Вокодеры и их применение

Введение

Вокодер
(английские
voice+coder
–буквально
кодировщик
голоса) это
устройство,позволяющее
синтезировать
речь на основе
минимальной
информации,
некоторого
кода. Так
же под Вокодером
подразумевается
устройство,преобразующее
живую речь в
такой код-сжимающее
ее. Вокодер
позволяет
существенно
(примерно в 10
раз) уплотнить
линию связи
при незначительном
ухудшении
качества передачи.

Попытки
создать “говорящую
машину”
предпринимались
и в прошлом
веке и в нынешнем.Основывались
они на том
обстоятельстве
что человеческая
речь состоит
из незначительного
числа частотных
составляющих
–формант.Тогда
эти
составляющие
получали и
суммировали
механическим
путем (с
помощью системы
мехов ).При
известной
сноровке удавалось
”произносить”
несложные звуки
и даже слова
и фразы.

Естественно
ни о каком машинном
синтезе речевых
потоков а тем
более о передачи
минимальной
информации
необходимой
для синтеза
по каналам
связи тогда
не могло быть
и речи.

С появлением
аналоговых
электронных
устройств (
усилителей,фильтров
) реализация
вокодера стала
возможной.Но
такой вокодер
был достаточно
громоздким
(до появления
интегральных
микросхем)
и кроме того
ообого выигыша
в сокращении
избыточности
при передачи
по каналам
связи не получалось,так
как передавать
номера формант
или еще какую
нибудь нформацию
в аналоговой
форме затруднительно.

Аналоговые
вокодеры позволяли
скремблировать
речь (поменять
ее форманты
местами ) из-за
чего ранее их
пременяли в
системах передачи
конфиденциальной
информации.

Сейчас
аналоговые
вокодеры применяют
в основном для
спец-эффектов
в концертной
практике:речь
обработанная
ими приобретает
характерное
роботизированное
звучание.

С появлением
цифровых БИС
а так же универсальных
ЭВМ стало возможным
построение
ЦИФРОВЫХ аппаратных
и программных
вокодеров
.
На входе такого
вокодера речь
с помощью
аналогово-цифрового
преобразователя
преобразовывается
в

цифровую
форму.Далее
выполняется
ее спектральный
или иной анализ
с помощью
определенных
алгоритмов
обработки.Этот
анализ позволяет
существенно
сжать цифровой
поток получаемый
с АЦП.Кроме
того возможно
шифрование
данных (имеющий
подобный вокодер
не сможет услышать
исходную речь
не зная определенного
ключа) что весьма
бывает важно.а
приемном конце
цифровой поток
преобразуется
обратно в речь
с помощью определнных
алгоритмов
синтеза.

1 Классификация
вокодеров по
способу анализа
и синтеза речи.

По
способу анализа
и синтеза речи
вокодеры
можно
разделить
на
речеэлементные
и параметрические.
В
речеэлементных
вокодерах при
кодировании
распознаются
произносимые
элементы речи
(например, фонема)
и на выход кодера
подаются только
их номера. В
декодере эти
элементы создаются
по правилам
речеобразования
или берутся
из памяти декодера.
Фонемные вокодеры
предназначены
для получения
предельной
компрессии
речевых сигналов.
Область применения
фонемных вокодеров
- линии командной
связи, управление
и говорящие
автоматы
информационно-справочной
службы. В таких
вокодерах
происходит
автоматическое
распознавание
слуховых образов,
а не определение
параметров
речи и, соответственно,
теряются все
индивидуальные
особенности
диктора.
Параметрический
вокодер представляет
собой устройство,
которое совершает
так
называемое
параметрическое
компандирование
речевых сигналов.
Компрессия
речевых сигналов
в кодере осуществляется
в анализаторе,
который выделяет
с речевого
сигнала медленно
меняющиеся
параметры. В
декодере при
помощи местных
источников
сигналов, которые
управляются
принятыми
параметрами,
синтезируется
речевой сигнал.В
параметрических
вокодерах с
речевого сигнала
выделяют два
типа параметров
и по этим параметрам
в декодере
синтезируют
речь:- Параметры,
которые характеризуют
источник речевых
колебаний
(генераторную
функцию) - частота
основного тона,
ее изменение
во времени,
моменты появления
и исчезновения
основного тона
(огласованные
или гортанные
звуки), шумового
сигнала (шипящие
и свистящие
звуки);- Параметры,
которые характеризуют
огибающую
спектра речевого
сигнала.В
декодере,
соответственно,
по заданным
параметрам
генерируются
основной тон,
шум, а затем
пропускаются
через гребенку
полосовых
фильтров для
восстановления
огибающей
спектраречевогосигнала.

По
принципу определения
параметров
фильтровой
функции
различают_вокодеры:-полосные(канальные);-формантные;-ортогональные.
В полосных
вокодерах
спектр речи
делится на 7 -
20 полос (каналов)
аналоговыми
или цифровыми
полосовыми
фильтрами.
Большее число
каналов в вокодере
дает большую
натуральность
и разборчивость.
С каждого полосового
фильтра сигнал
поступает на
детектор для
определения
среднего уровня.В
формантных
вокодерах
огибающая
спектра речи
описывается
комбинацией
формант (резонансных
частот голосового
тракта). Основные
параметры
формант - центральная
частота, амплитуда
и ширина спектра.
В ортогональных
вокодерах
огибающая
мгновенного
спектра разлагается
на составные
части в ряд по
выбранной
системе ортогональных
базисных функций.
Рассчитанные
коэффициенты
этого разложения
передаются
на приемную
сторону. Распространение
получили
гармонические
вокодеры, которые
используют
разложение
в ряд Фурье.
Рассмотренные
вокодеры обеспечивают
сжатие сигнала
до 1200-4800 Бит/с, позволяя
восстановить
в декодере
частоту основного
тона с дискретностью
в несколько
герц и с невысокой
точностью
огибающую
спектра сигнала
с периодом
изменения 16-40
мс.Из-за сложности
определения
параметров
генераторной
функции появились
полувокодеры
(Voice Excited Vocoder, VEV), в которых
вместо сигналов
основного тона
используется
полоса речевого
сигнала до 800
- 1000 Гц, которая
кодируется,
например, АДИКМ,
и вместо характеристик
основного тона
передается