ГОУВПО «Московский Энергетический Институт (Технический Университет)» Кафедра Радиотехнических систем Тема магистерской диссертации: «РАЗРАБОТКА И РЕАЛИЗАЦИЯ АЛГОРИТМА СЖАТИЯ РЕЧЕВОГО СИГНАЛА ДЛЯ ПЕРЕДАЧИ В ЦИФРОВОЙ СИСТЕМЕ СВЯЗИ» Выполнил: студент учебной группы ЭР-20-05 Жуков А.М. Научный руководитель: доцент кафедры РТС к.т.н. Сизякова А.Ю. Москва, 2011г. Кодирование источника RB [бит/с] 01011010110101 Канал связи С [бит/с] RB [бит/с] 01011010110101 При RВ ≤ С возможна передача без ошибок При RВ > С передача без ошибок не возможна Основная задача кодера источника – сокращение избыточности, содержащейся в сигнале. Формирование сжатого сигнала. 2 Цели и задачи работы Провести обзор алгоритмов сжатия речи; Провести сравнительный анализ способов сжатия речи; Изучить работу речевого кодека с линейным предсказанием (Linear Predictive Coding) ; Разработать аппаратно-программную модель LPCкодека; Выбрать параметры модели в соответствии с критерием минимизации скорости цифрового потока на выходе кодера при условии сохранения естественного звучания речи. 3 Обзор алгоритмов сжатия речи Алгоритмы Кодирования Речи Кодирование Формы Сигнала Вокальное Кодирование Гибридное Кодирование 4 Алгоритм вокального кодирования РТ - речевой тракт Речь Анализ параметров РТ Передаваемые параметры РТ Канал связи Речь Построение модели РТ. Синтез речи Передаваемые параметры РТ Вокодер – от англ. «voice coder», кодировщик голоса, устройство синтеза речи на основе произвольного сигнала с богатым спектром. 5 Сравнительная характеристика алгоритмов сжатия речи Отличное PCM G.711 ADPCM G.726 Качество речи Хорошее ADPCM G.721 MPLPC (GSM) MPLPC (Skyphone) Удовлетв. LPC-10 Плохое Неудовлетв. 2 4 8 16 32 64 Скорость передачи, кбит/с 6 Вокодер с линейным предсказанием Период ОТ Тот [с] Усиление G ГЕНЕРАТОР ИМП. ГЕНЕРАТОР ШУМА Параметры РТ {Ai} Цифровой фильтр с переменными параметрами Синтезированная речь Кадр анализа – интервал квазистационарности речевого сигнала. Длительность интервала анализа 10…30 мс. 7 LPC-вокодер. Определение коэффициентов цифрового фильтра А1 А2 А3 А4 А5 …... Аp S(n) S(n-1) S(n-2) ………….. S(n-p) r[s(n),s(n-1)]= 0,75 … 0,95 Ai - коэффициенты предсказания r – нормированный коэффициент корреляции R(j) – оценка функции автокорреляции p – порядок предсказателя 8 LPC-вокодер. Определение функции возбуждения 9 Компьютерная модель LPC-кодека Состав компьютерной модели цифровой системы передачи речи: 1. Аппаратная часть модели 2. Программная часть модели LPC_CODER.m DS_KANAL.m LPC_DECODER.m 10 Программный модуль кодера 1. Нормировка и центрирование сигнала → Чтение звукового файла <GOLOS>.au 2. Разделение звуковой дорожки на конечное число интервалов анализа Длительность интервала анализа: 10…30 мс → 3. НЕТ ДА Конец трека ? 5. 4. Формирование числовых массивов выходных данных АНАЛИЗ сегмента речевого сигнала Вычисление АКФ сегмента Вычисление коэффициентов ЦФ Вычисление усиления Выделение признака «шум-тон» и анализ периода ОТ 6. Формирование двоичных битовых последовательностей 7. Запись файлов в рабочую директорию Matlab 11 Программный модуль кодера 12 Программный модуль канала 13 Программный модуль декодера 1. Ввод параметров системы речеобразования 2. Вычисление размерности массивов 3. НЕТ ДА Конец массива ? 5. 4. ФОРМИРОВАНИЕ функции возбуждения Фильтрация функции возбуждения 6. Воспроизведение синтезированной речи 14 Оценка скорости цифрового потока на выходе кодера Частота ОТ – 7 бит Усиление сигнала – 5 бит Коэффициенты фильтра - 4·K_pr бит 15 Результаты моделирования 16 Выводы по работе Проведен обзор существующих алгоритмов сжатия речи; Приведена сравнительная характеристика основных способов речевого кодирования; Разработаны математические модели речевого кодека с линейным предсказанием; Создана аппаратно-программная модель LPC-вокодера; Проведена оптимизация разработанной компьютерной модели в соответствии с критерием минимизации скорости цифрового потока на выходе кодера при условии сохранения естественного звучания восстановленной речи. 17 Сравнительная характеристика алгоритмов сжатия речи РАЗРАБОТАННАЯ МОДЕЛЬ LPC-КОДЕКА 18