Исследование эффективности устройств речевого кодирования

Появление в середине ХХ-ого века первых электронно-вычислительных машин (ЭВМ) положило начало новому фундаментальному научно-техническому направлению получившему название цифровая обработка сигналов (ЦОС). Однако примерно до 1970-х годов большие габариты и недостаточная вычислительная мощность ЭВМ первых поколений не позволяли производить обработку сигналов в реальном масштабе времени, ограничиваясь, в основном, задачами моделирования.
Разработка в 1970-х годах интегральных схем микропроцессоров и сделанных на их основе персональных компьютеров, а также микроминиатюрных устройств аналого-цифрового и цифро-аналогового преобразования стали предпосылками бурного развития теории и техники цифровой обработки сигналов в реальном масштабе времени.
Полученная возможность цифровой обработки и передачи аналоговых, по своей природе сигналов, в реальном масштабе времени стала активно реализовываться, прежде всего, в таких направлениях, как связь, гидроакустика, телефония, т.е. в областях, где объектами исследования являются сравнительно низкочастотные сигналы. Поэтому переход с аналоговых на цифровые методы обработки, передачи, распознавания и синтеза речевых сигналов, явившись одним из пионерских направлений ЦОС, оказал большое влияние на всю новую отрасль в целом.
На первом этапе основное внимание специалистов в области ЦОС было сосредоточено на реализации традиционных аналоговых алгоритмов обработки и передачи сигналов цифровыми методами. Основные усилия были направлены в сторону частотного представления и преобразования сигналов, на развитие методов цифровой фильтрации и цифрового спектрального анализа. Громадную роль на этом этапе сыграло открытие и разработка алгоритмов быстрого преобразования Фурье (БПФ).
Дальнейшее развитие микроэлектроники и появление в 1980-1990 г.г. интегральных 32-разрядных цифровых процессоров обработки сигналов (ЦПОС), а также процессоров и сопроцессоров с плавающей запятой, сняло существенные ограничения на разрядность обрабатываемых данных и сопутствующие этому ошибки округления. Именно тогда сформировались три основных направления цифровой обработки одномерных сигналов, а также были заложены основы цифровой обработки многомерных сигналов, не потерявшие своей актуальности до настоящего времени. Такими направлениями являются:
ЦОС в области частотного представления сигналов: широкополосная и узкополосная фильтрация, а также многоскоростная обработка с применением алгоритмов передискретизации (интерполяции) и децимации (прореживания) в частотной и временной областях;
быстрые алгоритмы ЦОС, устраняющие на основе теории чисел избыточные операции, а также заменяющие операции умножения и деления операциями сложения и поразрядного сдвига;
адаптивная и оптимальная ЦОС (включая фильтры Винера, Калмана и пр.) при априорной неопределенности не только частных характеристик цифровых сигналов, но и в условиях неопределенности динамического процесса в целом.
Появляются также новые, так называемые, гибридные алгоритмы ЦОС, синтезирующие и комбинирующие наиболее сильные стороны каждого из направлений для эффективного решения более или менее узкоспециализированных задач в своих научно-технических направлениях.
Приведенной выше специализации не избежала и цифровая обработка речевых сигналов. Основываясь на различных и многочисленных моделях речевого сигнала, современные алгоритмы и стандарты передачи речи с высоким или приемлемым качеством отличаются большим разнообразием. Они охватывают широкий диапазон скоростей, простирающийся от 64 кбит/c классической импульсно-кодовой модуляции (ИКМ) до 1 кбит/c гибридного формантного синтеза, когда для передачи одного микрокадра речевого сигнала длительностью порядка 20-25 мс приходится всего около 20 бит полезной информации.
Настоящая дипломная работа посвящена исследованию эффективности различных алгоритмов и устройств речевого кодирования. Предметом исследования является область цифровой обработки, передачи кодирования и восстановления речевых сигналов. Объектом исследования являются низкоскоростные алгоритмы цифровой обработки и передачи речевых сигналов и реализующие их устройства. Задачей исследования – определение возможности и способов реализации этих алгоритмов с помощью цифровых процессоров обработки сигналов (ЦПОС) с приемлемыми потерями качества и разборчивости речи в низкоскоростных вокодерах.
Настоящая пояснительная записка к дипломной работе на 137 стр. состоит их введения, основной части, содержащей 4 главы, технико-экономического обоснования, оценки безопасности жизнедеятельности, заключения и списка использованной литературы из 44 позиций.

Введение 4
1 Принципы вокодерной связи 7
1.1 Избыточность речи 7
1.2 Общие сведения о механизме речеобразования 9
1.3 Вокодер как цифровая модель речевого тракта 11
1.4 История развития низкоскоростного речевого кодирования 14
1.5 Сравнительные характеристики вокодеров 18
2 MELP-кодер 22
2.1 Общее описание MELP-модели 23
2.2 Основные особенности MELP-модели речеобразования 27
2.2.1 Смешанное импульсно-шумовое возбуждение 28
2.2.2 Использование апериодических импульсов 30
2.2.3. Адаптивное спектральное оценивание формант 32
2.2.4 Импульсная дисперсионная фильтрация 33
2.2.5 Фурье-анализ амплитуд сигнала возбуждения 34
2.3 Квантование параметров MELP-модели 36
2.3.1 Векторное квантование 36
2.3.2 Квантование коэффициентов ЛП-фильтров 39
2.4 MELP-кодер 600 бит/с 40
2.5 Особенности низкоскоростного кодера MELP-600/58 45
3 Цифровые процессоры обработки сигналов 46
3.1 Обзор семейства ЦПОС 1867ВЦхх (TMS320) 46
3.2 Особенности гарвардской архитектуры ЦПОС 56
3.3 Описание основных функциональных узлов ЦПОС 60
3.3.1 Центральное процессорное устройство 60
3.3.2 Организация памяти ЦПОС 68
3.3.3 Работа внутренней шины ЦПОС 71
3.3.4 Работа внешней шины ЦПОС 72
3.3.5 Периферия и режим ПДП 72
3.4. Описание системы команд ЦПОС 74
3.5. Средства проектирования и отладки 84
4 Сетевой график выполнения работы 86
5. Технико-экономический расчет 87
5.1 Оценка себестоимости проведения климатических испытаний 89
5.2. Определение свободной отпускной цены услуги 95
6 Безопасность жизнедеятельности 97
6.1 Общая характеристика изделия и виды его испытаний 97
6.2 Характеристика климатических испытаний 100
6.3 Характеристика оборудования для проведения климатических испытаний 104
6.4. Анализ опасных и вредных факторов на рабочем месте и защитные меры от их воздействия 109
6.5. Требования безопасности и эргономики при разработке программы испытаний 116
6.6. Примерная инструкция по технике безопасности при проведении климатических испытаний 121
Заключение 127
Список использованной литературы 129
Приложение А Справочное 133

В настоящей дипломной работе на тему «Исследование эффективности устройств речевого кодирования» проведен анализ низкоскоростных кодеров, реализующий MELP-алгоритм речевого кодирования на скоростях от 4800 бит/с и ниже. В качестве основы для анализа взят стандарт U.S. MIL-STD 3005, реализующий MELP-модель на скорости 2400 бит/с.
В пояснительной записке рассмотрены принципы вокодерной связи, использующие избыточность речи, приведены общие сведения о механизме речеобразования и цифровой модели речевого тракта человека, а также кратко рассмотрена история развития низкоскоростного кодирования речи.
Во второй главе пояснительной записки приведено общее описание MELP-модели речевого кодирования, а также довольно подробно рассмотрены следующие основные особенности этой модели: смешанное импульсно-шумовое возбуждение, использование апериодической импульсной последовательности, адаптивное спектральное оценивание формант, импульсная дисперсионная фильтрация, фурье-анализ амплитуд сигнала возбуждения, а также принципы векторного квантования. Рассмотрены принципы построения суперкадровых низкоскоростных MELP-кодеров, работающих на скорости 600 бит/с, и предложена собственная оригинальная схема суперкадрового кодирования, дающая 10-ти процентный выигрыш в сжатии данных по сравнению с известными аналогами.
В третье главе рассмотрена архитектура, функциональное устройство и система команд отечественных однокристальных цифровых процессоров обработки сигналов с плавающей запятой семейства 1867. Эти и аналогичные им процессоры компании Texas Instruments являются управляющее-вычислительным ядром низкоскоростных MELP-кодеров.
Выполнен технико-экономический расчет оценки себестоимости проведения климатических испытаний, а также определена свободная отпускная цены услуги по проведению климатических испытаний серийно выпускаемых третьими независимыми поставщиками функциональных модулей ЦОС, построенных на основе цифровых процессоров обработки сигналов.
В дипломной работе также подробно рассмотрены вопросы безопасности жизнедеятельности при организации рабочего места оператора при проведении климатических испытаний вокодеров. Дана общая характеристика оборудования для проведения климатических испытаний, проведен анализ опасных и вредных факторов на рабочем месте и рассмотрены защитные меры от их воздействия, включая требования безопасности и эргономики при разработке программы испытаний. В заключение этого раздела разработана примерная инструкция по технике безопасности при проведении климатических испытаний.

1. Бабкин В.В. Вокодер 600 бит/с. // Сб. трудов 9-ой Межд. Конф. и Выставки «Цифровая обработка сигналов и ее применение (DSPA-2007)», 28-30 марта. – Москва, 2007. – С. 1(4)-4(4).
2. Беллами Дж. Цифровая телефония. – М.: Радио и связь, 1986. – 544 с.
3. Глудкин О.П. Методы и устройства испытаний РЭС и ЭВС: Учебник для вузов. – М.: Высшая школа, 1991. – 336 с.
4. Дудак Н.С. Сборник методических указаний. Часть 1: Качество машиностроительных изделий – Павлодар, ПГУ им. С. Торайгырова, 2007. – 228 с.
5. Испытания радиоэлектронной, электронно-вычислительной аппаратуры и испытательное оборудование: Учебное пособие для вузов / О.П. Глудкин, А.Н. Енгалычев, А.И. Коробов, Ю.В. Трегубов; Под ред. А.И. Коробова. – М.: Радио и связь, 1987. – 272 с.
6. Малинский В.Д., Ошер Д.Н., Теплицкий Л.Я. Испытания радиоаппаратуры: Учебник для радиотехнических техникумов. М.: Издательство «Энергия», 1965. – 440 с.
7. Маркел Дж.Д, Грей А.Х. Линейное предсказание речи. – М.: Связь, 1980. – 308 с.
8. Михайлов В.Г. Из истории исследований преобразования речи // Речевые технологии. – 2008, № 1. – С. 93-113.
9. Мунипов В.М., Зинченко В.П. Эргономика: человекоориентированное проектирование техники, программных средств и среды: Учебник. – М.: Логос, 2001. – 356 с.
10. Пермяков Б.В. Испытания радиоэлектронных средств на воздействие внешних факторов: учебное пособие. – Челябинск: Издательский центр ЮУрГУ, 2010. – 43 с.
11. Рабинер Л.Р., Шафер Р.В. Цифровая обработка речевых сигналов. – М.: Радио и связь, 1981. – 496 с.
12. Рудникович А.С. Архитектура процессоров TMS320C6000 фирмы TEXAS INSTRUMENTS и отладочная программная среда CODE COMPOSER STUDIO: Учебное пособие. – Томск: ТУСУР, 2012. – 81 с.
13. Сапожков М.А, Михайлов В.Г. Вокодерная связь. – М.: Радио и связь, 1983. – 248 с.
14. Стадниченко Л.И. Эргономика: учебное пособие. – Воронеж: Изд-во Воронежского государственного университета, 2005. – 168 с.
15. Сперанский В.С. Сигнальные микропроцессоры и их применение в системах телекоммуникаций и электроники: Учебное пособие для вузов. – М.: Горячая линия-Телеком, 2008. – 168 с.
16. Шелухин О.И, Лукьянцев H.Ф. Цифровая обработка и передача речи / Под ред. О.И. Шелухина. – М.: Радио и связь, 2000. – 456 с.
17. ГОСТ 11478-88. Аппаратура радиоэлектронная бытовая. Нормы и методы испытаний на воздействие внешних механических и климатических факторов.
18. ГОСТ 15150-69. Машины, приборы и другие технические изделия. Исполнения для различных климатических районов. Категории, условия эксплуатации, хранения и транспортирования в части воздействия климатических факторов внешней среды.
19. ГОСТ 12.0.003-74 – Опасные и вредные производственные факторы. Классификация.
20. ГОСТ Р 12.1.019-2009 – ССБТ. Общие требования и номенклатура видов защиты.
21. ГОСТ 12.2.003-91 – ССБТ. Оборудование производственное. Общие требования к безопасности.
22. ГОСТ 12.1.030-81 – ССБТ. Электробезопасность. Защитное заземление. Зануление.
23. ГОСТ 12.1.005-88 – ССБТ. Общие санитарно-гигиенические требования к воздуху рабочей зоны.
24. ГОСТ 12.1.003-83 – ССБТ. Шум. Общие требования безопасности.
25. ГОСТ 12.1.012-2004 – ССБТ. Вибрационная безопасность. Общие требования (ред. 2009 г.).
26. ГОСТ 20.39.108-85 – Комплексная система общих технических требований. Требования по эргономике, обитаемости и технической эстетике. Номенклатура и порядок выбора.
27. Микросхемы интегральные 1867ВЦ6Ф, 1867ВЦ6АФ. Техническое описание. КФДЛ.431299.016ТО. – Воронеж, НИИЭТ, 2008. – 393 с.
28. Микросхема интегральная 1867ВЦ8Ф. Техническое описание. КФДЛ.431282.007ТО. – Воронеж, НИИЭТ, 2013. – 555 с.
29. СанПиН 2.2.2/2.4.1340-03 – Гигиенические требования к персональным электронно-вычислительным машинам и организации работы (редакция 03.06.10).
30. СанПиН 2.2.2.540-96 – Технологические процессы, сырье, материалы и оборудование, рабочий инструмент. Гигиенические требования к ручным инструментам и организации работ.
31. СанПиН 2.2.4.548-96. – Физические факторы производственной среды. Гигиенические требования к микроклимату производственных помещений
32. СанПиН 2.2.4/2.1.8.562-96 – Шум на рабочих местах, в помещениях жилых, общественных зданий и на территории жилой застройки.
33. СанПиН 2.2.4/2.1.8.566-96 – Производственная вибрация, вибрация в помещениях жилых и общественных зданий.
34. СНиП 23-05-2010 – Естественное и искусственное освещение.
35. Технический регламент Таможенного союза «О безопасности низковольтного оборудования» (ТР ТС 004/2011).
36. Библиотека инструкций по охране труда: Типовые инструкции по охране труда для работников организации на отдельные виды работ. – http://ohranatruda.ru/ot_biblio/instructions/168/
37. Инструкция по оказанию первой доврачебной помощи при несчастных случаях. – Волгоград: ВолГТУ, 2010. – http://www-old.vstu.ru/docs/oot/6-med-instr.pdf
38. Atlanta Signal Processors, Inc. «MELP Vocoder Algorithm: The New 2400 bps Federal Standard Speech Coder». Data Sheet, 1996.
39. Chamberlain M. «A 600 bps MELP vocoder for use on HF channels». MILCOM-2001, vol.1, pp. 447-453.
40. Itakura F. «Line spectrum representation of linear predictive coefficients of speech signals». J. Acoust. Soc. Amer., vol. 57, pp. S35(A), 1975.
41. McCree A., Barnwell III T.P. «A mixed excitation LPC vocoder model for low bit rate speech coding», in IEEE TRANSACTIONS ON SPEECH AND AUDIO PROCESSING, vol. 3, No. 4, July 1995, pp. 242-250.
42. McCree A., Stachurski J., Viswanathan V. «High Quality MELP Coding at Bit-Rates 4 kb/s». Acoustics, Speech, and Signal Processing, 1999. Proceedings., 1999 IEEE International Conference on. Volume 1, pp. 485-488.
43. McCree A. «Low-Bit-Rate Spech Coding» in Springer Handbook on Speech Processing and Speech Communication, ed. by J. Benesty, M.M. Sondhi, Y. Huang. Springer, Berlin, 2008. Chapter 26, pp. 331 – 350.
44. Collura J. S., McCree A., and Tremain T. E. «Perceptually based distortion measures for spectrum quantization» in Proc. IEEE Workshop on Speech Coding for Telecommunications, 1995, pp. 49–50.