Вокодеры с линейным предсказанием (липредеры).

Этот тип вокодера (рис. 3, рис. 4), в отличие от остальных типов, для передачи речи применяет не фильтры, а систему линейного предсказания. В линию передается разностный сигнал между истинным и предсказанным значениями. Коэффициенты предсказания используются для предсказания управлением, восстанавливающим генератором на приеме и добавления генератором шума для передачи глухих и "свистящих" согласных.

Рис. 3. Схема передающей части вокодера с линейным предсказанием

Рис. 4. Схема приемной части вокодера с линейным предсказанием

Вокодеры данного типа работают уже с целыми блоками подготовленных отсчетов. Для каждого такого блока значений вычисляются его характерные параметры: частота, амплитуда и ряд других. Затем из значений этих параметров формируется речевой кадр, готовый для передачи. При таком подходе к кодированию речи, во-первых, возрастают требования к вычислительным мощностям ЦПОС, а во-вторых, увеличивается задержка при передаче, поскольку кодирование применяется не к отдельным значениям, а к некоторому их набору, который перед началом преобразования следует накопить в определенном буфере (см. рис. 5).

Рис.5. Схема функционирования вокодера на основе метода линейного предсказания речи.

Более сложные методы сжатия речи основаны на применении метода линейного предсказания речи в сочетании с элементами кодирования формы сигнала. В этих алгоритмах используется кодирование с обратной связью, когда при передаче сигнала осуществляется оптимизация кода. Закодировав сигнал, процессор пытается восстановить его форму и сравнивает результат с исходным сигналом, после чего начинает варьировать параметры кодирования, добиваясь наилучшего совпадения. Достигнув такого совпадения, аппаратура передает полученный код по линиям связи. На противоположном конце происходит восстановление речевого сигнала. Ясно, что для использования такого метода требуются серьезные вычислительные мощности.

1.3 Принцип метода линейного предсказания.

В вокодерах с линейным предсказанием при анализе речевого сигнала в передающем устройстве определяются коэффициенты предсказания, а в приемном устройстве на основе этих коэффициентов с помощью рекурсивного цифрового фильтра синтезируется эквивалент голосового тракта.

Принцип метода линейного предсказания состоит в том, что прогнозируемая величина речевого сигнала (Pic) в момент выборки h определяется как линейно взвешенная сумма значений сигнала в моменты предшествующих выборок.

,

где – значения речевого сигнала в моменты предшествующих выборок; m=1,2…p; p – порядок предсказания; a_m – коэффициенты предсказания.

Интервалы времени между моментами выборок определяются частотой дискретизации

t_h – t_{h -1}= 1/f_д.

В момент h, когда известны не только предсказанное значения , но и истинное значение речевого сигнала (h), можно определить ошибку предсказания и затем подобрать коэффициенты предсказания таким образом, чтобы ошибка предсказания была минимальной.

Коэффициенты предсказания, значения которых передаются по каналу связи на приемную сторону, используются в качестве переменных параметров в рекурсивном цифровом фильтре, на вход которого подаются сигналы возбуждения. При воспроизведении вокализованных звуков (гласных) – это последовательность импульсов с частотой основного тона, а при воспроизведении невокализованных звуков (согласных) – это случайная последовательность импульсов, формируемых генератором шума.

При кодировании с линейным предсказанием моделируются различные параметры человеческой речи, которые передаются вместо отсчетов речевого сигнала или их разностей. Это позволяет существенно снизить скорость передачи речевого сигнала по сравнению с методами ИКМ, ДИКМ, АДИКМ.

Рис.6. Структура синтезатора речи с линейным предсказанием.

Широко применяемый в настоящее время метод кодирования с линейным предсказанием предусматривает формирование блоков отсчетов (кадров), для каждого из которых вычисляется и передается частота основного тона, его амплитуда и информация о типе возбуждающего воздействия (гармоническое, негармоническое). Структура синтезатора речи с линейным предсказанием показана на рис. 6.

Здесь сигналы возбуждения имеют вид последовательности импульсов на частоте основного тона (для вокализованных звуков) или случайного шума (для невокализованных звуков).

Комбинации спектральных составляющих речи, возникающей, в частности, за счет работы голосовых связок, языка и губ человека, могут быть промоделированы цифровым фильтром с изменяющимися параметрами.

При линейном предсказании обычно производится спектральный анализ речи и выполняется построение систем анализа-синтеза. Во всех случаях параметры синтезатора обновляются при смене анализируемых кадров речевого сигнала.

Чтобы избежать эффектов, связанных со скачками значений параметров, необходимо плавно изменять параметры с помощью интерполяции при переходе от одного фрагмента (сегмента) речи к другому.

При кодировании речевых сигналов по методу LPC обычно применяют метод анализа через синтез (Analysis – by – Synthesis (AbS)).

Рис.7. Иллюстрация метода анализа через синтез ( AbS ), где:

а) кодер

б) декодер ( l ’( h ) значение Pic для момента h , полученное после декодирования)

При этом синтезатор (основной элемент декодера речевого сигнала) используется как составная часть устройства кодирования (рис.7). На основе формируемых данных производится синтез речевого сигнала, который сравнивается в процессе передачи с реальным сигналом, поступающим на вход устройства.

Сигнал ошибки e (h), получаемый в результате вычитания истинного и синтезированного сигналов, используется для уточнения формируемых в кодере данных.

По существу системы, использующие метод LPC, отличаются лишь способами генерирования возбуждающего воздействия и выбора параметров моделирующего фильтра.