3.3 Избыточность речи

Как уже упоминалось в предыдущих разделах, в обычной системе с ИКМ каждый дискрет входного сигнала кодируется независимо от всех остальных. Таким образом, система с ИКМ, по существу, способна кодировать произвольные случайные сигналы, в которых частоты компонент не превышают половину частоты дискретизации. Анализ речевых сигналов показывает, однако, что при переходе от одного дискрета к другому проявляется значительная избыточность. В действительности, как показано в [7], коэффициент корреляции (мера предсказуемости) между соседними дискретами, следующими с частотой 8 кГц, составляет в общем случае 0,85 или больше. Следовательно, избыточность при обычном ИКМ-кодировании указывает на возможность значительной экономии полосы передачи, что можно осуществить за счет более эффективных методов кодирования. Все методы аналогово-цифрового преобразования, описанные в последующей части этой главы, с целью уменьшения скорости передачи приспособлены в той или иной степени к характеристикам речевых сигналов.

Таблица 3.3– Виды избыточности речевого сигнала

Во временной области

Неравномерное амплитудное распределение Корреляция между дискретами Корреляция, связанная с периодичностью в сигнале Корреляция между периодами основного тона Избыточность, связанная с неактивностью речи (паузы)

В частотной области

Неравномерный усредненный спектр Кратковременный спектр звука

В дополнение к корреляции, существующей между соседними дискретами речевого сигнала, для уменьшения скорости передачи кодированного сигнала можно использовать и несколько других видов избыточности. Они перечислены в табл. 3.3. В нее не включены виды избыточности высокого уровня, относящиеся к контексту передаваемой речи и обусловленные интерпретацией звуков речи (фонем), слов и предложений. Эти вопросы здесь не освещаются, поскольку способы, в которых речевые сигналы анализируются только для извлечения информационного содержания, устраняют субъективные качества, существенные для обычной телефонной связи.

3.3.1 Неравномерное распределение амплитуд

Как уже упоминалось при определении понятия компандирования, дискреты с меньшими значениями встречаются чаще, чем дискреты с большими значениями. Большая часть дискретов с малыми значениями обусловлена паузами в разговоре. Однако и в активных сигналах речи вероятность появления уровней мощности вблизи нижнего края диапазона кодирования также велика. Процедуры компандирования, описанные в предыдущем параграфе, дают слегка пониженное качество (т.е. пониженное отношение сигнал-шум) для малых сигналов по сравнению с большими сигналами. Вследствие этого среднее качество речи при ИКМ-преобразовании может быть улучшено за счет дальнейшего уменьшения размеров шагов квантования для низких уровней и увеличения размеров шагов квантования для высоких уровней. Однако степень улучшения, которую можно было бы получить за счет этого, вероятно, не была бы оправдана из-за дополнительных сложностей, особенно при необходимости сохранить реализуемость линейно-ломаных характеристик для современных компандеров.

Наиболее выгодный подход к обработке амплитуд сигналов для уменьшения скорости передачи на выходе кодера заключается в использовании некоторых видов адаптивной регулировки усиления, которые рассматривались выше. При усреднении за большой период уровень мощности речи одиночного телефонного абонента ограничен диапазоном более узким, чем диапазон для всех абонентов. При рассмотрении меньших отрезков времени в течение длительности отдельных отрезков речи (слогов) поддерживается довольно постоянный уровень мощности. Поскольку слог длится примерно 30 мс, в типовом случае за время между изменениями уровня мощности в цифровом сигнале речи со скоростью передачи 64 кбит/с формируется 1920 битов. Таким образом, добавка скорости для передачи значения уровня мощности незначительна с точки зрения требований к полосе. Системы с ИКМ и почти мгновенным компандированием, упомянутые выше [15], позволяют уменьшить скорость передачи примерно на 30% по сравнению с обычной ИКМ.