Уникальность
Реферат на тему: Преобразование и обработка речевых сигналов в системах подвижной радиосвязи
Аа
40963 символов
Информационная безопасность

Преобразование и обработка речевых сигналов в системах подвижной радиосвязи

Введение
Следует начать с того, что связь всегда имела огромное значение для людей. Особенно полезны системы мобильной связи. Не секрет, что системы радиосвязи, которые не используют для своей работы провода, разрабатывались для армии, полиции, флота и других специальных целей. Обывателям же долгое время приходилось быть рядом с телефоном, не имея возможности отлучиться от аппарата. Развитие систем мобильной связи позволило людям чувствовать себя более свободными в передвижении.
В настоящее время мобильная связь переживает период стремительного роста и развития, ежедневно обслуживая миллиарды абонентов по всему свету, и удовлетворяя их потребности. Непрерывное расширение объема услуг и повышение их качества делает мобильную связь доступной и приспособленной к широкому рынку потребителей.
Актуальность исследования состоит в том, что параметрическое представление речевого колебания основывается на описании речевого сигнала, как выходного отклика модели формирования речи. На первом этапе параметрического представления речевые колебания подвергаются процессу дискретизации и квантования, а затем обрабатываются для получения параметров модели. Параметры модели обычно делятся на параметры возбуждения и параметры голосового тракта.
Важным видится то, что одним из наиболее важных примеров приложений для обработки речевого сигнала является вокодер или голосовой кодер (voice-coder), созданный Дадли в 1930 году. Целью разработки вокодера было уменьшение полосы частот для передачи речи. Эта задача остается актуальной и сегодня, несмотря на наличие широкополосных спутниковых, микроволновых и оптических систем связи.
При этом кодирование речи обеспечивает компактное цифровое представление аналогового речевого сигнала, обеспечивая высокое качество передачи речи по цифровым телефонным сетям. Кроме того, возникает необходимость снижения скорости передачи (сжатия) речевых сигналов в военной и других областях для обеспечения закрытой связи.
Цель работы – исследование преобразования и обработки речевых сигналов в системах подвижной радиосвязи. Поставленная цель предполагает решение следующих задач:
изучить особенности параметрического кодирования речи;
рассмотреть вокодеры с линейным предсказанием (липредеры);
исследовать особенности кодирования речи в гибридных кодерах;
рассмотреть речевые кодеки абонентских терминалов стандарта GSM;
проанализировать особенности оценки качества передачи речевых сигналов в системах подвижной радиосвязи.
При написании работы использовались такие методы, как теоретическое обоснование темы, изучение научных источников, а также их сравнительный анализ.


Глава 1 Теоретические основы особенностей кодирования речи

1.1 Параметрическое кодирование речи
Начнем с того, что речь предназначена для общения. Возможности речи с данной точки зрения можно охарактеризовать по-разному. Один из количественных подходов основан на теории информации, разработанной К. Шенноном. Согласно этой теории, речь может быть описана ее информационным содержанием или информацией [1, с. 5]. Другой способ описать речь - представить ее как сигнал, то есть как акустическое колебание.
Для решения двух основных задач компилятивного синтеза было разработано параметрическое представление сигнала, абстрагированного от речевой волны и представляющего ее в виде определенных параметров [6, с. 155]. Этот подход уменьшает объем памяти, необходимый для словаря, и обеспечивает большую гибкость, чем с компилятивная модель.
Отметим, что параметры отражают наиболее характерную информацию либо во временной, либо в частотной области. Одним из подходов параметризации является представление речевой волны путем суммирования отдельных гармоник на этой частоте. Другой вариант параметрического представления речевого тракта – формантный, который генерирует речь искусственно, создавая необходимый набор резонансов. Данная система работает с параметрами основного тона и форматами.
Важным видится то, что при кодировании сигнальной формы практически не учитываются свойства артикуляционного аппарата человека, а также особенности его слухового восприятия. Тем не менее именно здесь заключен существенный ресурс избыточности речевого сигнала (РС). Широкое параметрическое представление речевого сигнала основано на использовании этого ресурса избыточности.
Таким образом, параметрическое представление РС основано, прежде всего, на данных о механизмах формирования речи, то есть применяется своеобразная модель речевого тракта, что, в свою очередь, привело к развитию таких систем, как анализ-синтез, называемых вокодерными системами или вокодерами.
Так, вокодером называется устройство синтеза речи, основанного на произвольном сигнале с богатым спектром [3]. Сегодня имеются как аппаратные, так и виртуальные реализации этого устройства. Данное устройство позволяет обеспечить большую пропускную способность канала связи, сжимая поток информации, а также позволяет кодировать передаваемую информацию, что особенно важно на данный момент, вследствие активного использования и продолжающегося развития коммуникационных технологий, таких как беспроводная мобильная связь.
Следует отметить, что главным недостатком вокодеров является низкое качество речи, в связи с чем они используются в основном в военных связях, где главное – не естественность речи, а ее высокая степень сжатия и, соответственно, хорошая разборчивость.
Работа вокодеров основана на анализе характеристик человеческой речи. На рисунке 1 показаны условно-частотные характеристики речи как функции времени.

Рисунок 1 - Пример распределения энергии в частотных диапазонах
На рисунке изображены частотные полосы (от 0 до 1 КГц, от 1 КГц до 2 КГц и т. д.), а также распределение энергии по ним при произнесении фразы. Как можно видеть из данного рисунка, энергия распределяется во времени только в некоторых частотных диапазонах и различается по величине. Отдельные пики энергии, которые возникают в одном частотном диапазоне, называются фонемами.
Далее, отметим, что различают следующие типы вокодеров (по принципу определения параметров фильтровой функции):
канальные (полосовые);
формантные;
ортогональные;
вокодеры с линейным предсказанием (липредеры - с Линейным ПРЕдсказанием РЕчи).
При этом в параметрическом вокодере из речевого сигнала выделяют два типа параметров и затем по этим параметрам на приеме синтезируют речь:
параметры, которые характеризуют огибающую спектра речевого сигнала (функция фильтра);
параметры, которые характеризуют источник речевых колебаний (генератора) - частота основного тона, ее изменение во времени, моменты появления и исчезновения основного тона, шумового сигнала.
Так, в полосовых вокодерах речевой спектр разделен на 7-20 полос (каналов) аналоговыми или цифровыми полосовыми фильтрами. Большее количество каналов в вокодере придает большую естественность и разборчивость. С каждого полосового фильтра сигнал поступает на детектор и фильтр низких частот с частотой среза 25 Гц. Таким образом, сигналы на выходе каждого канала изменяются с частотой менее 25 Гц. Их передача возможна в аналоговой или цифровой форме.
В свою очередь, огибающая спектра речи в формантных вокодерах описывается комбинацией формант (другими словами, резонансных частот голосового тракта). Основные параметры формант – центральная частота, амплитуда и ширина. [1, с. 121]
Далее, в ортогональных вокодерах огибающая мгновенного спектра расположена последовательно в соответствии с выбранной системой ортогональных базисных функций. Рассчитанные коэффициенты этого разложения передаются принимающей стороне. Широкое распространение получили гармонические вокодеры, которые используют разложение рядов Фурье.
Наконец, вокодеры с линейным предсказанием (Linear Prediction Coding, LPC) или липредеры, основой которых является оригинальный математический аппарат. В настоящее время передача информации в сотовых сетях, а также голосовая связь через Интернет (IP-телефония) является очень популярным методом кодирования с предсказанием. Они могут использоваться как в чистом виде, так и в сочетании с другими видами кодирования, например вокодерами, которые будут рассмотрены подробнее в следующем разделе.
1.2 Вокодеры с линейным предсказанием (липредеры)
В настоящее время в системах мобильной связи широко используются вокодерные методы, основанные на методе линейного предсказания. Суть метода речевого кодирования линейного предсказания (Linear Predictive Coding – LRS) заключается в том, что по линии связи передаются не параметры речевого сигнала, а параметры фильтра, в некотором смысле эквивалентные речевому тракту, и параметры сигнала возбуждения фильтра, который используется в качестве фильтра линейного предсказания [1, с. 150].
Отметим, что задачей кодирования на передающем конце линии связи является оценка параметров фильтра и параметров сигнала возбуждения, а задачей декодирования на приемном конце является пропускание сигнала возбуждения через фильтр, на выходе которого получается восстановленный речевой сигнал. Значения коэффициентов предсказания, которые являются постоянными на интервале кодируемого речевого сегмента (на практике длительность сегмента составляет 20 мс), определяются из условия минимизации среднеквадратичного значения остатка предсказания на интервале сегмента.
Необходимо сказать, что вокодеры с линейным предсказанием (рисунок 2,3) в отличие от вышеназванных применяет для передачи речи не фильтры, а систему линейного предсказания [2]. В линию передается разностный сигнал между истинным и предсказанным значениями. Коэффициенты предсказания применяются для предсказания управлением, восстанавливающим генератором на приеме и добавления генератором шума для передачи глухих и "свистящих" согласных.

Рисунок 2 - Схема передающей части вокодера с линейным предсказанием

Рисунок 3 - Схема приемной части вокодера с линейным предсказанием
Таким образом, процедура кодирования речи в методе линейного предсказания выглядит следующим образом:
оцифрованный речевой сигнал разрезается на отрезки длительностью 20 мс;
для каждого отрезка оцениваются параметры фильтра линейного предсказания и параметры сигнала возбуждения;
в простейшем случае может использоваться остаток предсказания, полученный путем пропускания речевого отрезка через фильтр с параметрами, найденными из оценки для этого отрезка;
параметры фильтра и параметры сигнала возбуждения кодируются по определенному закону и передаются в канал связи.
Резюмируя вышесказанное, отметим, что процедура декодирования речи заключается в пропускании принятого сигнала возбуждения через синтезирующий фильтр известной структуры, параметры которого передаются одновременно с сигналом возбуждения

Зарегистрируйся, чтобы продолжить изучение работы

Больше рефератов по информационной безопасности:

Место и роль законодательной власти в обеспечении национальной безопасности

Аа
34653 символов
Информационная безопасность
Уникальность

Принципы системного подхода к защите информации

Аа
18988 символов
Информационная безопасность
Уникальность

Стратегия национальной безопасности Российской Федерации

Аа
15896 символов
Информационная безопасность
Уникальность
Все Рефераты по информационной безопасности
Закажи реферат

Наш проект является банком работ по всем школьным и студенческим предметам. Если вы не хотите тратить время на написание работ по ненужным предметам или ищете шаблон для своей работы – он есть у нас.