножения и сложения в секунду). Тем не менее достижения в области цифровой обработки сигналов и интегральной микроэлектроники обеспечили возможность реализации этих сложных алгоритмов кодирования в реальном времени. Например, системы с кодовым разделением каналов (технология СОМА) стандарта! 3-95 используют кодирование с переменной скоростью от 1,2 до 14,4 кбитгс. Использование ошибки предсказания в качестве возбуждающего процесса при синтезе речевого сигнала в приемнике можно осуществить несколько иначе, чем зто было сделано при АДИКМ. Например, после формирования оценок параметров фильтра предсказания (или соответствующих им коэффициентов отражения) и параметров сигнала возбуждения (коэффициента усиления, периода основного тона, решения вокализованный/невокализованный звук) для очередного сегмента речевого сигнала в передатчике синтезируется оценка этого сегмента речи и вычитается из исходного сегмента с тем, чтобы сформировать остаток — ошибку представления.
Сигнал остатка квантуется, кодируется и передается по линии связи вместе с параметрами линейного предсказания. В приемнике остаточный сигнал ошибки представления складывается с сигналом, восстановленным по оценкам параметров предсказания, в результате чего получают синтезированный в приемнике аппроксимирующий сегмент речевого сигнала. Качество за речи здесь улучшается благодаря добавлению сигнала ошибки. Соответствующая функциональная схема такого кодера представлена на рис. 2.14. Следует подчеркнуть, что при кодировании данных, формируемых кодером речи, разные биты, представляющие различные параметры модели предсказания, имеют разную значимость с точки зрения качества восстановления речи в приемнике.
Поэтому при кодировании для этих групп битов обычно предусматриваются различные уровни защиты. Пример. Кодирование речи осущестеляется сегментами длительностью 20 мс, которье на выходе кодера представляются блоками по 260 бит трех типов. Первые 50 бит каждого блока, относятся к первому типу и рассматриеаются как наиболее еажные. Эти биты защищаются от ошибок е канале передачи путем применения циклического кода с 10 проверочными симеолами и последующего сеерточного кодирования со скоростью 1/2. Следующие 132 бита относятся к типу 2 и кодируются только циклическим кодом с пятью проверочными символами Последние 7В бит типа 3 от ошибок не защищаются. наидем общую скорость передачи по каналу связи. Число битов типа 1, передаваемых на каждом интереале времени длитепьносгъю 20 мс, равно (50 + 10).2 = 120. На этом же интервале времени необходимо передать 132 + 5 = 137 бит второго типа и 75 бит третьего типа.
Следоеательно, общее число бит, подлежащих передаче на интераале аремени 20 мс, оказывается равным 120 + 137+75 = 335. ПБ Рис. 2 14. Функциональная схема кодера с линейным предсказанием и возбуждением сигналом ошибки предсказания: 1 — ошибки представления; 2 — коэффициент усиления; период основного тона; решение: аокализованный/нееокапизоеанный звук.- 3 — оценки параметров фильтра предсказания. ВСР— выделение сегмента речи; ОПМП --.
оценка параметров модели предсказания; СОСР -- синтез оценки сегмента речи; К вЂ” — кодирование; ПБ -- поток битов 75 2.3. Кодирование речи в современных системах связи с подвижными абонентами Выбор способа кодирования. Выбор кодера речевого сигнала для системы связи с подвижными абонентами является важным этапом проектирования системы. Поскольку для каждой системы выделяется ограниченная полоса частот, всегда желательно использовать кодер с минимальной скоростью или, что эквивалентно, с максимальным козффициентом сжатия речевого сигнала при его цифровом представлении и при заданном качестве его передачи.
Снижение битовой скорости кодера позволяет уменьшить ширину полосы частот в радиоканале, которую приходится выделять для передачи сигнала одного абонента, и, следовательно, максимизировать общее число одновременно обслуживаемых абонентов в выделенной полосе частот системы. Задача выбора кодера является также достаточно сложной, поскольку при ее решении приходится искать компромисс между качеством передачи речи, зависящим от способа сжатия, сложностью алгоритмов сжатия, а значит, и общей стоимостью системы, и емкостью всей сети.
Другие критерии выбора, которые также должны рассматриваться, включают время задержки из-за кодирования при передаче от точки к точке, требования к источникам питания, особенно для портативных абонентских станций, совместимость с существующими стандартами и устойчивость закодированной речи к ошибкам в канале передачи.
Особенно важным является последнее требование, гюскольку каналом передачи в таких системах обычно является радиоканал, в котором сигналы подвержены многим нежелательным аффектам (замираниям, затенениям, доплеровскому расширению спектра). В зависимости от используемого метода кодирования речевого сигнала различные речевые кодеки имеют разную устойчивость по отношению к ошибкам в канале передачи. Например, при одной и той же вероятности ошибки на бит АДИКМ с скоростью 40 кбит/с обеспечивает намного лучшее качество передачи речи, чем логарифмическая ИКМ со скоростью 56 кбит/с (4].
При зтом следует отметить, что снижение скорости передачи не обязательно сопровождается повышением устойчивости к ошибкам передачи, Более того, если речевой сигнал представляется меньшим числом битов, то это сопровождается увеличением информации, содержащейся о сигнале в каждом бите, и, следовательно, необходимо повышать защищенность битов от ошибок. В некоторых типах низкоскорост- 76 ных кодеров имеются биты, несущие критическую информацию; поэтому при ошибках в их приеме искажения речевого сигнала могут оказаться просто неприемлемыми. При применении низкоскоростных кодеров речи стараются определить важность каждого бита, сгруппировать биты в зависимости от чувствительности качества передачи к ошибкам при их передаче и для каждой группы обеспечить разные уровни защиты от ошибок путем использования разных корректирующих кодов.
Выбор речевого кодера должен осуществляться также с учетом размера соты в планируемой системе. Если размер соты сравнительно мал, так что в системе обеспечивается достаточно высокая спектральная эффективность за счет повторного использования частот, может оказаться допустимым простой высокоскоростной кодер. Например, в беспроводных телефонных системах стандартов СТ2 и ОЕСТ, которые предусматривают использование очень малых сот (микросот) кодеры АДИКМ со скоростью 32 кбит)с обеспечивают приемлемое качество передачи речи даже без канального кодирования. Сотовые системы с намного большими сотами и более сложными условиями распространения в радиоканалах должны снабжаться кодами, корректирующими ошибки в канапе передачи, и, следовательно, низкоскоростными кодерами речи.
Например, в спутниковых системах размеры сот очень большие, а доступные полосы частот очень малые. Чтобы обеспечить разумное число одновременно обслуживаемых абонентов, приходится ограничиваться скоростью речевого кодера порядка 3 кбит/с (4]. Способ множественного доступа в системе также оказывает заметное влияние на выбор кодера речи. В цифровой сотовой системе США с временным разделением каналов (стандарт !8-54) емкость существующей аналоговой системы стандарта АМРВ была увеличена втрое благодаря использованию речевого кодера со скоростью 8 кбит/с (4). В системах с технологией кодового разделения каналов (СОМА) каждому абоненту доступна значительно более широкая полоса частот радиоканала.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
