Кодеры исходной информации (вокодеры) и гибридные алгоритмы

Многие методы кодирования используют особенности человеческой речи, связанные со строением голосового аппарата. Кодеры, в которых реализуются такие методы, называют кодерами исходной информации или вокодерами (voice coding).

Звуки речи образуются при прохождении выдыхаемого воздуха через голосовой аппарат человека, важнейшими элементами которого являются язык, нёбо, губы, зубы и голосовые связки. В формировании того или иного звука участвует та или иная часть этих элементов. Если звук формируется с участием голосовых связок, поток воздуха из легких вызывает их колебание, что порождает звуковой гон. Последовательность формируемых таким образом звуков составляет тоновую речь (или тоновый сегмент речи). Если звук формируется безучастия связок, тон в нем отсутствует, и последовательность таких звуков составляет нетоновую речь {нетоновый сегмент речи). Спектр тонового звука может быть смоделирован путем подачи специальным образом сформированного сигнала возбуждения на вход цифрового фильтра с параметрами, определяемыми несколькими действительными коэффициентами. Спектр нетоновых звуков - практически равномерный, что обусловлено их шумовым характером.

В реальных речевых сигналах не все звуки можно четко разделить на тоновые и нетоновые, а приходится иметь дело с некими переходными вариантами, что затрудняет создание алгоритмов кодирования, обеспечивающих высокое качество передачи речи при низкой скорости передачи информации.

Рис. 3.5 иллюстрирует описанную упрощенную модель функционирования голосового тракта человека. Работа кодера, согласно такой модели, состоит в том, чтобы, анализируя блок отсчетов речевого сигнала, вычислить параметры соответствующего фильтра и параметры возбуждения (тоновый/нетоновый сегмент речи, частота тона, громкость и т.д.).

Рис. 3.5 Модель функционирования голосового тракта

Описанный принцип кодирования получил название LPC (Linear Prediction Coding - кодирование с линейным предсказанием), поскольку центральным элементом модели голосового тракта является линейный фильтр. Наиболее известный стандартный алгоритм, построенный по описанному принципу, был стандартизован министерством обороны США под названием LPC-10, где число 10 соответствует количеству коэффициентов фильтра. Данный кодер обеспечивает очень низкую скорость передачи информации 2.4 Кбит/с, однако качество воспроизводимых речевых сигналов оставляет желать лучшего и не удовлетворяет требованиям коммерческой речевой связи - речь носит ярко выраженный «синтетический» характер.

Как уже отмечалось, алгоритмы кодирования формы сигнала основаны на наличии корреляционных связей между отсчетами сигнала, которые дают возможность линейного предсказания. В сочетании с адаптивным квантованием этот подход позволяет обеспечить хорошее качество речи при скорости передачи битов порядка 24-32 Кбит/с. LPC-кодеры (вокодеры) используют простую математическую модель голосового тракта и позволяют использовать очень низкие скорости передачи информации 1200-2400 бит/с, однако ценой «синтетического» характера речи.

Гибридные алгоритмы кодирования и алгоритмы типа «анализ путем синтеза» (ABS) представляют собой попытки совместить положительные свойства двух описанных выше основных подходов и строить эффективные схемы кодирования с диапазоном скоростей передачи битов 6-16Кбит/с.

Важное отличие кодеров такого типа состоит в том, что в рамках этих алгоритмов нет необходимости принимать решение о типе воспроизводимого звука (тоновый или нетоновый), так как предусматриваются специальные меры для кодирования сигнала ошибки после прохождения возбуждения через LPC-фильтр. Например, сигнал ошибки может быть закодирован по алгоритму, аналогичному АДИКМ, что обеспечит высокую точность его передачи. ABS-кодеры не могут быть строго классифицированы как кодеры формы сигнала, однако реально целью процедуры минимизации ошибки (рис. 3.6), т.е. различия между входным и синтезированным сигналами, является синтез на выходе кодера сигналов, форма которых наиболее близка к форме входных. ABS-декодер является малой частью кодера и очень прост (рис. 3.7).

Рис. 3.6 Упрощенная блок-схема ABS-кодера

Рис. 3.7 Упрощенная блок - схема ABS - декодера