Дмитриев Владимир Тимурович. Исследование и разработка алгоритмов обработки речевой информации на основе представления Хургина-Яковлева в радиотехнических устройствах

Короткий опис

Дмитриев Владимир Тимурович. Исследование и разработка алгоритмов обработки речевой информации на основе представления Хургина-Яковлева в радиотехнических устройствах : Дис. ... канд. техн. наук : 05.12.04 Рязань, 2006 230 с. РГБ ОД, 61:06-5/1566

РЕЧЕВОЙ ИНФОРМАЦИИ НА ОСНОВЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЯ
ХУРГИНА-ЯКОВЛЕВА В РАДИОТЕХНИЧЕСКИХ УСТРОЙСТВАХ
ДИССЕРТАЦИЯ
на соискание ученой степени кандидата
технических наук по специальности 05.12.04 - «Радиотехника, в том числе
системы и устройства телевидения»
Научный руководитель:
- Заслуженный работник высшей школы РФ, д.т.н., профессор Кириллов Сергей Николаевич
Рязань - 2006
ОГЛАВЛЕНИЕ
#
ВВЕДЕНИЕ 6
1 РЕАЛИЗАЦИОННЫЕ ВОЗМОЖНОСТИ И
ПОМЕХОУСТОЙЧИВОСТЬ АЛГОРИТМА ОБРАБОТКИ РЕЧЕВЫХ СИГНАЛОВ НА ОСНОВЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЯ ХУРГИНА-ЯКОВЛЕВА В УСТРОЙСТВАХ ПЕРЕДАЧИ ИНФОРМАЦИИ 14
ф 1.1 Вводные замечания 14
1.2 Анализ реализационных возможностей алгоритма обработки
речевых сигналов на основе представления Хургина-Яковлева в устройствах передачи информации 15
1.2.1 Реализационные возможности синтезирующих фильтров .... 15
1.2.2 Оценка точности вычисления производной сигнала 23
1.3 Реализационные возможности алгоритма обработки речевых сигналов на основе представления Хургина-Яковлева в случае использования производных более высоких порядков
в устройствах передачи информации 31
1.4 Оценка помехоустойчивости алгоритма обработки речевых сигналов на основе представления Хургина-Яковлева
в устройствах передачи информации 38
1.5 Выводы 43
2 РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ АЛГОРИТМОВ ОБРАБОТКИ
РЕЧЕВЫХ СИГНАЛОВ НА ОСНОВЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЯ ХУРГИНА-ЯКОВЛЕВА В УСТРОЙСТВАХ ПЕРЕДАЧИ ИНФОРМАЦИИ 45
2.1 Вводные замечания 45
2.2 Эффективность системы АДИКМ реализованной на основе представления Хургина-Яковлева при наличии шумов
47
61
61
74
81
81
84
84
97
105
109
111
111
квантования и воздействии акустических помех
2.3 Разработка полосового вокодера на основе представления
Хургина-Яковлева
2.3.1 Реализационные возможности полосового вокодера на
основе представления Хургина-Яковлева
2.3.2 Реализационные возможности полосового вокодера на
основе представления Хургина-Яковлева при передаче спектральных отсчетов сигнала и его производной в комплексном виде
2.4 Алгоритмы восстановления речевой информации на основе
итерационных алгоритмов и метода регуляризации
2.4.1 Исследование влияния статистических характеристик
амплитудного и фазового спектра на качество восстановления речевой информации
2.4.2 Итерационные алгоритмы восстановления речевой
информации
2.4.2.1 Итерационные алгоритмы при восстановлении
речевой информации по амплитудному спектру
2.4.2.2 Итерационные алгоритмы при восстановлении
речевой информации по прореженным отсчетам сигнала или его производной
2.4.3 Алгоритмы восстановления речевой информации на основе
метода регуляризации
2.5 Выводы
3 ПРАКТИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ
ПРЕДСТАВЛЕНИЯ ХУРГИНА-ЯКОВЛЕВА В АЛГОРИТМАХ ОБРАБОТКИ РЕЧЕВЫХ СИГНАЛОВ И СИГНАЛОВ
СИНХРОНИЗАЦИИ СИСТЕМ ПЕРЕДАЧИ ИНФОРМАЦИИ
3.1 Вводные замечания  
3.2 Применение представления Хургина-Яковлева для определения
искажений и фальсификаций, а также восстановления фонограмм 113
3.2.1 Принципы определения искажений и фальсификаций
фонограмм с помощью представления Хургина-Яковлева... 113
3.2.2 Решающее правило при обнаружении искажений и
фальсификаций отсчетов сигнала и производной 123
3.3 Исследование алгоритмов обработки речевых сигналов на
основе представления Хургина-Яковлева в системах асинхронного маскирования 138
3.3.1 Общие принципы построения систем асинхронного маскирования на основе представления Хургина-
Яковлева. 138
3.3.2 Исследование системы асинхронного маскирования речи
на основе представления Хургина-Яковлева во временной области 139
3.3.3 Исследование системы асинхронного маскирования речи на основе представления Хургина-Яковлева в частотной
области 144
3.3.4 Помехоустойчивость систем маскирования на основе
представления Хургина-Яковлева 155
3.4 Исследование алгоритма быстрой корреляционной обработки
сигналов синхронизации на основе представления Хургина-Яковлева 158
3.5 Аппаратная реализация устройств обработки речевой
информации на основе представления Хургина-Яковлева 164
3.6 Анализ вычислительных затрат в устройствах обработки
речевой информации на основе представления
Хургина-Яковлева 172
3.7 Выводы 178 
' ЗАКЛЮЧЕНИЕ 180
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 184
ПРИЛОЖЕНИЕ А Список аббревиатур и условных
обозначений 200
ПРИЛОЖЕНИЕ Б Результаты исследования статистических
характеристик сигналов и помех 209
ПРИЛОЖЕНИЕ В Результаты исследования качества речевых
сигналов в полосовом вокодере 212
^ ПРИЛОЖЕНИЕ Г Блок-схемы программы алгоритма обработки PC в
системах маскирования на основе процессоров
фирмы Texas instruments 223
ПРИЛОЖЕНИЕ Д Акты о внедрении результатов диссертационной
работы 228
♦
і*

ВВЕДЕНИЕ
Актуальность темы. Применение цифровых алгоритмов при обработке сигналов позволяет получить потенциально возможные характеристики радиотехнических устройств. Значительный вклад в области цифровой обработки речевой информации внесли как зарубежные ученые - X. Найквист, К. Шеннон, Э.Т. Уиттекер, Л.Р. Рабинер, Р.В. Шафер и др. [1...4], так и отечественные- В.А. Котельников, Л.М. Гольденберг, В.П. Яковлев, М.В. Назаров, Ю.Н. Прохоров и др. [5...10].
Для снижения вычислительных затрат при обработке речевой информации могут использоваться алгоритмы вейвлет-анализа, а также алгоритмы многоскоростной обработки на основе бэнк-фильтров. Основными задачами при этом являются: снижение ошибки при восстановлении сигналов, увеличение помехоустойчивости дискретных алгоритмов обработки информации, упрощение реализации синтезирующих фильтров. Однако при практической реализации цифровых устройств обработки информации возникают трудности, связанные с тем, что спектр ограниченного во времени сигнала бесконечен в частотной области; идеальный низкочастотный фильтр, требуемый для точного восстановления сигнала, физически нереализуем; число выборок сигнала ограничено. В результате при практической реализации теоремы отсчетов В.А. Котельникова возникают ошибки наложения, вызванные нефинитностью спектра сигнала; усечения, обусловленные конечным числом отсчетов, и округления, связанные с неточностью представления отсчетных значений в цифровом виде.
Для уменьшения перечисленных выше ошибок, а также для снижения вычислительных затрат можно производить обработку сигналов на основе представления, предложенного Я.И. Хургиным и В.П. Яковлевым[8, 9]. По сравнению с классическим алгоритмом восстановления сигналов на основе теоремы В.А. Котельникова алгоритм восстановления сигналов на основе представления Хургина-Яковлева обеспечивает возможность раздельной
обработки как сигнала с верхней частотой спектра F, так и N-1 его первых производных, взятых с частотой дискретизации ґдис = 2F/N. В отличие от
л-
алгоритма восстановления сигналов в соответствии с теоремой В.А. Котельникова, представление Хургина-Яковлева при некоторых значениях N имеет более простую с точки зрения формы амплитудно-частотной характеристики (АЧХ) реализацию синтезирующих фильтров для более низкой частоты дискретизации. Это обстоятельство позволяет при практической реализации синтезирующих фильтров в виде цифровых нерекурсивных фильтров получить* меньшую ошибку восстановления сигналов. Кроме того, представляет интерес анализ помехоустойчивости этого алгоритма восстановления сигнала по сравнению с алгоритмом на основе теоремы В.А. Котельникова.
Наиболее значимой областью применения данного алгоритма являются системы обработки речевых сигналов (PC). Разработка таких систем — одна из быстро развивающихся областей новых информационных технологий, во многом определяющих перспективы развития страны и ее научного потенциала, Наиболее известные результаты в этой области были получены следующими учеными: Г.Фантом, Дж. Фланаганом, Дж. Д. Маркелом, А.Х. Грейем, М.А. Сапожковым, В.Г. Михайловым, М.В. Назаровым, Ю.Н. Прохоровым, Ю.К. Калинцевым, Г.В. Вемяном, А.И. Величкиным и др, [11...18].
Технические характеристики систем, реализующих речевые технологии, в значительной степени зависят от эффективности алгоритмов компрессии речи, обеспечивающих высокое качество восстановленного сигнала, при заданных вычислительных затратах. При этом одной из важнейших технических показателей данных систем является качество восстановленного PC при фиксированном коэффициенте компрессии.
Другой возможной сферой приложения алгоритмов обработки речевой информации на основе представления Хургина-Яковлева, являются системы восстановления фонограмм при их длительном хранении, а также в случае
фальсификаций. Наиболее известные работы в этой области принадлежат А.В. Петракову и В.С. Лагутину, В.С. Барсукову, С.В. Дворянкину, В.Р. Женило и другим [19...27]. ’
Алгоритмы обработки речевой информации на основе представления Хургина-Яковлева могут быть использованы в качестве маскираторов PC. Это позволит повысить помехоустойчивость, а также уменьшить динамический диапазон маскированного PC.
Таким образом, актуальной является задача разработки и исследования алгоритмов дискретной обработки PC на основе представления Хургина- Яковлева в радиотехнических устройствах.
Цель и задачи работы. Основной целью работы являются разработка и исследование алгоритмов обработки речевой информации на основе представления Хургина-Яковлева в радиотехнических устройствах.
В связи с этим, поставленная цель работы включает решение задач:
1. Анализа реализационных возможностей и помехоустойчивости алгоритма обработки речевой информации на основе представления Хургина- Яковлева.
2. Исследования систем обработки речевой информации на основе представления Хургина-Яковлева при воздействии акустических шумов и шумов квантования.
3. Разработки и исследования различных вариантов реализации полосового вокодера на основе представления Хургина-Яковлева,
4. Анализа применения итерационных алгоритмов восстановления речевой информации на основе представления Хургина-Яковлева.
5. Исследования систем восстановления PC на основе представления Хургина-Яковлева при использовании метода регуляризации.
6. Разработка алгоритмов определения искажений и фальсификаций фонограмм, а также их восстановления при использовании представления Хургина-Яковлева.
7. Разработки систем асинхронного маскирования PC на основе представления Хургина-Яковлева.
8. Анализа вычислительных затрат и эффективности алгоритмов обработки речевой информации при использовании представления Хургина- Яковлева.
9. Разработки быстрых алгоритмов корреляционной обработки на основе представления Хургина-Яковлева.
Научная новизна. В рамках данной диссертационной работы получены следующие новые научные результаты:
1. Разработаны и исследованы алгоритмы адаптивной дифференциальной импульсно-кодовой модуляции (АДИКМ) PC на основе представления Хургина-Яковлева при воздействии акустических шумов и шумов квантования.
2. Предложены различные варианты реализации полосового вокодера на
*
основе представления Хургина-Яковлева и показана их высокая эффективность.
3. Разработаны алгоритмы восстановления PC на основе представления Хургина-Яковлева при использовании итерационных алгоритмов и метода регуляризации.
4. Предложены алгоритмы определения искажений и фальсификаций фонограмм и их исправления, а также алгоритмы асинхронного маскирования PC на основе представления Хургина-Яковлева.
5. Разработан алгоритм корреляционной обработки в устройствах
синхронизации спутниковых систем передачи информации на основе представления Хургина-Яковлева, обеспечивающий сокращение
вычислительных*' затрат на 7... 15% при незначительном уменьшении вероятности обнаружения сигналов в комплексе управления космического аппарата «Kazsat».
Практическая ценность работы. Представленные в работе алгоритмы обработки PC на основе представления Хургина-Яковлева с использованием
отсчетов сигнала и его производной могут быть использованы в различных радиотехнических системах обработки и передачи информации. Реализация результатов исследований позволит уменьшить чувствительность параметров информационных систем к влиянию помех и искажений, улучшить качество восстановленного PC, а также снизить требования к оборудованию обработки.
Результаты диссертационной работы нашли применение в разработках федерального государственного унитарного предприятия «Российский научно- исследовательский институт космического приборостроения» (ФГУП «РНИИ КП»), а также внедрены в учебный процесс РГРТА, что подтверждено соответствующими актами.
Основные положения, выносимые на защиту.
1. Двухканальный алгоритм обработки и передачи речевой информации на основе представления Хургина-Яковлева, позволяющий увеличить помехоустойчивость PC в 1,2.. Л,5 раза, снизить требования к синтезирующим фильтрам, а также уменьшить вычислительные затраты.
2. Алгоритм адаптивной дифференциальной импульсно-кодовой модуляции PC на основе представления Хургина-Яковлева, обеспечивающий увеличение отношение сигнал-шум квантования на 1...3,5 дБ, а также повышение отношения сигнал-шум при действии акустических шумов на 0,5...3 дБ при скоростях передачи 8...48 кбит/с.
3. Алгоритмы обнаружения искажений и реставрации фонограмм на основе представления Хургина-Яковлева, обеспечивающие восстановление исходного PC с качеством 3,5...4 балла, а также алгоритмы маскирования PC, позволяющие получить остаточную разборчивость ниже 1,5 балла.
Апробация работы. Результаты работы докладывались на следующих конференциях:
1. 7 Всероссийские Туполевские чтения студентов. "Актуальные проблемы авиастроения", г. Казань, 1998.
2. I ВНТК "Компьютерные технологии в науке, проектировании и производстве", г. Нижний Новгород, 1999

Список літератури

ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В процессе работы над диссертацией разработаны и исследованы алгоритмы обработки PC на основе представления Хургина-Яковлева, показана их эффективность с точки зрения помехоустойчивости, реализуемости и вычислительных затрат, а также других качественных показателей.
В первой главе исследованы алгоритмы обработки, передачи и восстановления сигналов на основе представления Хургина-Яковлева, обладающие дополнительной помехоустойчивостью и возможностью параллельной обработки отсчетов сигнала и производной при более высокой реализационной возможности, чем алгоритмы на основе теоремы В.А. Котельникова.
Во второй главе разработаны и исследованы алгоритмы кодирования PC и полосового вокодера на основе представления Хургина-Яковлева, обеспечивающие большую помехоустойчивость и качество восстановленной речи, по сравнению с известными ранее алгоритмами. Предложены итерационные алгоритмы восстановления речи, обеспечивающие дополнительное повышение качество восстановленного сигнала.
В третьей главе рассмотрены практические аспекты использования представления Хургина-Яковлева в алгоритмах обработки речевой информации и сигналов синхронизации систем передачи. Разработаны алгоритмы определения искажений и фальсификаций, а также восстановления фонограмм на основе представления Хургина-Яковлева. Исследованы алгоритмы обработки речевых сигналов на основе представления Хургина-Яковлевд в системах асинхронного маскирования. Предложена система корреляционной обработки на основе представления Хургина-Яковлева. Рассмотрена аппаратная реализация систем обработки речевой информации на основе цифровых процессоров. Показана эффективность рассмотренных алгоритмов с точки зрения вычислительных затрат.
следующем виде:
1. Исследован двухканальный алгоритм обработки и передачи информации на основе представления Хургина-Яковлева. Показано, что данный алгоритм обеспечивает снижение вычислительных затрат за счет параллельной обработки отсчетов сигнала и производной, при частоте дискретизации F0 = Fkj2 на 15..20%.
2. Получены АЧХ и ФЧХ синтезирующих фильтров при представлении Хургина-Яковлева в двухканальном алгоритме обработки и передачи речевой
і
информации. Показано, что в этом случае можно получить выигрыш в СКО р для сигнала с равномерным спектром r]u=(40...60) % при порядках синтезирующих фильтров Р=10...100, а для PC - рф=(0...45) % при Р=40...100.
3. Проведено сравнение ряда алгоритмов оценки производной с точки зрения точности получения отсчетов и вычислительных затрат. Показано, что использование алгоритма получения производной в спектральной области при Fd - Fk обеспечивает минимальные ошибки при восстановлении сигнала.
4. Проведен анализ алгоритмов обработки и передачи информации на основе представления Хургина-Яковлева при использовании второй производной. Показана целесообразность использования в этом случае повторного применения двухканального варианта представления Хургина- Яковлева с точки зрения идентичности применяемых синтезирующих фильтров.
5. Проанализирована помехоустойчивость алгоритмов обработки и передачи информации на основе представления Хургина-Яковлева для сигналов с равномерным спектром, а также для PC. Показано, что выигрыш в помехоустойчивости алгоритмов обработки на основе представления Хургина- Яковлева по сравнению с алгоритмами обработки на основе теоремы В.А. Котельникова для сигналов с равномерным спектром составляет 1,2 раза, а для PC - от 1,3 до 1,5 раза.
6. Показана эффективность применения представления Хургина-Яковлева в алгоритмах АДИКМ по сравнению с алгоритмами на основе теоремы В.А. Котельникова, позволяющего увеличить отношение сигнал-шум квантования на К..3,5 дБ, а также повысить отношение сигнал-шум при действии акустических шумов на 0,5...3 дБ при скоростях передачи 8.„48 кбит/с.
7. Разработан полосовой вокодер на основе представления Хургина- Яковлева и получены значения критических полос для децимированнопэ сигнала и децимированной производной. Показано, что применение представления Хургина-Яковлева позволит получить качество восстановленной речи на уровне 3,8 балла при скорости передачи 4,8 кбит/с.
8. Разработаны системы восстановления PC при использовании предложенной модификации алгоритма Фиенупа и метода регуляризации в полосовом вокодере, реализованном на основе представления Хургина- Яковлева. Показана возможность увеличения качества восстановленного сигнала в этом случае на 0,3...0,5 балла согласно ГОСТ Р 50840-95 при скорости передачи 5,6. ..1,2 кбит/с.
9. Рассмотрено применение представления Хургина-Яковлева для определения искажений и фальсификаций фонограмм, а также их реставрации. Получено решающее правило и произведен расчет коэффициентов алгоритма обнаружения искаженных и фальсифицированных отсчетов. Показано, что применение представления Хургина-Яковлева в этом случае обеспечит вероятность ошибки обнаружения блоков искаженных и фальсифицированных отсчетов на уровне 2 % при вероятности ошибки обнаружения блоков истинных отсчетов менее 10 %.
10. Показана возможность использования алгоритмов обработки речевой информации на основе представления Хургина-Яковлева в системах асинхронного маскирования во временной и частотной областях, обеспечивающая остаточную разборчивость маскированного PC на уровне 1 балла при общем числе параметров (ключей) 107... 10й.
11. Разработан алгоритм корреляционной обработки в устройствах синхронизации спутниковых систем передачи информации на основе представления Хургина-Яковлева. Показана возможность сокращения вычислительных затрат на 7...15 % при незначительном уменьшении вероятности обнаружения сигналов в комплексе управления космического аппарата «Kazsat».
12. Предложена аппаратная реализация и показана возможность обработки речевой информации на основе представления Хургина-Яковлева с помощью микропроцессора фирмы Texas Instruments MSP 430F13x в реальном масштабе времени.
Проведенные исследования показали, что использование представления Хургина-Яковлева позволит повысить вычислительную эффективность и другие качественные характеристики ряда алгоритмов обработки и передачи информации, в частности алгоритмов кодирования и асинхронного маскирования речи; алгоритмов определения фальсификаций фонограмм и их реставрации; алгоритмов поиска и обнаружения сложных навигационных сигналов