3.5.3 Слоговое компандирование

Существенным свойством методов компандирования, описанных для систем с ИКМ, является то, что они рассчитаны на мгно­венный охват всего динамического диапазона кодера в течение каж­дого дискрета. Вследствие этого компандирование по законам и А иногда называют мгновенным. Однако, как уже упоминалось, в ре­чевом сигнале имеется избыточность в уровне мощности, проявляю­щаяся в том, что в течение ста или более дискретов, взятых с частотой 8 кГц, уровень мощности остается относительно постоян­ным. Благодаря этому адаптивная регулировка усиления обеспечивает более эффективное кодирование, чем мгновенное компандирование. Если адаптация регулировки усиления системы имеет периодический характер, который в определенной степени соответствует частоте генерации слогов, то ее называют слоговым компандированием.

Слоговое компандирование первоначально было разработано для снижения уровня шумов незагруженного канала при использовании в шумящих аналоговых каналах [27]. Как показано на рис. 3.35, уровень мощности слогов с малым уровнем увеличивается (сжатие динамического диапазона) на передающей стороне и уменьшается (расширение динамического диапазона) на приемной. В процессе ослабления принятого сигнала восстанавливаются до своего первона­чального уровня слоги с малой мощностью, но также вносится затухание в любые шумы, возникающие в линии передачи. Благодаря этому для сигналов с низким уровнем улучшается отношение сигнала к шумам линии передачи. Усиление на передающей стороне зависит от уровня мощности сигнала за небольшой период времени (длитель­ность слога). Аналогично этому компенсирующее затухание, вводи­мое в приемном полукомплекте, определяется уровнем мощности принятого сигнала за небольшой промежуток времени.

Слоговое компандирование в цифровых системах приводит к та­кому же улучшению отношения сигнал-шум квантования, как и в шумящих аналоговых линиях передачи. Если цифровые кодеры и декодеры рассматривать как часть линии передачи, то процесс усиле­ния сигналов низкого уровня перед кодированием и ослабления их после декодирования существенно уменьшает шум квантования без внесения изменения в уровень сигнала. На практике при слоговом компандировании в том виде, как оно реализовано в оконечных устройствах цифрового преобразования речи, сигнал не усиливается на передающей стороне и не ослабляется на приемной. Вместо этого используется эквивалентный процесс управления размерами шагов в кодере и декодере. Для передаваемого цифрового потока безразлично, усиливается ли сигнал и кодируется с постоянными размерами шагов квантования или он остается неизменным, но коди­руется с меньшими шагами квантования. Таким образом, слоговые компандеры в оконечных устройствах цифрового преобразования ре­чи обычно уменьшают размеры шагов квантования при кодировании и декодировании слогов с малой мощностью, но увеличивают размеры шагов квантования для слогов с большой мощностью.

Хотя слоговое компандирование можно использовать в сочетании с любым типом кодера речевого сигнала, этот способ чаще всего применяется в дифференциальных системах вообще и в системах с дельта-модуляцией в частности. Во многих применениях время адап­тации уменьшается до 5 или 10 мс, что несколько меньше дли­тельности типового слога (приблизительно 30 мс). Однако этот метод все еще продолжают называть слоговым компандированием, чтобы отличить его от мгновенного.

Для подстройки размера шага в декодере в соответствии с подстройкой его в кодере необходимо реализовать некоторые меро­приятия для передачи информации о размере шага с передающей стороны на приемную. Один из методов состоит в передаче инфор­мации о размере шага в явной форме как дополнительной инфор­мации [1б]. Как уже упоминалось при рассмотрении прямой регу­лировки усиления, этот метод имеет ряд недостатков. В общем случае более эффективный подход состоит в извлечении информации о размере шага из передаваемого цифрового потока. Вследствие этого при отсутствии ошибок в канале декодер и цепь обратной связи в кодере оперируют одной и той же информацией. Эта процедура аналогична той, которая используется в аналоговых системах со сло­говым компандированием, где требования к вносимому приемным полукомплектом затуханию определяются уровнем мощности приня­того сигнала за небольшой период времени. В цифровом сигнале содержатся определенные комбинации символов, которые отражают крутизну закодированного сигнала. Выделение информации о боль­шой крутизне приводит к увеличению размера шага, а информации о малой крутизне – к его уменьшению.

Получение информации о размере шага из переданного цифро­вого потока позволяет преодолеть основные недостатки вспомога­тельного кодирования, упомянутого ранее. Следует особо отметить, что поскольку явная передача информации о размере шага отсутст­вует, передача информации дискретизированной речи никогда не прерывается и частота дискретизации речи равна скорости передачи. В цифровом потоке не надо также образовывать циклы для отделе­ния информации о размере шага от результатов кодирования сигнала. Кроме того, если подстройка размеров шага осуществляется плавно, то отдельные приращения достаточно малы, так что случайные ошибочные подстройки на приемной стороне, вызванные ошибками в канале, не являются критичными. Однако в линиях передачи с очень высоким коэффициентом ошибок (порядка одной ошибки на сотню битов) лучшее качество декодированной речи может быть получено, если информация о размере шага передается в явной форме и ее избыточность используется для коррекции ошибок [28].