Результат интеллектуальной деятельности: СПОСОБ ПОМЕХОУСТОЙЧИВОГО КОДИРОВАНИЯ РЕЧЕВЫХ СИГНАЛОВ В ЦИФРОВОЙ СИСТЕМЕ РАДИОСВЯЗИ

Изобретение «Способ помехоустойчивого кодирования речевых сигналов» относится к области электросвязи, а именно к способам преобразования речевых сигналов в цифровой вид и может быть использовано для построения алгоритмов передачи речевых сигналов по цифровым каналам радиосвязи с большим количеством ошибок.

Известны способы передачи речевых сигналов по цифровым каналам связи низкого качества, основанные на последовательных операциях представления речевого сигнала в цифровой вид с последующим кодированием его помехоустойчивым кодом. Причем эти операции осуществляются в независимых устройствах, как показано на Фиг. 1.

Известные способы аналого-цифрового кодирования речевых сигналов в цифровой вид с использованием дельта-модуляции описаны, например, в [1, 2]. Аналого-цифровое преобразование заключается в том, что цифровое значение e_i очередного i-го отсчета речи определяется разностью между отсчетом входного сигнала x_i и формируемой аппроксимацией этого отсчета y_i, выраженное зависимостью:

где Δ_i - шаг квантования.

При этом для кодирования одного отсчета речи требуется 1 бит двоичного сигнала. Самостоятельное использование данного способа передачи речевого сигнала по цифровым каналам низкого качества нецелесообразно вследствие его недостаточной помехоустойчивости.

Для повышения помехоустойчивости используется избыточное кодирование цифровой информации помехоустойчивым циклическим или сверточным кодом, заключающееся в том, что в сообщение добавляется k проверочных символов, позволяющих обнаружить и (или) исправить возникающие в декодере из-за канала связи ошибки в информации. Известные способы помехоустойчивого кодирования с использованием циклических и сверточных кодов описаны, например, в [3, 4]. Число проверочных символов k может быть равно или даже больше объема информационного сигнала, что приводит к увеличению информационной скорости цифрового канала в два и более раз.

Наиболее близким техническим решением к заявленному изобретению является способ передачи голосовых данных в цифровой системе радиосвязи, заключающийся в аналогово-цифровом преобразовании речевого сигнала с использованием гибридного вокодера с последующим формированием пакета голосовых данных. Для обнаружения ошибок на приеме к данному пакету добавляется циклическая контрольная сумма CRC, а последующее кодирование дополненной циклической контрольной суммой информационной последовательности каждого пакета осуществляется сверточным рекурсивным кодом со скоростью R=1/2. На приеме декодирование принятой последовательности осуществляется стандартным алгоритмом Витерби с последующим восстановлением информационной последовательности из промежуточной кодовой последовательности путем проверки циклической контрольной суммы [5].

Недостатком указанного способа является увеличение информационной скорости цифрового канала связи в два и более раз вследствие одновременного использования циклического и сверточного кодирования, что не позволяет его реализацию в низкоскоростных каналах военной радиосвязи.

Технический результат направлен на построение способа преобразования речевого сигнала в цифровой вид, обеспечивающего заданные требования к качеству связи и помехоустойчивости, а также исключающий увеличение информационной скорости цифрового канала радиосвязи.

Технический результат достигается тем, что преобразование речевых сигналов в цифровой вид осуществляется с помощью дельта-модуляции, заключающееся в том, что цифровое значение e_i очередного i-го отсчета речи определяется разностью между отсчетом входного сигнала x_i и формируемой аппроксимацией этого отсчета y_i, выраженной зависимостью:

и последующим избыточным кодированием цифровой информации помехоустойчивым циклическим или сверточным кодом, при этом для повышения помехоустойчивости цифрового сигнала используется последовательность сверточного кода, кодирование одновременно пары отсчетов x_i,1 и x_i,2 позволяет сохранить информационную скорость канала связи, равную скорости аналого-цифрового преобразования речевого сигнала.

Способ помехоустойчивого кодирования речевого сигнала в цифровой системе радиосвязи заключается в следующем.

Сверточный кодер (Фиг. 2) со скоростью R=1/2 имеет решетчатую диаграмму состояний.

В общем случае узлы решетчатой диаграммы отождествляются с состояниями кодера, число которых равно N=2^ν. Параметр ν характеризует память кодера и называется длиной кодового ограничения. Каждое ребро диаграммы указывает возможные переходы кодера в следующее i-ое состояние, при этом формируются выходные последовательности e_i,1, e_i,2 кодера. Решетчатая диаграмма дает наглядное представление о всех возможных путях, по которым может двигаться кодер при кодировании и декодер при декодировании. Данный код и построение его решетчатой диаграммы состояний описаны [6]. Сверточные коды обладают хорошими корректирующими свойствами, позволяющими исправлять ошибки канала связи [3].

При кодировании речевого сигнала на вход кодера поступает вектор речевого сигнала вида:

состоящий из 2L двоичных отсчетов речевого сигнала. Текущая i-ая пара отсчетов состоит из нечетного x_i,1 и четного отсчета x_i,2. Одновременно для последующей передачи в канал связи будет обрабатываться текущая пара отсчетов речевого сигнала.

Начиная с глубины L кодер имеет ровно 2^L состояний. По данной решетке можно перечислить все 2^L возможных векторов помехоустойчивых кодограмм длины 2L вида:

где пара значений {e_i,1, e_i,2} характеризует раскраску соответствующего ребра решетки.

Соответствующие векторы аппроксимаций могут быть получены на основании возможных векторов кодограмм . При использовании для аналого-цифрового преобразования дельта-модуляции каждый вектор аппроксимаций будет иметь вид:

где каждая пара отсчетов {y_i,1, y_i,2} формируется по правилу:

Перекодировка символов {e_i,1, e_i,2} по правилу:

не меняет информационной сути последовательности.

Таким образом, в соответствии с (4) будет сформировано 2^L векторов аппроксимации , которые с различной степенью точности аппроксимируют последовательность речевого сигнала.

С учетом задержки кодирования L_код, где L_код>L, отыщем среди 2^L векторов аппроксимаций наиболее близкий по среднеквадратической мере близости к кодируемому вектору речевого сигнал :

Учитывая принцип работы Витерби подобных алгоритмов, обеспечивающих задержку кодирования на L_код тактов, в качестве решения на i+L_код-ом такте работы алгоритма примем пару {y_i,1, y_i,2} выбранного вектора . На вход дискретного канала связи будет передана соответствующая выбранной паре (y_i,1, y_i,2} пара двоичных значений {e_i,1, e_i,2} помехоустойчивой кодограммы . Тем самым это позволяет сохранить информационную скорость канала связи, равную скорости аналого-цифрового преобразования речевого сигнала.

Таким образом, последовательно с выхода помехоустойчивого сверточного кодера на вход дискретного канала связи поступает выбранная последовательность помехоустойчивой кодограммы или, иначе говоря, карта пути вида:

Учитывая влияние ошибок канала связи, на вход совместного декодера, реализованного по стандартному алгоритму Витерби, поступает последовательность двоичных символов вида:

Декодер Витерби сравнивает принятую последовательность с разрешенными последовательностями по кодовой решетке и в соответствии с задержкой декодирования выдает последовательность декодированных символов {e_i,1, e_i,2}. Если число ошибок не превышает исправляющей способности используемого сверточного кода, то ошибки будут исправлены и декодированная последовательность будет в точности соответствовать переданной (6).

Уверенно декодированные символы кодограммы {e_i,1, e_i,2} в соответствии с преобразованием:

отображаются в вектор аппроксимации речевого сигнала .

По сравнению с известным, предлагаемый способ помехоустойчивого кодирования речевых сигналов для цифровых каналов радиосвязи низкого качества хорошо адаптирован для сетей военной радиосвязи (16 кбит/с) и позволяет обеспечить энергетический выигрыш сигнал-шум до 5 дБ (Фиг. 3).

Применение данного способа позволяет осуществлять преобразование речевых сигналов в цифровой вид, повышая помехоустойчивость цифрового сигнала, при этом информационная скорость канала связи остается неизменной.

Проведенный анализ уровня техники позволил установить, что аналоги, характеризующиеся совокупностью признаков, тождественных всем признакам заявленного технического решения, отсутствуют, что указывает на соответствие изобретения условию патентоспособности «новизна».

Результаты поиска известных решений в данной и смежных областях техники с целью выявления признаков, совпадающих с отличительными от прототипа признаками заявленного объекта, показали, что они не следуют явным образом из уровня техники. Из уровня техники также не выявлена известность влияния предусматриваемых существенными признаками заявленного изобретения преобразований на достижение указанного технического результата. Следовательно, заявленное изобретение соответствует условию патентоспособности «изобретательский уровень». Заявленный способ поясняется рисунками.

Список использованных источников

1. Венедиктов М.Д. и др. Дельта-модуляция. Теория и применение. [Текст] - М.: Связь, 1976. - 272 с.

2. Стил Р. Принципы дельта-модуляции. [Текст] - М.: Связь, 1979. - 367 с.

3. Шварцман В.О., Емельянов Г.А. Теория передачи дискретной информации. [Текст] - М.: Связь, 1979. - 424 с.

4. Блейхут Р. Теория и практика кодов, контролирующих ошибки. [Текст] - М.: Мир, 1986. - 576 с.

5. Патент Российской Федерации №3201492 С2, 20.06.2007.

6. Витерби А.Д., Омура Дж.К. Принципы цифровой связи и кодирования. [Текст] - М.: Радио и связь, 1982. - 536 с.