Полосовой вокодер

В полосном вокодере параметрами, описывающими текущий спектр, являются средние уровни энергии речи в полосах, на которые делится частотный диапазон.

Анализатор полосного вокодера состоит из схемы выделения ОТ и устройства для выделения параметров огибающей спектра. Последнее представляет собой совокупность некоторого числа (от 10 до 20) спектральных каналов, в которых производится определение среднего уровня речи. Чем больше будет взято число таких каналов, тем большая будет достигнута точность аппроксимации спектра, но тем меньшим будет коэффициент компрессии.

Погрешность преобразования, как это видно из рис. 4, связана с тем, что реальная огибающая речевого спектра заменена здесь ступенчатой функцией. Степень приближения последней к реальной кривой зависит от числа спектральных каналов.

Рис. 4 Исходный и преобразованный спектр в полосовом вокодере

Полосные вокодеры обеспечивают высокую разборчивость речи (до 85% разборчивости слогов), но натуральность ее, как и в других системах вокодеров, значительно снижается.

Формантный вокодер

В формантных вокодерах восстановление речевого сигнала производится по информации о формантных максимумах. Параметрами, передаваемыми по каналу связи и позволяющими с достаточным приближением синтезировать картину текущего спектра, являются здесь сигналы о средних частотах и уровнях: формант.

Устройство для выделения параметров в анализаторе вокодера состоит из трех каналов, выделяемых с помощью трех широкополосных фильтров ПФ1-ПФ3. Взаимно-перекрывающиеся полосы пропускания этих фильтров соответствуют областям, в которых могут находиться три возможные форманты речевых звуков. На выходе каждого фильтра включено устройство, определяющее частоту и уровень форманты.

В случае формантного вокодера необходимо передать всего 7 параметров.

Рис. 5 иллюстрирует примерное соотношение между спектрами: первичного и синтезированного сигнала. Погрешность воспроизведения, связана с тем, что информация об участках спектра между формантами не передается.

Рис. 5 Примерное сопоставление исходного и преобразованного спектра в формантном вокодере

Формантные вокодеры способны обеспечить больший коэффициент компрессии, чем полосные, но имеют несколько пониженное качество синтезируемой речи (65%).

Гармонический вокодер

В 1958 году А. А. Пироговым был предложен еще один способ построения вокодера, в основе которого лежит гармонический анализ мгновенного спектра, т. е. разложение его огибающей в ряд Фурье с последующей передачей на приемный конец информации о коэффициентах этого ряда.

В основе построения анализатора и синтезатора вокодера этой системы лежит представление мгновенного спектра речи B(w) в виде разложения:

где w - текущая частота, wмакс - верхняя частота спектра, k - членов ряда, соответствующее допустимой погрешности разложения.

Принцип разложения показан на рис. 6.

Рис. 6 Разложение огибающей спектра на гармонические составляющие

Это разложение справедливо для четной периодической функция. Известно, что огибающая речевого спектра в целом не является ни периодической, ни четной функцией частоты. В данном частном случае такое разложение является, однако, правомерным потому. что мы интересуемся здесь воспроизведением функция в ограниченном интервале изменения величины a (от 0 до aмакс), за пределами которого эта функция может быть какой угодно, в том числе и четной периодической.

Анализатор косинусного гармонического вокодера содержит в себе схему выделения ОТ. схему выделения постоянной составляющей основанную на выпрямлении сигнала, и устройство для выделения гармоник ряда Фурье A1,...,Ak, которое может быть реализовано различными способами. Считают, что 4-5 гармоник достаточно для того, чтобы синтезированная речь имела практически приемлемое качество звучания (рис. 6).

Синтезатор вокодера содержит обычное устройство возбуждения тоном или шумом, схему для восстановления фазы гармоник (cos(ra)), модуляторы M1,..., Мk осуществляющие умножение соответствующей амплитуды Аr на cos(ra), и сумматор, выполняющий сложение всех компонент формулы разложения. Через усилитель Ус синтезированная речь поступает на речевой выход вокодера. Коэффициент компрессии гармонических вокодеров примерно такой же, что и формантных. Так, например, при 5 гармониках ряда Фурье и постоянной составляющей общее число передаваемых параметров - 8.

Таким образом, при использовании вокодеров можно получит достаточно хорошее сжатие речи. Но к сожалению эта речь будет страдать не натуральностью, поэтому использование этого метода передачи данных и голоса не будет рекомендоваться для комерческого использования, а только для ведения служебных переговоров. Кроме того, использование крайних участков канала ТЧ заставляет использовать достаточно сложные системы для восстановления принятой информации, так как края канала ТЧ, как говорилось выше подвержены значительным амплитудно-частотным искажениям. А это значит, что данная система все еще требует работы и работы...