RU70000U1 - Устройство кодирования речевого сигнала в системах громкоговорящей связи - Google Patents

Abstract

Полезная модель относится к устройствам цифрового кодирования речевых сигналов для их компактного представления в целях передачи и хранения и может быть использовано при построении устройств приема и передачи речевого сигнала в системах громкоговорящей связи. Достигаемый технический результат заключается в минимизации объема цифровых данных, необходимых для представления речевого сигнала в канале импульсно-кодовой модуляции, а значит, и уменьшение требуемой полосы пропускания канала системы громкоговорящей связи. Указанный результат обеспечивается за счет того, что к входному цифровому потоку речевого сигнала применяется трехуровневое адаптивное вейвлет-преобразование с последующей адаптивной пороговой фильтрацией вейвлет-коэффициентов и уплотнением полученных цифровых данных при помощи кода переменной длины (RLE) или кодом Хаффмана. Таким образом, необходимая битовая скорость передачи цифрового потока в канале ИКМ снижается с 64 кбит/сек до 16 кбит/сек, а, значит, требуемая минимальная полоса пропускания аналогового канала становится равной 16 кГц.

Description

Полезная модель относится к устройствам цифрового кодирования речевых сигналов для их компактного представления в целях передачи и хранения и может быть использовано при построении устройств приема и передачи речевого сигнала в системах громкоговорящей связи (ГГС).

По авт.св. №2002134814 известен способ передачи дискретной информации по связному тракту, содержащему в направлении распространения сигнала по меньшей мере аналоговую линию связи и канал импульсно-кодовой модуляции (ИКМ), заключающийся в том, что преобразуют отсчеты подлежащего передаче дискретного сигнала к виду, пригодному для передачи на аналоговой линии связи передают канальный сигнал ИКМ по упомянутому каналу ИКМ, отличающийся тем, что выбирают спектр сигнала, передаваемого по аналоговой линии связи, таким, чтобы скорость передачи информации по упомянутой аналоговой линии связи равнялась скорости передачи информации по каналу ИКМ, а число уровней квантования отсчетов, передаваемых по аналоговой линии связи, было минимально возможным для данной аналоговой линии связи, при преобразовании полученного из аналоговой линии связи сигнала в канальный сигнал ИКМ уменьшают частоту дискретизации этого сигнала пропорционально отношению числа уровней квантования отсчетов, передаваемых по каналу ИКМ, к числу уровней квантования отсчетов, передаваемых по аналоговой линии связи.

Способ в авт.св. №2002134814 обеспечивает передачу любой дискретной информации, но нецелесообразно выделять большую полосу пропускания для передачи речевого сигнала.

Целью изобретения является уменьшение объема цифровых данных, необходимых для представления речевого сигнала в канале ИКМ, для минимизации полосы пропускания при передаче по аналоговой линии связи ГГС способом, описанным авт.св. №2002134814.

Поскольку значимые компоненты речевого сигнала в основном расположены в низкочастотной области, большинство высокочастотных коэффициентов вейвлет-преобразования близки к нулю, а количество низкочастотных коэффициентов экспоненциально уменьшается с повышением глубины разложения, то сжатие вейвлет-разложения сигнала потенциально более эффективно, чем сжатие исходного сигнала. Малые значения вейвлет-коэффициента в означают низкую энергетику соответствующих частотных полос в сигнале. Эти коэффициенты могут быть приравнены нулю без существенного искажения сигнала.

При применение к фильтрованным таким способом вейвлет-коэффициентам известных алгоритмов уплотнения данных, таких как кодирование кодом переменной длины

или кодирование кодом Хаффмана позволяет сократить количество отсчетов необходимых для представления речевого ИКМ-сигнала.

Сущность изобретения заключается в том, что данным устройством входной речевой ИКМ-сигнал разделяется на отрезки - векторы длиной равной степени числа 2, которые классифицируются на вокализованные и шумоподобные при помощи выделения основного тона. Над полученными векторами производится трехуровневое вейвлет-преобразование с последующей фильтрацией вейвлет-коэффициентов пороговой функцией. Параметры вейвлет и пороговой функции определяются в зависимости от типа отрезка речевого сигнала. Три уровня вейвлет преобразования позволяют оптимально разделить вейвлет-коэффициенты для получения максимального количества нулевых вейвлет-коэффициентов. Вектора вейвлет коэффициентов объединяются в один пакет, и выполняется операция уплотнения, после чего в пакет добавляется информация о типе исходного отрезка речевого сигнала и пакет последовательно передается в канал ИКМ ГГС.

На фиг.1. изображена структурная схема передающей части устройства кодирования речевого сигнала. Устройство содержит: блок выборки отсчетов сигнала БВ, блок классификации речевого сигнала БКРС, блок выбора параметров вейвлет и пороговой функций БВПФ, блоки дециматоров для трех уровней Д1, Д2, Д3, блоки свертки с высокочастотным вейвлет-вектором (прямое вейвлет-преобразование) для трех уровней С1В, С2В, С3В, блоки свертки с низкочастотным вейвлет-вектором (прямое вейвлет-преобразование) для трех уровней С1Н, С2Н, С3Н, блоки пороговой функций для трех уровней ПФ1, ПФ2, ПФ3, блок уплотнения и формирования пакета цифровых данных БУФП.

На фиг.2. изображена структурная схема приемной части устройства кодирования речевого сигнала. Устройство содержит: блок выборки отсчетов сигнала БВ, блок выбора параметров вейвлет и пороговой функций БВПФ, блоки свертки с высокочастотным вейвлет-вектором (обратное вейвлет-преобразование) для трех уровней С1В, С2В, С3В, блоки свертки с низкочастотным вейвлет-вектором (обратное вейвлет-преобразование) для трех уровней С1Н, С2Н, С3Н, блоки обратных дециматоров для трех уровней ОД1, ОД2, ОД3, блок формирования отсчетов сигнала БФО.

Устройство работает следующим образом. На входе устройства речевой ИКМ-сигнал поступает на блок выборки, который формирует вектор отсчетов речевого сигнала. Длина вектора должна быть кратна степени числа 2. Далее вектор отсчетов сигнала поступает в блок классификации речевого сигнала, где вектор классифицируется по признаку вокализованности (признак Т/Ш) путем выделения основного тона известными алгоритмами [2]. На основе классификации выбираются параметры вейвлет преобразования (высокочастотный и низкочастотный вейвлет-векторы) и параметр пороговой функции.

Также в блоке Д1 выполняется децимация исходного вектора по четным и нечетным составляющим. Над четными составляющими в блоке С1Н выполняется операция свертки с низкочастотный вейвлет-вектором. Результирующий вектор вейвлет-коэффициентов поступает на следующий уровень вейвлет-преобразования. Над нечетными составляющими в блоке C1В выполняется операция свертки с высокочастотным вейвлет-вектором. Результирующий вектор вейвлет-коэффициентов поступает в блок ПФ1, где выполняется обнуление элементов вектора, меньших параметра пороговой функции. На втором уровне преобразования выполняются аналогичные действия. Третий уровень преобразования отличается тем, что результирующий вектор вейвлет-коэффициентов после блока С1Н поступает не на следующий уровень преобразования, а на блок пороговой функции ПФ4. Четыре результирующие вектора фильтрованных вейвлет-коэффициентов поступают в блок уплотнения и формирования пакета цифровых данных БУФП, где они объединяются в один пакет и над ними выполняется операция уплотнения при помощи кода переменной длины (RLE) или кода Хаффмана при помощи известных алгоритмов [3]. После этого в пакет добавляется признак Т/Ш и с выхода блока БУФП пакет данных последовательно передается в канал ИКМ ГГС.

В приемной стороне кодированный сигнал поступает на блок выборки, который выделяет пакет данных, выбирает из него признак Т/Ш, выполняет декодирование кода уплотнения (переменной длины или Хаффмана) и разделяет пакет на четыре вектора вейвлет-коэффициентов. Признак Т/Ш поступает в блок БВПФ аналогичный одноименному блоку в передающей части. Векторы вейвлет-коэффициентов поступают на входы соответствующих блоков свертки с вейвлет-векторами. Результирующие векторы с выходов блоков высоко и низкочастотной свертки поступают на соответствующие входы блоков обратной децимации, где происходит формирование нового вектора, при этом отсчеты низкочастотного вектора являются четными отсчетами нового вектора, а отсчеты высокочастотного вектора - нечетными. Новый вектор поступает на вход блока свертки с низкочастотным вейвлет-вектором следующего уровня вейвлет-преобразования. Вектор с выхода последнего блока обратной децимации ОД1 является восстановленным вектором речевого сигнала и поступает на вход блока формирования отсчетов ИКМ-сигнала, в котором элементы вектора последовательно передаются на внешний цифро-аналоговый преобразователь и далее индикационное устройство.

При использовании данного устройства необходимая битовая скорость передачи цифрового потока в канале ИКМ снижается с 64 кбит/сек до 16 кбит/сек, а, значит, требуемая минимальная полоса пропускания аналогового канала ГГС становится равной 16 кГц.

ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ

1. Патент РФ №2002134814 С1, МПК G01R 17/02, Опубликован 20.06.2005 Бюл.№17.

2. Дж.Д.Маркел, А.Х.Грэй. Линейное предсказание речи/Под ред. Ю.Н.Прохорова и В.С.Звездина. - М.: Связь, 1980, стр.196-214

3. Nelson М. The Data Compression Book, 2nd ed., M&T books, Nov.1995.

Claims (1)

1. Устройство кодирования речевого сигнала в системах громкоговорящей связи, обеспечивающее минимизацию объема цифровых данных в канале импульсно-кодовой модуляции, необходимых для представления речевого сигнала, путем применения к входному цифровому потоку речевого сигнала трехуровневого адаптивного вейвлет-преобразования с последующей адаптивной пороговой фильтрацией вейвлет-коэффициентов и уплотнения полученных цифровых данных, необходимая битовая скорость передачи цифрового потока в канале ИКМ снижается с 64 кбит/с до 16 кбит/с, а, значит, требуемая минимальная полоса пропускания аналоговой канала становится равной 16 кГц, содержащее передающую часть, включающую блок выборки, формирующий вектор отсчетов речевого сигнала, вход которого является входом устройства, а выход является входом блока классификации речевого сигнала по признаку тон/шум, выход которого соединен с блоком выбора параметров вейвлет и пороговой функций, и входом группы блоков прямого трехуровневого вейвлет-преобразования выходы которых, а также выход блока классификации речевого сигнала являются входами блока уплотнения и формирования пакета цифровых данных, выход которого является выходом передающей части устройства, и приемную часть, включающую блок выборки, выделяющий и декодирующий пакет данных, вход которого является входом приемной части устройства, а выход является входом блока выбора параметров вейвлет и пороговой функций, а также входом группы блоков обратного трехуровневого вейвлет-преобразования, выход последнего из которых является входом блока формирования отсчетов ИКМ-сигнала, выход которого является выходом устройства.