Спосіб багатокомпонентного кодування та декодування електричних сигналів різноманітного походження

1. Спосіб багатокомпонентного кодування електричних сигналів різноманітного походження, який передбачає за рахунок використання цифрових або аналогових, або гібридних інтегральних мікросхем, або дискретних елементів зменшення розрядності значень сигналів, що розглядають у часовій ділянці, який відрізняється тим, що зменшення розрядності значень сигналів здійснюють 2 (19) 1 У світовій практиці існують способи стиснення (компресія) оцифрованого сигналу, що використовують його як у частотній (спектральній), так і в часовій ділянці. Це способи зменшення обсягу інформації за рахунок зменшення частоти дискретизації анало 3 гового сигналу та зменшення за рахунок поділу (зсуву) розрядності його виявлення (наприклад, системи WaveStudio або WaveLab). Так, звичайний CD-формат для передачі телефонною лінією перетворюється наступним чином. Частота дискретизації 44,1кГц замінюється на 8кГц, тобто враховуються не всі, а послідовно кожне 6-е, потім 5-е значення, що зменшує обсяг інформації, яка передається, у 5,5 разів), а розрядність сигналу змінюється з 16 бітів на 8 шляхом поділу вихідного значення на 256, що є еквівалентним врахуванню тільки старшого байта у двобайтовому слові (що скорочує обсяг у 2 рази). Внаслідок цього обсяг інформації скорочується в 11 разів при невисокій якості відтворення перетвореного сигналу, спричиненої втратою всієї вилученої інформації. Відомо спосіб аудіо-стискання МРЗ (стандарт M3EG рівень III), який має доволі високий коефіцієнт стиснення, де сигнал аналізується щодо його спектрального складу [DE 3 19747119, Н03М7/40, публ. 29.04.1999]. Відомо спосіб скорочення обсягів інформації, що передається або записується. Це спосіб лінійного передбачення. Суть його полягає в передаванні не самих значень рівнів сигналу, а лише різниці (похибки сигналу) між передбаченими та дійсними вибірковими даними, що дозволяє скоротити розрядну сітку виявлення сигналу на 1-2 біти [Б. Скляр Цифровая связь. Теоретические основы и практическое применение. – М., СПб., К. - с.855]. Найближчим до способу багатокомпонентного кодування електричних сигналів різноманітного походження, що заявляється, є CELP (Codebook Excited Linear Predictive - лінійне передбачення, що активується кодовою книжкою) - вокодер, який належить до типу лінійних кодеків з передбаченням (linear predictive coder - LPC). LPC-кодеки використовують дані прямого оцифрування як вихідні; багатокомпонентність кожна наступна дія алгоритму (моделі) спирається на результати попередньої та покращує роботу кодека; розглядають сигнал у часовій ділянці як послідовність дискретних відліків. CELP - мовні кодери, що використовують лінійні фільтри із передбаченням (linear predictive filter - LPF), можуть давати високу якість мовлення, закодованого зі швидкістю, вищою за 16Кбіт/с, проте зі зниженням швидкості якість швидко погіршується. Кодери LPC можуть бути модифіковані з метою отримання високоякісного стиснення зі швидкостями порядку від 4,8 до 9,6Кбіт/с шляхом приведення задачі синтезу до двохетапної процедури, що має назву синтез через аналіз (synthesis be analysis). На першому етапі утворюється модель LPC 10-го порядку для сигналу, дійсного упродовж короткого інтервалу, приміром кожні 20мс. На другому етапі відшукується сигнал, який при застосуванні до моделі LPC утворює на виході сигнал, по можливості близький до початкового синтезованого сигналу. Завершується цей процес за допомогою послідовного застосування придатного сигналу активізації до моделі та порівняння кожної синтезованої форми сигналу з початковим сигналом і наступним вибором такого, що мінімізує 91827 4 похибку між початковим сигналом та виходом керованої моделі. Відомо, що активізація мовлення часто складається з періодичних імпульсів (утворених шляхом вібрації голосових зв’язок мовця). Період періодичних імпульсів Р пов’язаний із голосом мовця. Одновідводний рекурсивний фільтр визначається двома параметрами: Р - число інтервалів спізнення в контурі зворотного зв’язку та g - коефіцієнт зворотного зв’язку. Імпульсна характеристика цього фільтра є згасаючою послідовністю з Р=0 вихідними вибірками між послідовними ненульовими вихідними вибірками. Вихід цього фільтра генерує періодичний сигнал активізації, що подається на вхід моделі LPC. [Б. Скляр Цифровая связь. Теоретические основы и практическое применение. - М., СПб. К. - с.889-890]. Із зазначеного стає очевидним, що CELP - кодек є доволі ефективним способом кодування стиснення та відновлення аудіо-сигналів. Проте коефіцієнт стиснення залишається низьким, тобто передача може здійснюватися лише на достатньо високих швидкостях, якість роботи залежить від частоти квантування. До того ж, його орієнтовано лише на роботу з мовним сигналом. Навіть такі аудіо-сигнали, як музичні файли, не можуть бути ним засвоєні, не кажучи вже про сигнали іншого походження. Найближчим до способу багатокомпонентного декодування електричних сигналів різноманітного походження, що заявляється, є декодер, який використовується в CELP. Декодування здійснюють наступним чином. На вхід декодера подається кодований сигнал, який активує модель LPC. Алгоритм синтезу перевіряє можливі значення Р (число інтервалів спізнення в контурі зворотного зв’язку) із переліку придатних. Два параметри голосу оцінюються кожні 5мс. Вхід у мовний фільтр вилучається з таблиці придатних послідовностей активізації. Вихід фільтра, в свою чергу, керує моделлю LPC. Таблиця, що містить, як правило, 1024 позиції, називається кодовою книжкою. Кодова книжка відвідується кожні 2,5мс. Коли найкраща комбінація позицій кодової книжки та період голосу визначені за допомогою повного пошуку, формується група, що містить послідовність параметрів голосу, послідовність адрес кодової книжки та інформацію про коефіцієнти LPC. [Б.Скляр Цифровая связь. Теоретические основы и практическое применение. - М., СПб. К. - с.889-890]. Недоліками цього способу є те, що кодер змушений надавати параметри, які описують модель LPC; спектральна характеристика фільтрів LPC дуже чутлива до квантування коефіцієнтів і презентується за допомогою неприйнятне великої кількості біт, тому існує додаткове перетворювання коефіцієнтів LPC в іншу множину параметрів, що мають назву лінійні спектральні пари, є менш чутливими до квантування, але погіршують відтворення вихідного сигналу. В основу винаходу поставлено задачу створення високоефективного способу багатокомпонентного кодування електричних сигналів різноманітного походження як аналогових, так і цифрових, з 5 вищими коефіцієнтами стиснення, без залежності якості роботи від частоти квантування з можливістю відновлення (синтезу) вихідного сигналу з вищим ступенем точності порівняно з прототипом. Друга задача, яку поставлено в основу винаходу, - це створення способу багатокомпонентного декодування електричних сигналів різноманітного походження, який має відновлювати (розгортати) закодований кодером сигнал у вихідний з вищим ступенем точності і має стійкі характеристики порівняно з прототипом. Поставлену задачу вирішують тим, що у способі багатокомпонентного кодування електричних сигналів різноманітного походження, який передбачає зменшення розрядності значень сигналів, що розглядають у часовій ділянці, згідно з винаходом, зменшення розрядності значень сигналів здійснюють шляхом логарифмування (In за основою 12 2 ), потім послідовно здійснюють фіксацію і стиснення отриманих інформаційно значущих компонентів сигналу, якими є локальні екстремуми і часові інтервали між ними, при зміні напряму руху сигналу із додаванням до нього службової інформації, наступне стиснення отриманих значень шляхом використання показників дискретних відліків і вилучення відповідних їм значень ефективних амплітуд та стиснення за рахунок відокремлення повторюваних ділянок послідовності часових значень шляхом представлення їх обмеженою байтовою послідовністю. Значення сигналів перетворюють у цифрову форму на етапі зменшення їх розрядності. До етапу стиснення отриманих значень шляхом використання показників дискретних відліків і вилучення відповідних їм значень ефективних амплітуд здійснюють стиснення отриманих показників за рахунок вирівнювання значень позитивної і негативної фаз екстремумів. Після етапу стиснення за рахунок виокремлення повторюваних ділянок послідовності часових значень шляхом представлення їх обмеженою байтовою послідовністю здійснюють стиснення шляхом архівування. Другу поставлену задачу вирішують тим, що спосіб багатокомпонентного декодування електричних сигналів різноманітного походження, в якому використовують часові ділянки, згідно з винаходом, передбачає представлення обмеженою байтовою послідовністю, послідовністю часових значень і кількістю повторів у логарифмічному масштабі з урахуванням типу повторення, відновлення значень амплітуд локальних екстремумів за таблицею відповідності послідовності часових значень локальним амплітудам і наступне відновлення вихідного сигналу шляхом лінійношматкової апроксимації функцією синуса/косинуса. До представлення обмеженою байтовою послідовністю, послідовністю часових значень і кількістю повторень у логарифмічному масштабі з урахуванням типу повторення здійснюють декодування стисненої цифрової послідовності показників шляхом розархівування, якщо при кодуванні використовувалось архівування. 91827 6 Використаний у винаході спосіб багатокомпонентного кодування і декодування електричних сигналів різноманітного походження заснований на методологічному припущенні про те, що сигнал будь-якого походження являє собою цілісність, що не дорівнює сумі властивостей її частин. Тому у винаході сигнал розглядається у часовій, а не спектральній (частотній) ділянці. Наступне методологічне припущення полягає в тому, що, хоча всі цифрові значення, тобто часові відліки сигналу, є важливими і необхідними для його існування, передачі і сприйняття, не всі вони несуть однакове інформаційне навантаження. Отже, частина з них має бути зафіксована при записуванні сигналу або включена як необхідний компонент у його передачу. Інша і більша частина значень може бути відновлена при відтворенні сигналу. Таким чином, задача полягає у пошуку і фіксації інформаційно значущих компонентів сигналу і в знаходженні алгоритму відновлення усієї множини значень, виходячи з цих компонентів. Проте, як і інших системах стиснення, існує необхідність зменшення кількості двійчастих розрядів у виявленні сигналу. Через те що традиційний спосіб поділу (зсуву) застосувати неможливо, бо він не дозволяє відновити вихідні значення, у винаході застосовано метод логарифмування, з огляду на те, що логарифм має здатність доволі точно представляти маловідмінні величини і суттєво скорочувати величини, що мають значні відмінності. В акустичній практиці ця закономірність використовується, наприклад, при оцінці звукового тиску (гучності). Величина децибел являє собою, як відомо, 1/10 десяткового логарифма. Проте для виявлення всієї сукупності оцифрованих значень сигналу ця одиниця є доволі неточною. Тому у винаході використано логарифм на іншій підставі. Таким чином технічним результатом винаходу є: набагато вищий коефіцієнт стиснення; відсутність залежності якості роботи від частоти квантування; використання для будь-яких електричних сигналів; декодування з більш високим ступенем точності, яка не залежить від спектральних характеристик. Спосіб передбачає використання цифрових, або аналогових, або гібридних інтегральних мікросхем, або дискретних елементів, які виконують наступні дії. Кодування, що складається з таких етапів. 1). Перетворення сигналу, у випадку, якщо аналоговий сигнал є вихідним, у цифровий аналого-цифровим перетворювачем (АЦП) з постійною частотою дискретизації (fдиск.) за умови: fдиск.>2*fверхня сигналу. 2). Організація лічильника дискретних відліків (часу) (ЛДВ), буферної пам’яті для запису, зберігання, читання необхідної інформації: значень (ЛДВ) - Z, послідовності результуючих значень Арез. послідовності точок локальних екстремумів вихідного сигналу. 7 91827 3). Зменшення розрядності значень сигналів за рахунок логарифмування (In за основою 12 2) Арез.=lnAвих./Ln 12 2 де Авих. - вихідні значення сигналу в прямій оцифровці 4). Визначення (В) - локальних екстремумів сигналу шляхом порівняння поточного (Арезюпот.) значення і попереднього (Арез.поп.) значення і запис у пам’ять значень Арез.mах, Арез.mіn, та відповідних їм значень Z (або часу, за який досягається Amax локальний або Аmіn. локальний) у точках локальних екстремумів при зміні напряму руху з наступним обнулінням ЛДВ). 5д). Центрування значень стисненої інформації відносно осі Х декартової системи координат за формулою: Ацентр.=Арез.1-((Арез.1=Арез.2)/2 де: Ацентр. - центруюче значення, Арез1 -значення першої точки локального екстремуму, Арез2 - значення другої точки локального екстремуму, при цьому у пам’ять записується Zцентр.=Zт.1+Zт.2 де: Zцентр - сумарне значення; Zт1 - значення ЛДВ у першій точці локальних екстремумів, Zт2 - значення ЛДВ у другій точці локальних екстремумів, при цьому вміст буферної пам’яті переписується за рахунок видалення значень локальних екстремумів Ацентр. 6). Зменшення обсягу інформації за рахунок виділення повторюваних ділянок послідовності Zцентр (часових значень) із збереженням у пам’яті значень Zцентр і кількості їх повторень. 7д). Остаточна компресія будь-яким архіватором. Цифрами з «д» у зазначеній послідовності позначено дії, які хоча й допомагають досягненню заявленого результату, проте не є обов’язковими. Декодування цифрового сигналу, що містить такі етапи. 1д). Розархівація даних. 2). Обробка обмежених за обсягом байтових послідовностей, величина кожної з яких може до Комп’ютерна верстка Т. Чепелева 8 рівнювати 2-17 байтам, що мають наступну структуру: 4 старших біта першого байта (діапазон значень від 0 до 15) - службова інформація, що описує тип і форму сигналу; 4 молодших біта (діапазон значень від 0 до 15) - описують тип повторення що вказує на те, скільки елементів (байтів) повторюється, при цьому 0 означає відсутність повторювання і другий байт представляє Z у логарифмічному масштабі Zвід.=ехр(LnZ*Ln 12 2 ); „1” означає повторення Z, що міститься у другому байті за тієї самої формули розрахунку Z відн. , у такому разі третій байт послідовності позначає кількість повторень, представлену у логарифмічному масштабі за раніше вказаною основою kвід.=exp(Lnk*Ln 12 2 ) де: kвід. - кількість повторів елемента; k - значення третього байта у прийнятій для декодування послідовності, якщо значення чотирьох молодших бітів більше за 1 і дорівнює n, це означає, що за першим байтом іде група із n байт лагарифмованих Z, а наступний за ними байт вказує на кількість повторень цієї групи. 3). Відновлення за таблицею відповідності амплітуд і часових значень сигналів локальних екстремумів, що відповідають значенням Zвідн, отримання значень Арез. 4.) Отримання значень Авідн..: Авідт..=ехр(LnАрез.*Ln 12 2 ) - відновлення всієї сукупності значень вихідного сигналу завдяки виявленню їх за допомогою функцій sin (cos), при значенні «0» у п’ятому розряді першого байта і лінійної залежності за наявністю значення «1» у п’ятому розряді першого байта. Винахід, що заявляється, реалізовано у вигляді експериментального програмне - апаратного комплексу, на якому в результаті експерименту з кодування-декодування сигналів різноманітного походження та складності вихідні сигнали були стиснуті в 78 разів - результат, що набагато перевищує існуючі способи стиснення. Підписне Тираж 26 прим. Міністерство освіти і науки України Державний департамент інтелектуальної власності, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601