PHÂN TÍCH THỐNG KÊ MÃ HÓA CELP potx

Trong bộ giải mã tín hiệu kích động đi qua bộ lọc tổng hợp, khi tái tạo tín hiệu tiếng nói λh ta nhận thấy, đầu tiên các tham số của bộ lọc được xác định, còn sau đó là các chỉ số của sổ

I GIỚI THIỆU

Chúng ta xem xét phân tích sự hoạt động của bộ Mã hoá CELP với sơ đồ được giới thiệu

trên hình 1 Tín hiệu kích thích U(h) được hình thành bằng cách cộng tín hiệu tỷ lệ từ sổ mã hoá

thích ứng (AKK) (bổ xung thành phần trên số thời gian dài của tín hiệu tiếng nói) và tín hiệu tỷ

lệ từ sổ mã cố định lớn (CKK) Tín hiệu kích động nhận được điều khiển bộ lọc tổng hợp, nó

mô phỏng hiệu ứng thiết bị tiếng nói Trong bộ giải mã tín hiệu kích động đi qua bộ lọc tổng

hợp, khi tái tạo tín hiệu tiếng nói λ(h) ta nhận thấy, đầu tiên các tham số của bộ lọc được xác

định, còn sau đó là các chỉ số của sổ mã α và k Các hệ số khuếch đại tương ứng G1 và G2, các

tham số của sổ mã được chọn sao cho sai lệch gây ra giữa tín hiệu tiếng nói gốc và tín hiệu tiếng

nói tái tạo được cực tiểu hoá, đạt được việc truyền mỗi tế bào của sổ mã đến bộ lọc tổng hợp với

mục đích xuất hiện lớn nhất các mẫu giống nhất

Tất nhiên trên thực tế đưa ra 2 sự đơn giản hoá phân tích Đầu tiên gắn liền với xác định

tham số bộ lọc tổng hợp đặc tính của nó để đơn giản lựa chọn bộ lọc đảo dự đoán tuyến tính

thời gian ngắn, được cực tiểu hoá năng lượng tín hiệu sai lệnh dự đoán Tham số của bộ lọc tổng

hợp được xác định với tính toán tín hiệu kích động U(h), tất nhiên sau đó chúng được xác định,

các thay đổi nào đó lớn hơn của tín hiệu sẽ không được tính đến, điều đó có nghĩa là, khi xác

định tham số của bộ lọc có thể các thành phần thời gian dài bị ảnh hưởng, khi đó sự mô phỏng

của chúng tốt hơn cả là “dừng lại” đối với sổ mã thích ứng Sự đơn giản hoá thứ 2 của phân tích

được thực hiện khi xác định các tham số của sổ mã Nếu thay xác định đồng thời tham số sổ mã

(thích ứng và cố định) để cực tiến hoá sai lệch Ban đầu xác định trễ và hệ số khuếch đại AKK,

khi đó cho rằng tín hiệu CKK bằng 0, còn sau đó khi có tín hiệu AKK thì xác định tham số

PHÂN TÍCH THỐNG KÊ MÃ HÓA CELP

TS TRẦN QUỐC THỊNH

Bộ môn Kỹ thuật viễn thông Khoa Điện – Điện tử

Trường Đại học Giao thông Vận tải

Tóm tắt: Bài báo đề cập đến phương pháp đánh giá các bộ Mã hoá tiếng nói CELP,

cách xử lý các tham số, để tạo ra bộ mã hoá tiếng nói CELP Vừa bảo đảm hiệu quả kinh tế

vừa bảo đảm chất lượng tiếng nói Đây là một vấn đề thời sự trong lĩnh vực mã hoá tiếng nói

trong các hệ thống thoại của mạng viễn thông, đang được các nhà nghiên cứu quan tâm

Summary: This paper presents the methods to analyse CELP encoder and deal with

parameters which produce encoder CELP for ensuring both economic efficiency and quality of

voice It takes much researchers’ attention in area of voice coding of telecommunication

network now

ĐT

CKK Cách giải quyết như vậy làm giảm độ phức tạp của các bộ mã hoá CELP đến mức chấp nhận được, tất nhiên dẫn đến làm giảm chất lượng tiếng nói tái tạo

Chúng ta xem xét sự ảnh hưởng của hai phương pháp đơn giản trên đến chất lượng tiếng nói tái tạo

Hình 1 Sơ đồ mã hóa CELP

II TÍNH TOÁN THAM SỐ BỘ LỌC TỔNG HỢP

Như nhận xét ở trên, đặc tính đơn giản của bộ lọc tổng hợp là đảo đối với đặc tính của bộ lọc dự đoán sai lệch

A(z) = 1 - α1z-1 - α2z-2 - - αpz-p

Bộ lọc này tối thiểu hoá năng lượng còn lại từ sự dự đoán tín hiệu tiếng nói vào λ(h) Ở đây

P là bậc của bộ lọc Rõ ràng điều đó còn xa thực tế xác định tham số bộ lọc tổng hợp: vì vậy khi tín hiệu kích thích λ(h) được xác định, các hệ số của bộ lọc tổng hợp có thể được tính toán kỹ với mục đích làm tăng tỉ số S/N của tiếng nói tái tạo Chúng ta xem xét đến các phương pháp khác nhau khi tiến hành tối thiểu hoá

Một trong các phương pháp tối thiểu hoá, nó có thể được đề nghị khi phân tích bộ mã hoá với kích thích nhiều xung điện gọi là lặp theo phương pháp bình phương bé nhất Khi có tín hiệu kích thích λ(h) và bộ hệ số bộ lọc αk = 1, 2, 3, …, P Tín hiệu tiếng nói tái tạo có thể được tính toán với biểu thức

∑

=

− λ α +

=

1 k

k ( h k ) )

h ( U ) h

)

(1) Tối thiểu hoá E – năng lượng tín hiệu sai lệch

e(h) = λ(h) - λ∧(h)

Tối thiểu hóa sai lệch

Theo chiều dài L đoạn tín hiệu - được thực hiện với sự trợ giúp của biểu thức

( ) ( )

1 L 0 h

P 1 k k

2 1

L 0 h

k h λˆ α h

U h λ

h λˆ h λ E

∑

−

−

=

⎟⎟

⎠

⎞

⎜⎜

⎝

⎛

−

−

−

=

−

=

(2)

Rõ ràng E phụ thuộc không chỉ vào hệ số bộ lọc, mà còn phụ thuộc vào tín hiệu tái tạo

λ)(h), nó cũng phụ thuộc vào hệ số của bộ lọc và kết quả không thể nhận được đạo hàm riêng

∂E/∂αi tiến đến “0” và nhận hệ thống P phương trình tuyến tính để xác định bộ hệ số tối ưu

Với mục đích đơn giản hoá phân tích chúng ta cho phép

(h-k) (λˆ h k)

λ ≈ − (3) Khi đó ta nhận được:

1 L 0 h

P 1 k

kλ h k α

h U h λ

⎠

⎞

⎜⎜

⎝

⎛

−

−

−

Bây giờ thực hiện đạo hàm ∂E/∂αi cho bằng 0 Đối với i = 1, 2,…, P có thể nhận được P

phương trình tuyến tính, khi giải nó chúng ta nhận được các hệ số lặp của bộ lọc Cùng với điều

đó sự ứng dụng phương pháp này có thể dẫn đến làm kém đi S/N Nguyên nhân là do ta làm gần

đúng ở phương trình (3) Để làm tốt hơn các S/N thành phần trong tiếng nói tái tạo, cần thiết

trong mỗi đoạn xác định các tham số của bộ lọc, khi sử dụng các hệ số gốc, cũng như hệ số lặp

và đưa ra những tham số từ các hệ số trên, nó bảo đảm S/N max

Tính toán tham số kích thích

Để làm giảm độ phức tạp của bộ mã hoá, bộ lọc tín hiệu sai lệch (hình 1) thường được đưa

vào để tín hiệu vào λ(h) và tín hiệu tái tạo λ∧(h) xem xét riêng biệt trước khi tiến hành so sánh

chúng và tính toán sai lệch, đối với bộ lọc tổng hợp với đặc tính H(z) = 1/A(z), ở đây A(z) = 1 - α1z-1 - α2z-2 - - αpz-p, và bộ lọc tính toán tín hiệu sai lệch A(z)/A(z/γ) ở đây γ là

hằng số và thực tế bằng 0.9 Sự nối tầng đương nhiên được sử dụng bộ lọc tổng hợp tính toán

1/A(z/γ) Sai lệch trong trường hợp này

ew(h) = λw(h) - λ∧w(h) = λw(h) - λ∧ 0(h) - G1[u(h - α)v(h)] - G2 [ek(h)v(h)] (5)

ở đây λw(h) - tín hiệu vào, λ∧o(h) - đáp ứng bộ lọc tổng hợp đối với giá trị vào của khoảng

tín hiệu trước, v(h) - đặc tính xung của bộ lọc tổng hợp

Trong quá trình của trình tự tìm kiếm các giá trị hệ số khuếch đại xuất hiện G1 và trễ α đối

với AKK, còn chỉ số k và hệ số khuếch đại G2 đối với CKK, nó được tối thiếu hoá sai lệch bình

ĐT

phương trung bình Ew, nhận được trong các khoảng tín hiệu có chiều dài H

⎠

⎞

⎜⎜

⎝

⎛

−

=

H 0 n

αk

2

H

1

E (6)

ở đây

Tαk = 2 (G1 Rα + G2Rk - G1G2 Yαk) -G ξα G2ξk

1

2

1 − (7)

là đại lượng, tăng lên trong quá trình tìm kiếm trong sổ mã (có nghĩa giá trị lớn nhất Tαk chỉ

ra được bộ tham số của số mã)

( )h ( )h ˆ ( )h

U =λw −λ0 - tín hiệu - dấu hiệu tìm kiếm

và ξα = H1[ ( ) ( ) ]2

0 h

h v h u

∑−

=

α

− - năng lượng tín hiệu lọc AKK

R H 1u( ) (h [u h ) ( )v h ]

0 h

α

−

=∑−

=

α (8)

là sự tương quan tín hiệu lọc AKK và tín hiệu tìm kiếm U(h)

Tương tự ξk - là năng lượng tín hiệu lọc CKK, [ek(h) v(h)], còn Rk - sự tương quan giữa tín hiệu này và tín hiệu tìm kiếm Ta có

( ) ( )

∑−

=

ν ν

α

−

=H 1

0 h

k

R (9)

là tương quan giữa các tín hiệu lọc của 2 sổ mã

Ở phương pháp bình thường tìm kiếm tham số sổ mã trong (7) bắt đầu bằng giả thiết

G2 = 0 Sau đó đối với giá trị số liệu đã cho α có thể xác định hệ số khuếch đại tối ưu G1, nếu đưa đến ‘0’ giá trị đạo hàm riêng Tαk tương ứng G1, kết quả chúng ta tìm được giá trị Tαk đối với mỗi giá trị α và chọn giá trị trước đó nó tương ứng với giá trị lớn nhất Tαk Các tham số AKK cố định và trình tự tương tự diễn ra đối với việc xác định tham số CKK R và G2

Có thể đề xuất một vài phương pháp tối ưu như sau:

biểu thức được sử dụng để xác định giá trị tối ưu G1, G2

hiện tìm kiếm trong CKK, từ đó giá trị G1, G2 và k được xác định

đó đối với k đã biết α được lặp, nói cách khác, đối với khả năng có thể α, G1, G2 và Tαk được xác định và lựa chọn giá trị α như thế, nó tương ứng với giá trị lớn nhất Tαk

Chúng ta tiến hành so sánh các phương pháp tính toán lại với sự tìm kiếm liên tiếp bình thường và với sự tìm kiếm mô phỏng đồng thời trong hai số mã Nếu lấy đạo hàm riêng Tαk tương ứng với G1 và G2 cho đến 0, chúng ta nhận được hệ thống 2 phương trình, qua nó tìm được giá trị tối ưu của hệ số khuếch đại đối với trị số sổ mã đặt ra α và k

2 k k

k k k 1

R

R R R

G

α α

α α

− ξ ξ

− ξ

= (10)

k k

k k

2

R

R R R

G

α α

α α α

− ξ ξ

− ξ

= (11) Bảng 1 Đặc tính CELP

tạp

Trình tự tìm kiếm đầy đủ, dự tính ξα, ξk, Rα, Rk và Rαk đối với mỗi cặp trị số α và k, để

theo chúng tìm hệ số khuếch đại G1 và G2 Các hệ số khuếch đại này có thể sau đó đưa vào (7)

để tính TαR max Tối thiểu hoá nó cần thiết để lựa chọn bộ chỉ số đúng Khó khăn chính tìm

kiếm đầy đủ nảy sinh khi xác định sự tương quan liên hệ RαR đối với mỗi cặp chỉ số của sổ mã

Sử dụng sổ mã cố định Cho phép đồng thời với ξk và Rk, xác định Rαk hiệu quả hơn, khi sử

dụng chỉ số trong 4 khung đặt ra

Theo bảng 1 trình bày đặc tính CELP đối với tốc độ 48kb/s các quan hệ S/N và độ phức tạp

kéo theo đối với các phương pháp tìm kiếm khác nhau

Có thể nhìn thấy, tìm kiếm đầy đủ đưa ra trội hơn theo chỉ số S/N khoảng 1dB so với tìm

kiếm liên tiếp, nhưng độ phức tạp của nó cao hơn gấp 60 lần Phương pháp C làm tăng độ phức

tạp của bộ mã hóa cỡ 40%, còn tỷ số S/N như của bộ mã hoá với tìm kiếm đầy đủ

Cuối cùng phương pháp A làm tăng tính phức tạp của bộ mã hoá lên 2% nhưng sự tăng S/N

chỉ lên chút ít

III KẾT LUẬN

Chúng ta có thể đưa ra các phương pháp xác định các tham số và cấu trúc của bộ mã hoá

tiếng nói CELP Như trên đã phân tích việc lựa chọn các phương pháp có liên quan chặt chẽ đến

chất lượng mã hoá tiếng nói, tái tạo tiếng nói, giá thành sản phẩm, những đánh giá này được dựa

vào các phân tích và suy luận được trình bày ở phần trên của bài báo

Tài liệu tham khảo

[1] Bellami Đ D, “Điện thoại số”, NXB Vô tuyến điện - thông tin liên lạc, 1986

[2] Duain G, “Điện thoại gọi”, NXB Vô tuyến điện - thông tin liên lạc,1988

[3] Pintkuk, “Điện thoại IP”, NXB Vô tuyến điện - thông tin liên lạc, 2000

[4] Smalko, “Mạng thông tin số”, NXB Vô tuyến điện - thông tin liên lạc, 2001

ĐT

[5] Oliphep, “Công nghệ và trang bị mạng IP mới”, NXB Vô tuyến điện - thông tin liên lạc, 2000 [6] Selukhin O I., “Gia công số và truyền tiếng nói”, NXB Vô tuyến điện - thông tin liên lạc, 2002 [7] Lomakin, “IP- Telephone/ mobile system”,1999♦