3.3.2.1 Кодирование формы речевого сигнала

Кодеры формы позволяют сохранить основную форму непрерывного сигнала. Они не являются специфическими для речи и могут применяться для сжатия любого непрерывного сигнала. Непрерывный сигнал источника кодируется в два этапа. Сначала с помощью аналого-цифрового преобразования (АЦП) формируются последовательности, дискретные по уровню и времени, т.е. производится так называемое натуральное кодирование. Затем используются собственно методы сжатия дискретных последовательностей.

Принцип аналого-цифрового преобразования изложен выше (рис. 4). Поэтому здесь рассмотрим процесс сжатия дискретных последовательностей. Для речевых сигналов числа являются зависимыми случайными величинами. Для сжатия таких последовательностей широко используется кодирование с предсказанием. На рис. 5 показана обобщенная схема такого кодирования [6].

Рисунок 5 – Кодирование с предсказанием

Если известен (даже не очень точно) вид зависимости отсчетов друг от друга, то оценку текущего отсчета можно вычислить (предсказать) по предыдущим отсчетам . При этом в канал разумно посылать только ошибку предсказания . На приемной стороне с помощью такого же предсказателя вычисляется прогноз и восстанавливается сначала текущий цифровой отсчет , а затем (с помощью ЦАП) и аналоговый . Сжатие данных здесь достигается за счет того, что диапазон изменения существенно меньше, чем диапазон изменения . Поэтому при той же точности представления требуется меньше, чем при ИКМ, число двоичных разрядов. Основной проблемой является разработка достаточно просто реализуемых предсказателей, обеспечивающих минимальную среднеквадратическую ошибку .

На практике используется линейное предсказание, при котором

, (2)

где - коэффициенты предсказания; - порядок предсказания, обычно равный 8-10.

Такое экономное кодирование называется дифференциальной ИКМ (ДИКМ). Так как зависимости между отсчетами на отдельных временных интервалах могут меняться, для уменьшения необходимо подстраивать коэффициенты предсказания . Эти изменения должны передаваться на приемную сторону. В этом случае дифференциальную ИКМ называют адаптивной (АДИКМ).

Другой, полярный по отношению к ИКМ, метод кодирования называется дельта-модуляцией (ДМ). Частота дискретизации выбирается в десятки раз больше верхней частоты спектра . Ошибка предсказания представляется одним битом, указывающим только знак ошибки – больше или меньше . Предсказанное значение получается из предыдущего добавлением или вычитанием фиксированного значения (отсюда и название метода кодирования). В зависимости от скорости изменения величину можно оперативно изменять, что соответствует адаптивной ДМ (АДМ). Говорят, что если при ИКМ сигнал квантуется грубо по времени и точно по уровню, то при ДМ – точно по времени и грубо по уровню.

Экспериментально установлено, что качество речи, восстановленной после ИКМ, остается высоким, если частота дискретизации кГц, а каждый отсчет представлен битами. ИКМ с такими параметрами лежит в основе так называемой первичной ИКМ и формирует согласно (1) поток бит со скоростью кбит/с. Однако корреляция соседних отсчетов при этом превышает 0,85, что говорит о высокой избыточности полученной последовательности. Использование ДИКМ, АДИКМ позволяет снизить скорость преобразования примерно в 2 раза с сохранением высокого качества восстановленной речи.