ВОКОДЕР И ЦИФРОВАЯ ТЕХНОЛОГИЯ

Вокодер
Речевое кодирование подразумевает преобразование речевого аналогового аудио сигнала в цифровой сигнал с последующим устранением избыточной информации для передачи по каналам связи, записи или дальнейшего преобразования в эффективный формат. Кодеры могут быть условно разделены на два типа:

1. Кодеры формы звукового сигнала

Этот метод кодирования минимизирует искажения между исходным аудио сигналом и кодированным аудио сигналом. Чем выше скорость цифрового потока после преобразования, тем лучше качество звука. Когда скорость передачи недостаточна – качество звука уменьшается по экспоненте. Такой способ кодирования имеет низкий показатель по сжатию, но с другой стороны - меньшую задержку при обратном преобразовании, а также дешевую реализацию и относительно низкие требования к производительности кодека. Примеры методов кодирования данного типа: MBE (Multi-Band Excitation) - многополосное возбуждение, LSP (Line Spectrum Pair) - пара линейчатого спектра, PARCСR (PARtial auto-CORrelation) - частичная автокорреляция, WI (Waveform Interpolation) - интерполяция формы волны, MELP (Mixed Excitation Linear Prediction)- кодирования с линейным предсказанием. Существуют вокодеры с аналогичным методом кодирования.

2. Вокодеры (кодирование с анализом посредством синтеза)

Вокодер извлекает (определяет) параметры аудио сигнала как синтетические волновые модели, анализируя оцифрованный речевой аудио сигнал на этапе кодирования и выделяет его параметры. Это позволяет синтезировать речевой аудио сигнал на этапе декодирования. Поскольку вокодер передает только извлеченные проанализированные параметры и не стремится точно воспроизводить исходный сигнал, то в результате можно значительно уменьшить скорость цифрового потока и, как следствие, скорость передачи в канале связи. Однако, с другой стороны, качество звука зависит от качества синтетического моделирования формы звуковой волны, и даже с более высокой скоростью передачи невозможно улучшить качество звука.

Кроме того, может быть использовано гибридное кодирование. Этот метод кодирования также моделирует сигнальные элементы аудио источника и процессы (анализ посредством синтеза), передает как аудио параметры, так и остальную часть информации, которая не может быть смоделирована в виде параметров и минимизирует искажение исходной формы волны.
К гибридным вокодерам относят: CELP (Code Excited Linear Prediction coding) - линейное предсказание с мультикодовым управлением, VSELP (Vector Sum Excited Linear Prediction) - линейное предсказание возбуждением от суммы векторов , PSI-CELP (Pitch Synchronous Innovation Code Excited Linear Prediction) - линейное предсказание c возбуждением от кода, отображающего сигнал возбуждения, синхронный с основным тоном.

AMBE+2 может быть отнесен к этой категории вокодеров.


                  Рис. 10-1. Принципы обработки сигналов кодером формы волны и вокодером

Как упомянуто выше, вокодер – это речевой компрессор аудио сигнала, который выделяет акустические характеристики (параметры) человеческой речи. В канал связи передаются только характерные речевые форманты исходного аудио, что позволяет существенно уменьшить количество данных, которое необходимо передавать по сравнению с кодерами формы волны. Однако, из-за искусственных речевых генераторов, используемых на этапе декодирования, выходной аудио сигнал мог походить на речь робота (компьютер управлял автоответчиком, например). Несмотря на то, что технологии вокодеров улучшили качество звука за последние годы, восстановленный вокодером голос все еще заметно отличается от аналога.

Самое большое преимущество цифровой обработки – это возможность реализации "Узкополосной передачи". Это обеспечивает передачу речевого сообщения с минимальным количеством передаваемых данных. Таким образом, для вокодера NXDN™ AMBE+2 достаточно ширины полосы - 6.25 кГц. (составляющей половину ширины полосы стандартных аналоговых технологий - 12.5 кГц), а методы обработки и коррекции ошибок способствуют улучшению речевой разборчивости, сохранению качества речи при передаче в условиях сильных шумов или при приеме исключительно слабого сигнала, когда радиостанция работает на пределе чувствительности.
В некотором смысле технология вокодера для беспроводных телекоммуникаций позволяет надежно и эффективно передавать основные элементы голоса, жертвуя при этом качеством передачи оттенков тембра голоса.

Реакция на циклический тональный сигнал

Человеческая речь представляет собой сумму гармонических сигналов. При цифровой обработке вокодер удалит сигнал, представляющий собой сигнал только одной частоты, и подвергнет обработке многочастотный (речевой) сигнал.
Поэтому:

• зуммер, сирена, аварийный сигнал или свист, при передаче через цифровой радиоканал возможно, и не будут звучать аналогично исходному звуку;
• телефонные модемы или модемы данных, которые используют тональные посылки (слышимый аудио сигнал), не могут быть соединены посредством цифрового радио;
• один тон (синусоидальный сигнал) не может использоваться для измерения характеристик передачи речевого сигнала, как это делается при оценке аналоговых каналов связи.

Преимущества использования цифровой технологии

Что получат конечные пользователи при использовании цифрового радио:

• Постоянное качество передачи голоса во всей зоне покрытия без постепенного ухудшения при удалении от источника сигнала (базовой станции или абонента).
• Чистота звука.
• Подавление фоновых шумов.

Что НЕ получат конечные пользователи от цифрового радио:

• Высококачественное (Hi-fi) аудио, аналогичное «CD Quality».
• Полное решение существующих проблем на ВЧ (проблемы интерференции, помех) → «цифра» не может решить ВЧ проблемы, однако переход на сетку частот 6,25 позволит увеличить количество используемых номиналов частот и как следствие - предоставит дополнительные возможности маневра частотным ресурсом.

Тематическое исследование проблем аудио

Подавление фонового шума

Одна из сильных сторон вокодера AMBE+2 – подавление шума - функция, которая подчеркивает речь говорящего, устраняя фоновый шум. В этом процессе вокодер осуществляет цифровую обработку шумового сигнала с целью уменьшить воспринимаемый уровень мешающего сигнала.
Когда пользователь говорит далеко от микрофона, на качество передачи его голоса может влиять шумовое подавление вокодера, который не в состоянии четко идентифицировать речь. В таком случае, в приёмнике речь может звучать неестественно, издавать резкий металлический звук.


         Рис. 10-2. Концептуальное изображение интенсивной шумовой помехи в окружающей обстановке

В чрезвычайно шумных средах человеческая речь может смешаться с фоновым шумом. В этом случае, чтобы улучшить разборчивость речи, стоит подумать об использовании таких аксессуаров, как микрофонные гарнитуры или микрофон с подавителем шумов.

Высокочувствительный микрофон

Если диспетчерский центр представляет собой маленькую комнату, где расположен также приемник, установленным для контроля прохождения вызовов диспетчера должным образом, в настольный микрофон с высокой чувствительностью микрофона, с большой задержкой (по сравнению с аналогом) может поступать речевой сигнал от приемника и может возникнуть эффект акустической завязки – особенно, если использовать режим VOX.


  Рис. 10-3. Концептуальное изображение проблемы микрофона с высокой чувствительностью

Разборчивость и уровень сигнала

В то время как обычный аналоговый сигнал на краях зоны покрытия (слабый сигнал) постепенно искажается шумом приемника (белый шум), поскольку увеличивается расстояние, у цифровых приемников нет такого постепенного увеличения уровня шума. Однако в такой области с низким уровнем приемного сигнала, цифровой приемник больше не может обеспечить достаточную разборчивость аудио сигнала, поскольку полученные цифровые данные будут иметь ошибки из-за увеличения дальности распространения, поэтому исходное качество звука будет хуже. Это утверждение справедливо для любых цифровых систем радиосвязи.
При проектировании системы связи нужно учитывать необходимость обеспечения достаточного уровня ВЧ сигнала в пределах необходимой зоны обслуживания.


Рис. 10-4. Различие между цифрой и аналогом на краю покрытия


Рис. 10-5. Усиленная работа коррекции ошибок в слабом сигнальном поле.

Антенна и уровень сигнала

При проектировании системы необходимо учитывать характеристики антенн и условия, в которых будут эксплуатироваться радиосредства.
Некоторых антенны имеют выраженную направленную поляризационную характеристику. Например, когда антенна установлена на высшей точке высотного здания или башни, уровень ВЧ под антенной может быть очень плохим (особенно внутри этого здания). Для обеспечения устойчивой связи в многоэтажных высотных зданиях с железобетонными перекрытиями иногда приходится задействовать несколько ретрансляторов либо специальные излучающие ВЧ кабели.
При использовании радиостанций внутри зданий, на этапе проектирования системы нужно помнить, что строительные конструкции создают серьезные препятствия распространению радиоволн. Уровень потерь сигнала внутри зданий может достигать 10-35дБ (уровень потерь сильно зависит от этажа, где находится абонент, наличия и ориентации наружных окон в помещении, типа строительных конструкций, а также других факторов).
При использовании портативных радиостанций в сочетании с гарнитурами и стандартными антеннами (размещение радиостанции на поясе) нужно иметь в виду, что человеческое тело так же способно создавать потери сигнала. Уровень таких потерь за счет тела может достигать 5-15 дБ.


     Рис. 10-6. Направленные характеристики антенны, которые рассматриваются

Восходящие и нисходящие сигналы

Уровень ВЧ сигнала должен быть одинаков для восходящего канала и нисходящего канала радиосвязи системы ретранслятора. Вы не можете объективно судить об условиях для осуществления связи только по уровню мощности сигнала, принимаемого от ретранслятора (измеряя нисходящий сигнал RSSI).


Рис. 10-7. Различный уровень сигнала на восходящем и нисходящем канале радиосвязи - в данном случае применять мощный передатчик на ретрансляторе бессмысленно.

Проектирование зон покрытия следует осуществлять исходя из типа абонентского оборудования, для которого строится система.

Анализ основных причин возможного ухудшения качества звука

Ухудшение качества принимаемого звукового сигнала при условии достаточного уровня ВЧ сигнала может быть спровоцировано следующими причинами:

• можно предположить, что на входе передатчика наряду с голосом присутствует фоновый аудио шум.

В случае случайного пропадания звука (выпадения звуков либо слов):

• сигнал может стать слабым или с помехой.

В случае заметного ухудшения звука с прерываниями:

• приемник может находиться в области края покрытия (как правило, аналоговые средства в этой зоне уже не могут использоваться).

Если пользователь имеет неустойчивую передачу в определенных областях ожидаемой зоны покрытия, необходимо рассмотреть варианты изменения конфигурации сайта (применение более качественных антенн, высококачественных ВЧ кабелей, усилителей и т.д.) либо установки дополнительных или временных сайтов.

Рекомендация при проектировании системы

В отличие от аналоговых систем, невозможно по шуму приемника определить, когда Вы находитесь на краю зоны покрытия. Для оптимизации покрытия системы необходима проверка допустимого уровня сигнала ВЧ.


                           Рис. 10-8. Увеличение покрытия цифровой системы NXDN™

Для систем связи с повышенными требованиями к качеству речевого сигнала, при проектировании размещения ретрансляторов, следует учитывать "Зону с устойчивым речевым покрытием".

Улучшение разборчивости аудио

Улучшить разборчивость, используя цифровой приемопередатчик можно несколькими методами:
a. Использовать соответствующие дополнительные аксессуары для условий работы интенсивной шумовой обстановке. Специально для этого разработаны некоторые типы гарнитур или ларингофоны (аксессуары с микрофоном около рта). Выбор пользователем оптимального варианта работы, может существенно улучшить разборчивость на приемной стороне.
b. Пользователям следует располагать микрофон на расстоянии
1.5 - 5 см. ото рта и направлять речь непосредственно в микрофон. Это очень увеличит разборчивость аудиосигнала.


                               Рис. 10-9. Рекомендуемые позиции для разговора

c. При разговоре говорить громко и четко. Это может значительно улучшить разборчивость сигнала.
d. Удалите (удалитесь от) источник(а) шумов насколько это возможно.



e. Звуки с постоянной частотой, такие как предупредительные тональные сигналы или аварийные сигналы могут вредить разборчивости аудиосигнала в цифровых радиостанциях.
Размещение микрофона как можно дальше от источника аварийного сигнала или прикрытие его свободной рукой могут существенно улучшить разборчивость. 

Характеристики аудио NEXEDGE™

NEXEDGE™ включает несколько функций настройки аудио тракта, которые помогают индивидуально настроить характеристики радиостанций для более полного удовлетворения требований потребителей.

Выбор аудио фильтра RX

Выбираемые фильтры (Фильтр 1, Фильтр 2, Фильтр 3) предназначены для лучшего соответствия речевым характеристикам пользователей. Выбираемый аудио фильтр изменяет характеристику аудио тракта по приему (RX), а не по передаче (TX).


                                        Рис. 10-10. АЧХ аудио фильтра

Фильтр 1:

У внешних или настольных микрофонов могут быть различные характеристики: у одних улучшена передача высокого диапазона звуковых частот, у других может быть большее значение в низком диапазоне. Поэтому Фильтр 1 был создан для того, чтобы иметь самую узкую полосу частот аудио сигнала среди всех 3-х фильтров, для достижения усредненной акустической характеристики и использования любого типа микрофонов (установлен по умолчанию).

Фильтр 2:

Низкий и высокий диапазоны расширены по сравнению с Фильтром 1 для более широкой АЧХ, с целью получения лучшей слышимости информации и разборчивости речи. Данный фильтр предоставляет лучшую среди всех 3-х фильтров разборчивость в высоко-шумовой среде. Характеристики микрофона влияют на характеристики речи, следовательно, конечный пользователь может получить различный акустический эффект от различных радиостанций с микрофонами.

Фильтр 3:

Низкий и высокий диапазоны расширены. В дополнение к этому, поднят средний диапазон, а высокий диапазон немного уменьшен так, чтобы конечный пользователь мог легко идентифицировать того, кто говорит. Однако, из-за небольшого усиления высокого диапазона, у конечного пользователя могут быть трудности с разборчивостью речи в шумной среде, по сравнению с Фильтром 1 или Фильтром 2.

Срезание низких частот аудио RX

В то время, как в аналоговом режиме (FM) аудио спектр ниже 300 Гц вырезается с целью ограничения модуляции, цифровой режим NEXEDGE™ первоначально содержит эти звуковые частоты. В результате конечный пользователь получает мощный и четкий звук. Однако, в случаях с использованием наушников или в шумной среде, диапазон низкой частоты будет слишком сильно подчеркнут.
NEXEDGE™ использует в аудио тракте низкочастотный фильтр для уменьшения этой проблемы.

Подавитель шумов

Подавитель шумов - программно конфигурируемая функция, которая позволяет уменьшать фоновый шум при передаче голоса в цифровом режиме NXDN™.
В случае работы в шумной среде с включенным подавителем шумов, фоновый шум может быть подавлен в передающей радиостанции, и приемная радиостанция будет принимать четкую речь с уменьшенным уровнем шума. Однако, в редких случаях, из-за высокоуровневых всплесков шума, речь может быть подавлена вместе с шумом, и в приемной радиостанции разборчивость может ухудшиться.
При отключении подавителя шумов может быть улучшена естественность передачи голоса, которая напоминает по характеристикам аналоговый аудио сигнал (нужно иметь в виду, что в этом случае слышимым будет фоновый шум).
Примечание:

• подавитель шумов уменьшает шум при передаче, а потому, не поможет при «приеме» в условиях акустического шума;
• эффект подавителя шумов не может быть оценен в «тихой» среде;
• подавитель шумов доступен только для цифрового режима NXDN™. Для аналогового режима невозможно осуществить включение/отключение подавителя шумов.

Эффекты (результаты) настроек аудио в цифровом режиме
Примеры комбинации подавитель (вкл./откл.), срезание низких частот (вкл./откл.) и выбор аудио фильтра (1/2/3) перечислены в следующей таблице. Они моделируются в условиях "Нет фонового шума", "80 дБ шум" и "90 дБ шум", с использованием источника «розового шума».
Изображение характеристик аудио фильтра со срезом низких частот в комбинации с выбранными аудио фильтрами 1, 2 и 3 приведены ниже.


Рис. 10-11. АЧХ аудио фильтра со срезом низких частот в комбинации с выбранным аудио фильтром.

Таблица 10-1. Комбинации настроек аудио фильтр/срезание низких частот/подавитель шумов.