Слаботочка Книги ти. Сигналы с большими амплитудами не могут быстро изменяться, поскольку в среднем в них преобладают низкочастотные составляющие. Подход, обеспечивающий более эффективное кодирование в частотной области, включает в себя уплощение спектра перед кодированием сигнала. Уплощение может быть получено в результате прохождения сигнала через цепь, осуществляющую подъем верхних частот. Исходный сигнал восстанавливается при передаче декодированного сигнала через цепь, имеющую дополняющую характеристику с подъемом низких частот. Важным аспектом этого процесса является то, что цепь с подъемом верхних частот имеет во временной области такие же характеристики, как и дифференцирующая цепь, а цепь с подъемом низких частот во временной области имеет характеристики, аналогичные характеристикам интегратора. Таким образом, процесс уплощения спектра, по существу, означает, что на передающей стороне кодируется крутизна сигнала, а на приемной сигнал восстанавливается путем интегрирования - это та же процедура, которая была описана ранее для устранения корреляции между дискретами во временной области. При изучении рис. 3.24 обычно считают, что существенное снижение уровня энергии сигнала на высоких частотах (от 2 до 3,4 кГц) означает, что для передачи речевого сигнала предоставляется полоса, большая, чем необходимо в действительности. Ошибочность такого вывода заключается в том, что существует разница между содержанием энергии и информации в спектре речевого сигнала. Как вскоре узнает любой начинающий программист, содержание переменных в программе может быть сохранено, даже если их обозначения сокращаются за счет удаления всех гласных. В речи гласные требуют большей части энергии и занимают в основном нижнюю часть полосы частот. Согласные, с другой стороны, содержат большую часть информации, но имеют намного меньшую энер-ию и в общем случае более высокие частоты. Следовательно, простого воспроизведения большей части исходной энергии речевого сигнала недостаточно для цифровых систем передачи и запоминания речи. 3.3.7. Кратковременный спектр Спектр речи, показанный на рис. 3.24, усреднен за большой период времени. В течение более коротких периодов времени спектры существенно изменяются и в них становятся видны структуры, специфические для звуков с пиками энергии (резонансами) на одних частотах и провалами энергии - на других. Частоты, на которых возникают резонансы, называются частотами формант, или просто формантами. Гласные и звонкие согласные звуки речи обычно содержат от трех до четырех четко определяемых формант. Эти свойства кратковременного спектра иллюстрирует спектрограмма на рис. 3.25. Спектрограмма - это представление энергии речи в виде функции времени и частоты. Горизонтальная ось представляет время. Q. S I 2 II е-& <l> о ю ч- en гч nj>i i43ouou 3i4H4iredi>i3U3 иешиэ вертикальная - частоту, а яркость отметки соответствует уровню энергии. Таким образом, более темные участки на рис. 3.25 указывают на относительно высокий уровень энергии (форманты) в конкретный момент времени. Кодеры речи в частотной области улучшают эффективность преобразования за счет кодирования наиболее важных компонент спектра на динамической основе. С изменением звуков кодируются различные части (форманты) полосы частот. Период между сменами формант в типовом случае составляет от 10 до 20 мс. Некоторые высококачественные вокодеры вместо использования периодических изменений спектра непрерывно с высокой скоростью следят за постепенным изменением спектра. Вокодеры в частотной области часто требуют меньшей скорости передачи, чем кодеры во временной области, но обычно создают речь с менее натуральным звучанием. 3.4. ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНАЯ ИМПУЛЬСНО-КОДОВАЯ МОДУЛЯЦИЯ Дифференциальная импульсно-кодовая модуляция (ДИКМ) специально разработана для реализации преимуществ, которые дает использование корреляции между дискретами в типовом речевом сигнале. Поскольку диапазон разностей значений дискретов меньше диапазона самих значений дискретов, для кодирования разности величин дискретов требуется меньше разрядов. Частота да1скретизации часто берется той же, что и в сравниваемой ИКМ-системе. Вследствие этого ограничивающий полосу фильтр в кодере и сглаживающий фильтр в декодере в основном такие же, как и в обычных ИКМ-си-стемах. Простейшими средствами получения разности значений дискретов для ДИКМ-кодера являются запоминание предыдущего входного дискрета непосредственно в аналоговой памяти и использование аналогового вычитающего устройства для измерения изменения. Изменения сигнала затем квантуются и кодируются для передачи. Однако структура системы с ДИКМ, показанная на рис. 3.26, является более сложной, так как предыдущая входная величина восстанавливается с помощью цепи обратной связи, в которой накапливаются кодированные разности значений дискретов. По существу, сигнал в цепи обратной связи представляет собой оценку входного сигнала, которая получена путем интегрирования кодированных разностей дискретов. Вследствие этого сигнал обратной связи, полученный таким же образом, используется в декодере для восстановления формы исходного сигнала. Преимущество реализации с цепью обратной связи состоит в том, что при этом ошибки квантования не накапливаются неограниченно. Если сигнал в цепи обратной связи отклоняется от входного в результате накопления ошибок квантования, то при следующей операции кодирования разностного сигнала это отклонение автоматически компенсируется. В системе без обратной связи выходной сигнал, формируемый декодером на противоположном конце линии, может неограниченно накапливать ошибки квантования. Фильтр, ограничивающий полосу Устройство дискретизации, квантователь, кодер Аналоговый входной
сигнала Накопитель Рис. 3.26. Функциональная схема устройства ДИКМ Как и в системах с ИКМ, процесс аналого-цифрового преобразования может осуществляться с компандированием и без него. В некоторых из систем с ДИКМ используют также технику адаптации для подстройки размеров шагов квантования в соответствии с уровнем средней мощности сигнала. (См. обзор различных способов в [18].) Эти способы адаптации часто называют слоговым компандированием в соответствии с интервалом времени между подстройками усиления. Слоговое компандирование рассматривается в разделе, посвященном системам дельта-модуляции, где оно наиболее часто применяется. Пример 3.4. Качество устройства преобразования речи в цифровую форму иногда измеряется с помощью синусоидального колебания с частотой 800 Гц, используемого как типовой испытательный сигнал. Предполагая, что имеется система с ИКМ и равномерным квантованием, способная кодировать синусоиду в заданном динамическом диапазоне, определим, сколько разрядов на дискрет можно сэкономить, используя систему с ДИКМ и равномерным квантованием. Решение. По существу, решение состоит в определении того, во сколько раз уменьшается динамический диапазон разностного сигнала по сравнению с динамическим диапазоном исходного сигнала. Предположим, что амплитуда синусоиды равна А, так что x(t)=A sm 2л800(. Амплитуду разностного сигнала можно получить путем дифференцирования и умножения на временной интервал между дискретами dx/dt= Л 2л800со52я800<; Дл(<;и =Л2я800--=0,628 А. Экономию числа разрядов иа дискрет можно определить как log2(l/0,628)=0,67 разряда. Пример 3.4 показывает, что при одинаковом качестве в системе с ДИКМ можно использовать на 2/3 разряда меньше, чем в системе с ИКМ. В типовом случае система с ДИКМ уменьшает размер кодовой комбинации на один полный разряд. Может быть получена и большая экономия, поскольку в среднем сигналы речи имеют меньшую крутизну, чем тон с частотой 800 Гц (см. рис. 3.24). 3.4.1. Варианты реализации ДИКМ Кодеры и декодеры дифференциальной ИКМ могут быть выполнены [множеством способов в зависимости от разделения функций обработки сигнала между аналоговыми и цифровыми цепями. В одном крайнем случае функции дифференцирования и интегрирования могут быть реализованы посредством аналоговых цепей, в то время как в другом крайнем случае вся обработка сигналов может быть выполнена цифровым способом, а на вход поступают дискреты в форме обычного ИКМ сигнала. На рис. 3.27 представлены структурные схемы трех различных вариантов реализации с различным объемом цифровой обработки сигнала. На рис. 3.27,а изображена система с аналоговым дифференцированием и интегрированием. Аналого-цифровому преобразованию под- + го с Декодер Кодер >- ЦАП ЦАП - Декодер Кодер Декодер Кодер Рис. 3.27. Варианты реализации ДИКМ: а - аналоговое интегрирование; б - цифровое интегрирование; в - цифровое дифференцирование вергается разностный сигнал, а цифро-аналоговому в цепи обратной связи - непосредственно код разности, имеющий ограниченный диапазон. Для интегрирования используются аналоговое суммирование и запоминание в аналоговой памяти. На рис. 3.27,6 представлена система, которая выполняет интегрирование в цифровой форме. Код разности вместо непосредственного преобразования снова в аналоговую форму в цепи обратной связи подвергается здесь суммированию и накапливается в регистре для получения цифрового представления предыдущего входного дискрета. Затем для получения из цепи обратной связи аналогового сигнала, применяемого для вычитания, используется ЦАП на полный динамический диапазон сигнала. Отметим, что ЦАП на рис. 3.27,6 должны обеспечивать преобразование полного диапазона амплитуд дискретов, в то время как ЦАП на рис. 3.27,а преобразуют более ограниченные по амплитуде сигналы разности. На рис. 3.27,в представлена система, где вся обработка сигнала выполняется при помощи цифровых логических схем. Аналого-цифровой преобразователь формирует кодовые комбинации, соответствующие дискретам с полным амплитудным диапазоном, которые сравниваются с аппроксимациями кодовых комбинаций предыдущего дискрета, полученными цифровым способом. Отметим, что в этом случае АЦП должен формировать кодовые комбинации во всем динамическом диапазоне входных сигналов, в то время как АЦП в двух других вариантах обрабатывают только разностные сигналы. Преимущества цифровых вариантов обработки заключаются в том, что цифровые схемы не требуют настройки и легко воспроизводятся, а также пригодны к реализации в виде интегральных микросхем с большой степенью интеграции (БИС). При выполнении на стандартных навесных компонентах аналоговые варианты, очевидно, более просты. Кроме того, стоимость аппаратуры аналого-цифрового преобразования падает с уменьшением диапазона преобразования. Декодеры во всех трех вариантах, показанных на рис. 3.27, реализуются точно так же, как цепи обратной связи соответствующих кодеров. Это связано с тем, что в цепи обратной связи формируется аппроксимация входного сигнала (задержанного на один период дискретизации). Если в канале не происходят ошибки, то сигнал на выходе декодера (перед фильтрацией) идентичен сигналу в цепи обратной связи. Таким образом, чем точнее сигнал в цепи обратной связи повторяет входной сигнал, тем точнее сигнал на выходе декодера повторяет входной сигнал. 3.4.2. Предсказание более высокого порядка С более общей точки зрения ДИКМ-кодер представляет собой особого рода линейный предсказатель с кодированием и передачей ошибок предсказания. Сигнал в цепи обратной связи системы с ДИКМ представляет собой предсказание первого порядка значения следующего дискрета, а разность между значениями дискретов яв- 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 [23] 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 |
|