Компандирование спектра речевого сигнала на основе его огибающей и фазы тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.13.17, кандидат технических наук Кузнецов, Сергей Николаевич

• Кузнецов, Сергей Николаевич
• кандидат технических наук
• 2006

Оглавление диссертации кандидат технических наук Кузнецов, Сергей Николаевич

ВВЕДЕНИЕ

1. АНАЛИТИЧЕСКИЙ ОБЗОР ИСТОЧНИКОВ ПО МЕТОДАМ

СЖАТИЯ ПО ЧАСТОТЕ РЕЧЕВЫХ СИГНАЛОВ

1.1. Сжатие по частоте аналоговых речевых сигналов

1.2. Сжатие по частоте цифровых речевых сигналов

1.3. Синтетические вокодеры

2. РАЗРАБОТКА МЕТОДОВ ТЕОРЕТИЧЕСКОГО АНАЛИЗА И СИНТЕЗА РЕЧЕВЫХ СИГНАЛОВ

2.1. Уточнение определения аналитического сигнала - основа анализа синтетического метода;

2.2. Следствие уточнения аналитического сигнала

2.3. Связь функций корреляций проекций аналитического сигнала известного и нового определений

2.4. Анализ аппроксимаций экспериментальных кривых спектральной плотности мощности речи

2.5. Модели огибающей речевого сигнала

2.6. Спектральная плотность мощности огибающей речевого сигнала по предложенной модели

2.7. Новый метод определения функции корреляции и спектральной плотности мощности огибающей по предложенной модели

2.8. Математический синтез речевых сигналов по огибающей и частотной составляющим

2.9. Выводы

3. РАЗРАБОТКА, ИССЛЕДОВАНИЕ ВЫДЕЛИТЕЛЕЙ

ОГИБАЮЩЕЙ И УГЛОВОЙ СОСТАВЛЯЮЩЕЙ PC

3.1. Общий подход к решению данных схемотехнических задач

3.2. Полосовой фазовращатель (ПФВ) на 90° высокой точности - общий блок бесфильтрового выделителя огибающей и фазы PC

3.3. Блок извлечения корня квадратного из квадрата огибающей и его анализ5J.

3.4. Особенности бесфильтрового выделителя фазы PC

3.5. Полная схема бесфильтрового выделителя огибающей и фазы PC

3.6. Особенности фильтрового выделителя частотной составляющей и фазы PC

3.7. Схема синтеза PC по его огибающей и частотной составляющей

3.8. Особенности цифровой передачи огибающей и частотной составляющей PC

3.9. Анализ частотной эффективности предложенного метода компандирования PC

3.10 Выводы

4. ПОВЫШЕНИЕ ПОМЕХОУСТОЙЧИВОСТИ ПРИЁМА РЕЧЕВЫХ СИГНАЛОВ ПО СИНТЕТИЧЕСКОМУ МЕТОДУ

4.1. Исследование работы когерентного демодулятора ОФМн сигналов

4.2. Исключение обратной работы демодулятора сигналов с ОФМн за счет использования в нём параметрона

4.3. Коммутационный метод формирования опорного колебания для когерентного декодирования ОФМн сигналов

4.4. Исключение обратной работы когерентного демодулятора сигналов с абсолютной ФМн на 180° за счёт изменения угла манипуляции

4.5. Исключение обратной работы фазового детектора на базе делителя фазы входного ФМн сигнала

4.6. Исключение обратной работы когерентного демодулятора сигналов с абсолютной ФМн на 180° за счёт использования ФАПЧ и ЧД

4.7. Компьютерный метод исследования демодуляторов сигналов с ФМн, ОФМн

4.8. Подавление акустических шумов с помощью вейвлет-преобразования

4.9. Разработка пассивного апериодического фазового манипулятора на 180°

4.10 Выводы

5. ДОПОЛНИТЕЛЬНОЕ СЖАТИЕ ПО ЧАСТОТЕ РАДИОСИГНАЛА

ПРИ КОМПАНДИРОВАНИИ СПЕКТРА PC

5.1 Соотношение между огибающей и фазой PC

5.2 Метод дополнительного сжатия спектра частот PC10Z

5.3 Особенности сжатия PC при формировании по нему ШПСШ

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Компандирование спектра речевого сигнала на основе его огибающей и фазы»

Дефицит частотного ресурса был и остается главной проблемой в радиосвязи. Особенно она обострилась в последнем десятилетии в связи с переходом в радиосвязи на цифровые широкополосные (шумоподобные (ШПС)) сигналы. Системы связи с ШПС являются наиболее перспективными, но их внедрение сдерживается названной проблемой. Последнюю стали решать еще в 20-е годы прошлого столетия путем сокращения полосы частот передаваемого сигнала, за счет чего можно увеличить соответственно число каналов в заданной полосе частот. В начале это был переход с двухполосных на однополосные системы аналоговой связи. Сегодня для этого используется сжатие цифровых сигналов. Наиболее эффективным устройством такого сжатия считаются вокодеры (кодеры голоса) с линейным предсказанием. Такие вокодеры используются в цифровых системах подвижной связи стандартов GSM-R, TETRA, IMT-2000, которые приняты в качестве основных для железнодорожного транспорта России. Однако эти вокодеры сложны, дороги и качество восстановленной речи не всегда достаточно высокое.

В 1984 году на кафедре РЭС МИИТа был предложен метод сжатия речи основанный на другом принципе: путем передачи не целиком, а только параметров речевого сигнала - огибающей и частотной составляющей (или фазы). При этом выигрыш в полосе частот составляет десятки раз. При цифровой передачи этих параметров речи названный выигрыш сохраняется.

Основу такого сжатия речи составляет известный синтетический метод формирования аналогового однополосного сигнала (метод Верзунова М.В.). В этом методе по речевому сигналу вначале формируется однополосное колебание на низкой вспомогательной несущей частоте, из которого выделяются огибающая и частотная составляющая и по ним затем синтезируется однополосный сигнал на рабочей (высокой) частоте передатчика.

В предложенном методе сжатия однополосный сигнал синтезируется не на передающей, а на приемной стороне, что дает основание называть его пространственным синтетическим методом формирования однополосного сигнала или синтетическим методом сжатия по частоте передаваемой речи.

Данный метод может быть использован и в вокодерах с линейным предсказанием, что позволяет дополнительно в десятки раз сжать по частоте передаваемый PC. Основанием для такого утверждения является качественное совпадение функций корреляций полного PC, его огибающей и частотной составляющей.

Позже, в 2000 году, этот метод был предложен другими авторами.

Однако, до сих пор он не исследован до конца, хотя были попытки это сделать. Особенно это касается теоретической части, хотя и экспериментальная часть этого требует: необходимо уточнять качество синтезированной речи. Нужно разработать помехоустойчивые и частотно-эффективные методы передачи указанных составляющих речевого сигнала.

Решению этих задач и посвящена данная работа.

Заключение диссертации по теме «Теоретические основы информатики», Кузнецов, Сергей Николаевич

Выводы по главе

1. На основании функции комплексной переменной показано, что по переданной частотной составляющей PC (без огибающей) на приёмном конце можно восстановить полный PC. При этом полоса частот канала сокращается дополнительно в 2 раза и составляет AFs35r^. Частота дискретизации частотной составляющей F0 >2AF = \00Гц, что определяет скорость её цифровой передачи R = F0 • п = 800бши/с, где п -разрядность кодового слова: п = 8, как в ИКМ. Это меньше, чем в цифровом кодере CELP стандарта TETRA = 6 раз и чем в

13 кодере (RPE/LTR - LTP) стандарта GSM в у =—= 16.25 раза.

0.8

2. Разработан метод увеличения в 2 раза базы ШПС в заданной полосе частот, что весьма актуально, поскольку частотный ресурс является очень дефицитным. Это позволяет увеличить такие показатели, как помехоустойчивость, число каналов в заданной полосе частот, точность определения параметров движения объекта и другие.

В заключение сформулируем основные результаты и выводы по диссертации.

1. Предложена цифровая передача частотной составляющей и огибающей речевого сигнала (PC), при которой степень аналогового сжатия сохраняется по сравнению с цифровой передачей полного PC и составляет 31 раз. При использовании для этого двукратной относительной фазовой манипуляции (ДОФМн) полоса частот дополнительно может быть сокращена в два раза и достигает полосы частот только частотной составляющей. Скорость её цифровой передачи составляет 800 бит/с, это в 6 раз меньше, чем в кодере CELP стандарта TETRA и в 16,25 раз меньше, чем в стандарте GSM.

2. Теоретически показано что и при приёме сигналов с ОФМн по методу сравнения полярностей имеет место обратная работа когерентного детектора, сопровождающаяся одиночными ошибками. Разработаны три новых способа формирования опорного колебания когерентного детектора, у которых отсутствуют скачки фазы на 180° и тем самым полностью исключается обратная работа детектора. Новизна способов защищена тремя патентами России на изобретения. Данные способы позволяют вместо относительной (ДОФМн) использовать абсолютную ФМн на 180° (ДФМн), которая обеспечивает в два раза меньшую вероятность ошибки приёма элементарного символа и упрощает аппаратуру.

3. Разработаны и исследованы схемы выделения огибающей и фазы PC, а также синтез PC по его составляющим. Это позволило записать спектр частотной составляющей реального PC, тем самым экспериментально установить его ширину.

4. Показано, что огибающая PC - обобщённый видеотелеграфный сигнал.

5. Предложена и исследована дополнительная модель речевого сигнала - клиппированный случайный сигнал, рассчитанная спектральная плотность мощности которого соответствует экспериментальной.

6. Предложено более общее определение аналитического сигнала, упрощающее анализ разработанного метода сжатия.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Кузнецов, Сергей Николаевич, 2006 год

1. Горелов Г.В., Ромашкова О.Н., Чан Туан А. Качество управления речевым трафиком в телекоммуникационных сетях // Под ред. Горелова Г.В. -М.: Радио и связь, 2001.

2. Калинцев Ю.К. Криптозащита сообщений в системах связи. -М.: МТУ СИ, 2001. 236с. Учебное пособие.

3. Величкин А.И. Теория дискретной передачи непрерывных сообщений. -М.: Сов. радио, 1970, 296с.

4. Быков С.Ф., Журавлёв В.И., Шалимов И.А. Цифровая телефония. -М.: Радио и связь, 2003, 143с.

5. Верзунов М.В. Однополосная модуляция в радиосвязи. -М.: Воениздат, 1972

6. А.С. 1128397. Система связи с однополосной модуляцией сигналов //Волков А.А. приоритет от 12.09.83

7. А.С. 1030979. Система связи //Волков А.А. приоритет от 27.04.83

8. А.С. 1506506 (СССР) МКИ НОЗс 1/52 Формирователь однополосного сигнала / А.А. Волков Приоритет от 10.02.87.

9. Аладин И.М., Дежурный И.И. Есть ли будущее у системы FDMA // 115-й бизнес-форум «Мобильные системы 2000» -М.:2000. Т.2. - с. 152-158.

10. Аладин И.М., Дежурный И.И., Козленко Н.И. Аналоговый вокодер интегрального типа //Электросвязь 2001 №12

11. Волков А.А. Синтетический метод цифровой передачи речевых сигналов //Электросвязь 7/2004; с.36-38.

12. Волков А.А., Миронов К.В., Кузнецов С.Н. Альтернативное определение аналитического сигнала. Материалы 11-й межрегиональной НТО РЭС им. А.С. Попова «Обработка сигналов в системах телефонной связи и вещания». М. -Пушкинские горы, 2002, с.35-37

13. Волков А.А., Кузнецов С.Н. Метод сокращения дефицита частотного ресурса. //ВКСС connect №2 2006. -с. 105-111.

14. Анго А. Математика для электро- и радиоинженеров. -М.: Наука, 1965.

15. Волков А.А. Радиопередающие устройства. -М.:Маршрут,2002.

16. Левин Б.Р. Теоретические основы статистической радиотехники. -М.: Сов. Радио, 1966. ч.1.

17. Игнатов В.А. Теория информации и передачи сигналов. -М.:Сов. радио, 1979.

18. Горелов Г.В., Фомин А.Ф., Волков А.А., Котов В.К. Теория передачи сигналов на железнодорожном транспорте. -М.:Транспорт, 2001.

19. Окунев Ю.Б. Цифровая передача дискретной информации фазомодулированными сигналами. -М.: Радио и связь, 1991, 295 с.

20. Котельников В.А. Теория потенциальной помехоустойчивости-М.: Радио и связь, 1987.

21. Финк Л.М. Сигналы, помехи, ошибки. М.: Связь, 1978. - 273 с.

22. А.С. СССР №1522376, Устройство восстановления несущей частоты из однополосного-модулированного сигнала / Волков А.А., Приоритет от 11.08.1987.23.3юко А.Г., Кловский Д.Д., Назаров М.В., Финк Л.М. Теория передачи сигналов-М.: Радио и связь, 1976.

23. Под ред. Фомина Н.Н., Радиоприемные устройства/ М.: Радио и связь, 1996.

24. Волков А.А., Кузнецов С.Н., Еще раз о пороге ЧМ / 11-ая Межрегиональная конференция МНТОРЭС имени А.С.Попова,-Пушкинские горы, М., 2000.

25. Горелов Г.В., Волков А.А., Шелухин В.И. Каналообразующие устройства железнодорожной телемеханики и связи -М.: Транспорт, 1999.

26. A.C. 1450070 (СССР), МКИ НОЗ с 1/52. Формирователь однополосного сигнала / А.А. Волков. Приоритет от 5.02.87.

27. А.С. 1461356 (СССР), МКИ Н04В 7/00. Система связи / А.А. Волков. Приоритет от 30.10.86.

28. Гоноровский И.С. Радиотехнические цепи и сигналы М.: Советское радио, 1964.

29. Мандельштам Л.И., Папалекси Н.Д. К теории параметрической генерации переменных токов в системах с малой нелинейностью и произвольной глубиной модуляции. В книге Мандельштам Л.И., Полное собрание трудов, т. 2 М.: АН СССР, 1947г.

30. Васильев Д.В., Витоль М.Р., Горшенков Ю.Н., Самойло К.А. Радиотехнические цепи и сигналы М.: Радио и связь, 1982.

31. Горелов Г.В., Шмытинский В.В., и др. Цифровые телекоммуникационные системы на железнодорожном транспорте. -М.: УМК МПС, 1999.

32. А.С. СССР №146356, МКИ Н04В 7/00. Система связи/ Волков А.А.

33. Каплан А.Е., Кравцов Ю.А., Рылов В.А. Параметрические генераторы и делители частоты М.: Советское радио, 1966.

34. Вишневецкий А.И., Немецкий Г.М. Параметроны и их применение в устройствах связи М.: Связь, 1968.

35. Витерби Э.Д. Принципы когерентной связи М.: Советское радио, 1970.

36. Овчиников A.M. Воробьев С.В., Сергеев С.И. Открытые стандарты цифровой транкинговой радиосвязи М.: Связь и бизнес, 2000.

37. Петрович Н.Т. Передача дискретной информации в каналах с фазовой модуляцией -М.: Советское радио, 1965.

38. А.с. (СССР) 105692. Способ проводной радиосвязи фазоманипулированными колебаниями/ Н.Т. Петрович. Приоритет от 22.2.1954.

39. Громаков Ю.А. Стандарты и системы подвижной радиосвязи М: ЭКО-ТРЕНЗ, 1998.

40. Волков А.А., Миронов К.В., Кузнецов С.Н. Уточнение и устранение обратной работы когерентного демодулятора ОФМн сигналов. Материалы VI Международной НТК «Перспективные технологии в средствах передачи информации» г. Владимир, 2005 с. 129-133.

41. Волков А.А., Кузнецов С.Н. «Преемственность модуляции стандарта GSM». Перспективные технологии в средствах передачи информации. ПТСГТИ 2003 5-я международная НТК г. Владимир. С. 87-91.

42. Нгуен Кань Лам, Кузнецов С.Н. Использование вейвлет-преобразования для фильтрации речевых сигналов от сильных акустических шумов в поезде. Материалы НТК «Неделя науки 20002002» -М.:МИИТ, 2003.

43. Волков А.А., Кузнецов С.Н. Аналитическое представление огибающей и фазы однополосного (речевого) сигнала: Собрание трудов Университета г. Жилина Словацкой республики и ИСУТЭ МИИТа от 2005г.

44. Патент РФ на изобретение №2259005. Формирователь опорного колебания для когерентного детектирования сигналов с ОФМн на 180° /Волков А.А., Миронов К.В., Кузнецов С.Н. Приоритет от 9.12.03.

45. Патент РФ на ПМ №47603 Цифровая система связи с фазоманипулированными ШПС. // Волков А.А., Кузнецов С.Н., Курганова Ю.В. Приоритет от 01.04.05

46. Волков А.А., Миронов К.В., Кузнецов С.Н. Приемник сигналов с абсолютной ФМ на угол 140°< 2ср < 160° Решение о выдаче патента на изобретение по заявке №2004105524/09. Приоритет от 26.02.2004.

47. Под ред. Пирогова А.А. Вокодерная телефония. Методы и проблемы. -М.:Связь, 1974. -536с.

48. Петрович Н.Т. Относительные методы передачи информации М: Кника-М, 2003 -111с. Передача дискретной информации в каналах с фазовой модуляцией - М.: Советское радио, 1965.

49. Банкет B.JL, Дорофеев В.М. Цифровые методы в спутниковой связи.-М, 1988.

50. Беллами Дж. Цифровая телефония. М, 1986.

51. Вокодерная телефония. Методы и проблемы. /Под ред. А.А. Пирогова. -М: Связь, 1974.

52. Рабинер JL, Гоулд Б. Теория и применение цифровой обработки сигналов. М: Мир, 1978.

53. Рабинер Л.Р., Шафер Р.В. Цифровая обработка речевых сигналов. М: Радио и связь, 1981.

54. Сапожков М.А., Михайлов В.Г. Вокодерная связь. М: Радио и связь, 1983.

55. Стил Р. Принципы дельта-модуляции. М, 1979.

56. Баскаков С.И. Радиотехнические цепи и сигналы: Учебник для вузов. 3-е изд. перераб. и доп. М.: Высш. шк., 2000.

57. Теория электрической связи: Учебник для вузов / Под ред. Кловского Д.Д. М.: Радио и связь, 1998.

58. Радиоэлектронные системы. Основы построения и теория: Справочник / Под ред. Ширмана Я.Д. М.: ЗАО «МАКВИС», 1998

59. Карташевский В.Г., Семенов С.П., Фирстова Т.В. Сети подвижной связи. М.: ЭКО-ТРЕНДЗ, 2001.

60. Радиотехнические системы передачи информации: Учебное пособие для вузов / Под ред. В.В. Калмыкова. М.: Радио и связь, 1990.

61. Варакин JI.E. Системы связи с шумоподобными сигналами, М.: Радиосвязь,1985.

62. Волков А. А., Слейман А. X. Функция корреляции на выходе нелинейного бортового ретранслятора с МСД и кодовым разделением каналов // Материалы 10-й межрегиональной НТК НТО РЭС им. А. С. Попова, М.: 2000. С. 181-185.

63. Шмытинский В.В., Котов В.К., Здоровцев И.А. Цифровые системы передачи информации на железнодорожном транспорте. -М.:Транспорт, 1995.

64. Применение интегральных микросхем в электронной вычислительной технике. /Под ред. A.M. Якубовского. Справочник. -М.:Радио и связь, 1987.