Полосные вокодеры (пв)
Типовая структурная схема ПВ приведена на рис.2. Речевой сигнал от микрофона поступает на гребенку полосовых фильтров анализатора. На выходе каждого фильтра включены детектор и сглаживающий фильтр низких частот (ФНЧ), выделяющие огибающую речевого сигнала в данной частотной полосе. Полученные медленно меняющиеся напряжения на выходе ФНЧ характеризуют амплитуду речевых сигналов am(t) в данной частотной полосе. Речевой сигнал поступает также на устройство выделения ОТ, на выходе которого формируется сигнал, характеризующий частоту ОТ (t).
Кроме того, в анализаторе выделяется состав спектра звуков речи: дискретный для вокализованных звуков (то есть тон) и сплошной для невокализованных звуков (т.е. шум). Устройство выделения сигналов тон-шум может работать либо непоср-но от речевых сигналов, либо от сигналов, полученных на выходе устройства выделения ОТ. Поэтому устройство выделения сигналов тон-шум по рис.2 имеет два входа, а в конкретных схемах используется один из них.
РИСУНОК 2
Сигналы, полученные на выходе сглаживающих фильтров СФ и на выходах устройств выделения сигналов основного тона ВОТ и тон-шум ВТШ объединяются и преобразуются в сигналы приемлемые для передачи по каналу связи. Объединение и преобразование производится в устройствах, кот. на схеме показаны как объединяющее устройство.
На приемном конце канала связи производится разделение сигналов в разделяющем устройстве и преобразование их в сигналы, необходимые для работы синтезатора. В аналоговых вокодерах объединяющее и разделяющее устройства реализуются на принципах частотного разделения сигналов, а аналого-цифровых и цифровых вокодерах на принципах временного разделения сигналов. Сигналы тон-шум управляют переключателем, с помощью которого на входную гребенку полосовых фильтров ПФ подается либо широкополосный шум от генератора шума ГШ, либо импульсы от генератора основного тона ГОТ. Последний управляется сигналом (t) таким образом ,что частота следования импульсов на выходе равна частоте основного (ОТ) речевого сигнала на передающем конце. Совокупность ГОТ, ГШ и схема переключателя тон-шум называется генератором речевого спектра (ГРС). С выхода входных ПФ сигналы поступают на амплитудные модуляторы АМ (модулируемые сигналы). На другой вход АМ в качестве модулирующих поступают сигналы, которые обычно после разделяющего устройства проходят через сглаживающие ФНЧ. С выхода АМ сигналя поступают на гребенку выходных ПФ, служащих для уменьшения побочных продуктов модуляции возникающий в АМ. Совокупность схем и узлов, в которых преобразуются речевые сигналы в пределах каждой частотной полосы, (от входа ПФ анализатора до выхода ПФ синтезатора обычно называют спектральным каналом полосного вокодера).
На рис.3 схематически показано преобразование спектра гласного звука в вокодере, содержащем гребенку из идеальных ПФ. Спектр на выходе вокодера отличается от спектра на входе тем, что плавная огибающая спектра заменяется ступенчатой.
Структурные схемы полосных вокодеров могут несколько отличаться от схемы на рис.2. Например, в некоторых схемах отсутствуют устройства выделения и переключения тон-шум. Но вместо этого на ПФ, охватывающие верхнюю часть частотного диапазона постоянно подается шум от ГШ, а на остальные фильтры импульсы ОТ. В других схемах могут отсутствовать сглаживающие фильтры на передаче или приеме. В некоторых схемах синтезатор содержит только одну гребенку ПФ. В последнем случае с ГШ выдается хаотическая последовательность импульсов и АМ работают в режиме амплитудных импульсных модуляторов. Ширина полосы сглаживающих фильтров обычно составляет от 0 до 34 Гц. Для передачи сигналов тон-шум и ОТ достаточной является полоса до 50 Гц. Таким образом ширина полосы, занимаемой вокодерными сигналами без учета потерь на расфильтровку f=N+100 Гц. Число ПФ в вокодерах различно. Наиболее часто используют вокодеры с числом фильтров N=6-12. При увеличении числа фильтров повышается разборчивость и улучшается качество звучания речи, но одновременно возрастает ширина полосы занимаемая сигналом вокодера. Из приведенной формулы следует, что при N=6 f=310Гц, а при N=12 f=520 Гц. По нормам для систем передачи один телефонный канал занимает полосу f=3400-300=3100 Гц, т.е. полосной вокодер дает сжатие полосы примерно в 6-10 раз. При числе спектральных каналов N от 6 до 12 удается получить достаточно высокую разборчивость речи, однако звучание речи существенно отличается от натурального: речь сопровождается специфическими призвуками, узнаваемость голосов не высокая. Ширина полосы фильтров обычно выбирается не одинаковой: в нижней части спектра более узкая , в верхней более широкая. Законы изменения ширины полосы различны: октавный, логарифмический и др. Наиболее часто выбираются полосы равной разборчивости или равного кол-ва информации. Для идеальной работы необходимо было бы иметь фильтры, у которых в полосе пропускания затухание очень мало, а вне ее бесконечно велико. Однако реализовать такие фильтры практически невозможно и используются фильтры, у которых частотные характеристики перекрываются и затухание на средней частоте соседних фильтров составляет 20-45 дБ. За граничную частоту фильтров принимают либо частоту, соответствующую точке пересечения частотных характеристик соседних фильтров, либо частоту , соответствующую определенному затуханию, например, 6 дб. Возможны и другие методы определения граничных частот.
Из-за неидеальности частотных характеристик фильтра реальный спектр на выходе вокодера отличается от приведенного на рис.3д тем, что на границах фильтров изменяются амплитуды сигналов. Это происходит за счет неравномерности характеристики затухания и взаимного влияния сигналов одной и той же частоты, проходящих через соседние фильтры с разным фазовым сдвигом.