Кодеры стандарта D-AMPS

Цифровой стандарт мобильной ра­диосвязи D-AMPS (Digital Advanced Mobile Phone Service), принятый в США в 1990 г., по своим функциональ­ным возможностям и предоставляе­мым услугам приближается к стандар­ту GSM. Стандарт D-AMPS не принят в европейских странах, за исключени­ем России, где он в основном ориенти­рован на региональное использование.

Блок предварительной обработки выполняет следующие функции:

предварительную цифровую фильтрацию входного сигнала с целью подъема верхних частот, на долю кото­рых в спектре речевого сигнала прихо­дится меньшая мощность;

«нарезание» сигнала на сегменты по 160 выборок (20 мс).

Для каждого 20-мс сегмента оце­ниваются параметры фильтра кратко­временного линейного предсказания – 10 коэффициентов частичной корреля­ции ,  (порядок предсказа­ния М = 10), которые непосредствен­но кодируются для передачи в канал связи без каких-либо дополнительных преобразований, и оценивается ампли­тудный множитель р, определяющий энергию сегмента речи.

Сигнал с выхода предваритель­ной обработки фильтруется фильтром-анализатором кратковременного ли­нейного предсказания A(z), имеюще­го форму трансверсального линейного фильтра, для чего коэффициенты ча­стичной корреляции  преобразуются в коэффициенты линейного предсказа­ния .

Выходной сигнал фильтра крат­ковременного предсказания (остаток предсказания ) используется для оценки параметров фильтра  дол­говременного предсказания – задерж­ки τ и коэффициента предсказания , причем параметры долговременного предсказания оцениваются в отдель­ности для каждого из четырех подсегментов по 40 выборок, на которые раз­деляется сегмент из 160 выборок.

Для каждого из подсегментов определяются параметры сигнала воз­буждения. Для этого в составе коде­ра используется схема, аналогичная входящей в состав декодера, которая включает фильтры-синтезаторы крат­ковременного и долговременного  предсказания и две кодовые кни­ги и реализует метод «анализа-через-синтез». Каждая из кодовых книг сиг­нала возбуждения содержит 128 кодо­вых векторов, по 40 элементов в ка­ждом.

Все кодовые векторы одной книги являются элементами 7-мерного линейного подпространства в 40-мерном пространстве. Каждая кодовая книга, содержащая 128 векторов, задается семью базисными векторами и 128 кодовыми словами (7-элементными векторами коэффициентов линейных комбинаций) с однобитовыми элементами.

Сигнал возбуждения фильтр синтезатора кратковременного предсказания, в соответствии со схемой декодера рис. 5.4, является суммой векторов возбуждения из двух кодовых книг и вектора с выхода фильтра синтезатора долговременного предсказания. Векторы возбуждения из кодовых книг до подачи на сумматор умножаются на соответствующие коэффициенты усиления  и , а входным сигналом фильтра-синтезатора долговременного предсказания является, в зависимости от участка сегмента, выходной сигнал того же фильтр или суммарный сигнал возбуждения фильтра-синтезатора кратковременно­го предсказания. Параметры сигна­ла возбуждения – номера векторов возбуждения  и  из первой и вто­рой кодовых книг и соответствующие коэффициенты усиления  и  – определяются по критерию миниму­ма среднеквадратичной ошибки на вы­ходе фильтра-синтезатора кратковре­менного предсказания, входящего в со­став кодера. Предварительно базис­ные векторы обеих кодовых книг ортогонализируются: для первой книги – по отношению к выходному вектору фильтра-синтезатора долговременно­го предсказания, для второй книги – по отношению к тому же выходному вектору и к базисным векторам первой книги.

В результате выходная информа­ция кодера речи для 20-мс сегмента включает:

• параметры фильтра кратковре­менного линейного предсказания – 10 коэффициентов частичной корреляции , , и амплитудный множи­тель р – один набор на весь сегмент;

• параметры фильтра долговре­менного линейного предсказания – ко­эффициент предсказания  и задержку τ – для каждого из четырех подсегментов;

• параметры сигнала возбуждения – номера  и  векторов возбуждения из двух кодовых книг и соответствую­щие коэффициенты усиления  и  – для каждого из четырех подсегментов.

В табл. 5.2 приведено содержание выходной информации кодера с указа­нием числа бит, используемых для ко­дирования.

Таблица 5.2

Кодирование выходной информации кодера речи стандарта D-AMPS

Передаваемые параметры	Число бит	Примечание
Параметры кратковременного предсказания (коэффициенты частичной корреляции , )	38	– 6 бит;  – по 5 бит;  – по 4 бита;  – по 3 бита;  – 2 бита
Амплитудный множитель (энергия сегмента) р	5
Задержка фильтра долговременного предска­зания τ (для каждого из четырех подсегментов)	28	7 бит на каждый подсегмент
Номера векторов возбуждения  и  из двух кодовых книг (для каждого из четырех подсег­ментов	56	h и i2 по 7 бит
Коэффициенты усиления ,  и  (для каждо­го из четырех подсегментов)	32	8 бит на каждый подсегмент; векторно­му квантованию и кодированию подвер­гаются некоторые функции от ,  и
Всего на 20-мс сегмент	159

Общий объем информации, выдаваемой для 20-мс сегмента речи, составляет 159 бит. Поскольку исход­ный объем информации на входе коде­ра составляет 1280 бит (160 выборок по 8 бит), кодер осуществляет сжатие информации более чем в 8 раз. Пе­ред передачей в канал связи выходная информация кодера речи подвергается дополнительному канальному кодиро­ванию, причем разные параметры в за­висимости от их важности для обеспе­чения качества речи кодируются с раз­личной степенью избыточности.

Функционирование декодера осу­ществляется по следующему алгорит­му. Сигнал возбуждения фильтра-син­тезатора кратковременного предсказа­ния формируется таким же образом, как и в синтезирующей схеме кодера:

по номерам  и  из кодовых книг выбираются векторы возбуждения, ко­торые умножаются соответственно на коэффициенты усиления  и  и складываются с выходным вектором фильтра-синтезатора долговременного предсказания, определяемого параме­трами  и τ.

Окончательно сигнал возбужде­ния фильтруется фильтром-синтеза­тором кратковременного предсказа­ния, выполненного в форме трансверсального фильтра, т.е. параметры фильтра преобразуются из коэффициентов частотной корреляции  в коэффициенты предсказания . Для улучшения субъективного качества синтезированной речи выходной сигнал фильтра-синтезатора подвергается цифровой адаптивной постфильтрации и с выхода постфильтра получается восстановленный цифровой речевой сигнал.

Кодеры TETRA

TETRA (Trans-European Trunked Radio) представляет собой стандарт цифровой транкинговой радиосвязи, состоящий из ряда спецификаций, разработанных Европейским институ­том телекоммуникационных стандар­тов ETSI.

TETRA — открытый стандарт, т.е. доступ к спецификациям TETRA сво­боден для всех заинтересованных сто­рон. В связи с этим оборудование раз­личных производителей должно быть совместимо.

Стандарт TETRA создавался как единый общеевропейский цифровой стандарт. Стандарт разработай на основе технических решений и реко­мендаций стандарта GSM и ориенти­рован на создание систем связи, эф­фективно и экономично поддержива­ющих совместное использование сетей различными группами пользователей с обеспечением секретности и защищен­ности информации.

Речевой кодер TETRA основан на модели кодирования CELP – с ли­нейным предсказанием с кодовым воз­буждением. В этой модели блок из N речевых выборок синтезируется пу­тем фильтрации соответствующей об­новленной последовательности из ко­довой книги, масштабированной коэф­фициентом усиления , с помощью двух изменяющихся во времени филь­тров.

Первый фильтр является филь­тром долгосрочного предсказания (фильтром основного тона), цель ко­торого – моделирование псевдоперио­дического речевого сигнала, а второй – фильтр краткосрочного предсказа­ния – моделирует огибающую речево­го спектра.

Передаточная характеристика долгосрочного фильтра (или фильтра синтеза основного тона) определяется формулой

где Т – задержка основного тона; – коэффициент усиления основного тона. Фильтр синтеза основного тона вы­полнен как адаптивная кодовая книга, где для задержек, меньших чем дли­на подфрейма, повторяется последнее возбуждение.

Краткосрочный фильтр синтеза определяется формулой

где , , – параметры ли­нейного предсказания; р – порядок предсказателя. В кодере TETRA по­рядок р = 10.

При способе анализа-через-синтез синтезированная речь вычисляется для всех кандидатов – последователь­ностей, составляя особую последова­тельность, которая и формирует вы­ходной сигнал, наиболее близкий к исходному, в соответствии с взвешен­ной величиной измеренных искажений. Фильтр взвешивания, корректирую­щий ошибку предыскажений в области форманты спектра речи, определяется формулой

                                                                            (5.1)

где  – обратный (инверсный) фильтр линейного предсказания;  (используется значение ). Для взвешивающего филь­тра  и фильтра синтеза формант  используются квантованные па­раметры линейного предсказания.

В алгебраическом CELP (ACELP) используется специальная кодовая книга, имеющая алгебраическую структуру. Эта алгебраическая струк­тура имеет некоторые преимущества в отношении сохранения, сложности поиска и устойчивости (робастности). Кодер TETRA использует специаль­ную динамическую алгебраическую кодовую книгу возбуждения, посред­ством которой, а также динамической матрицы формы образуются фиксиро­ванные векторы возбуждения. Матри­ца формы – это функция модели A(z) линейного предсказания. Главная ее роль – формировать векторы возбу­ждения в частотной области так, что­бы их энергии были сконцентрированы в наиболее важных частотных полосах. Используемая матрица формы являет­ся триангулярной Теплицевой матри­цей низшего порядка, сформированной из импульсного отклика фильтра:

                                                                            (5.2)

где A(z) — инверсный фильтр линей­ного предсказания (в конкретных реа­лизациях  и ).

В кодере TETRA используются фреймы речи по 30 мс. Это требует­ся для того, чтобы параметры кратко­срочного предсказания вычислялись и передавались в каждом речевом фрей­ме. Речевой фрейм разделен на четы­ре подфрейма по 7,5 мс (60 выборок). Основной тон и параметры алгебраиче­ской кодовой книги также передаются в каждом подфрейме. В табл. 5.3 пред­ставлено распределение бит для коде­ра TETRA. Должно быть сформиро­вано 137 бит для каждого фрейма по 30 мс, что в результате дает скорость 4567 бит/с.

Таблица 5.3