3.3.2 Корреляция между дискретами
Высокий коэффициент корреляции порядка 0,85 показывает, что при любой попытке существенно уменьшить скорость передачи необходимо учитывать корреляцию между соседними дискретами. Фактически при частоте дискретизации 8 кГц существует также значительная корреляция между дискретами, расположенными через один и через два дискрета. Единственно, что корреляция между дискретами возрастает с увеличением частоты дискретизации.
Простейшим спрособом использования корреляции между дискретами речи является кодирование только разностей между соседними дискретами. Результаты измерений накапливаются затем в декодере для восстановления сигнала. По существу, эти системы кодируют крутизну или производную сигнала на передающей стороне и восстанавливают сигнал путем интегрирования на приемной стороне. Алгоритмы аналогово-цифровых преобразований такого типа рассматриваются в последующих разделах.
3.3.3 Корреляция, связанная с периодичностью в сигнале
Хотя для передачи речевого сигнала и требуется вся полоса от 300 до 3400 Гц, предоставляемая каналом ТЧ, в любой конкретный момент времени определенные звуки могут быть построены только из колебаний нескольких частот в пределах этой полосы. Если звук имеет только несколько основных частот, то в сигнале наблюдается сильная корреляция между болшим числом дискретов, относящихся к нескольким периодам колебаний. Периодический характер гласных и звонких согласных звуков виден на рис. 3.22.
Кодеры, использующие избыточность, обусловленную периодичностью речи, являются существенно более сложными устройствами, чем кодеры, предназначенные только для удаления избыточности в соседних дискретах. Фактически эти кодеры представляют собой более или менее превосходную форму от кодеров сигнала, работающих с относительно высокой скоростью передачи и обеспечивающих натуральное звучание, к вокодерам, работающим с относительно низкой скоростью передачи и дающим синтетическое звучание.
3.3.4 Корреляция между периодами основного тона
По способам генерации звуки человеческой речи часто относят к одной из двух категорий. Первая категория охватывает звуки, которые создаются в результате вибрации голосовых связок. При каждой вибрации поток выдыхаемого воздуха пропускается из легких в речеобразующий тракт. Интервал времени между прохождением струй воздуха, возбуждающих речеобразующий тракт, называется периодом основного тона, или, более просто: частота возбуждения соответствует основному тону. В общем смысле такие звуки возникают пригенерации гласных звуков и некоторой части согласных. Пример реализации такого звука представлен на рис. 3.22.
Вторая категория звуков включает в себя щелевые, или глухие звуки. Глухие звуки возникают при непрерывном протекании воздуха от легких через речеобразующий тракт, суженный в некоторой точке для образования тублентностей воздуха. Глухие звуки относятся к некоторым согласным, таким как ф, с. Пример сигнала глухого звука представлен на рис. 3.23. Отметим, что глухой звук существенно больше похож на случайный сигнал, чем гласный или звонкий согласный.
Как показано на рис. 3.22, на гласных или звонких согласных звуках заметна не только избыточность, связанная с периодичностью в сигнале и упомянутая в разд. 3.3.3, но и долговременная периодичность, относящаяся к основному тону. Вследствие этого одним из наиболее эффективных способов кодирования звонких отрезков речи является кодирование сигнала на одном периоде основного тона и использование результатов этого кодирования как шаблона на каждом последующем периоде основного тона в одном и том же звуке. Периоды основного тона составляют обычно от 5 до 20 мс для мужчин и от 2,5 мс до 10 мс для женщин. Поскольку типовой гласный или звонкий согласный звук длится примерно 100 мс, в один звук может уложиться 20-40 периодов основного тона. Хотя кодирование на периоде основного тона может значительно уменьшить скорость передачи, иногда основной тон очень трудно выделить. (Отнюдь не все звонкие согласные звуки содержат четко идентифицируемый период основного тона, какой показан на рис. 3.22). Если же закодировать сигнал на периоде основного тона с ошибками, то это приводит к созданию необычных звуков.
Интересный аспект кодирования на периоде основного тона состоит в том, что это дает средства для ускорения речи при сохранении разборчивости. При удалении некоторой части периодов основного тона из каждого звука (фонемы) частота генерации речи существенно возрастает, что в некоторой степени аналогично более быстрому формированию слов. Основной тон звуков остается неизменным. В противоположность этому, если просто увеличить скорость восстановления, то все частоты, включая и основной тон, пропорционально увеличатся. Небольшое ускорение дает заметные искажения, а при значительном ускорении речь становится неразборчивой. Устройства, предназначенные для имитации ускоренного формирования слов, показали, что люди способны воспринимать речевую информацию намного быстрее, чем нормально ее воспроизводят.