Способ преобразования произвольно изменяющегося сигнала

Изобретение относится к самой широкой области техники, в которой используются аналоговые или оцифрованные сигналы. Способ может быть применен в устройствах связи, регистрации, записи, воспроизведения, преобразования, кодирования и сжатия сигналов. Способ может использоваться в речевых кодеках, например для IP-телефонии, и в сотовой связи для увеличения пропускной способности канала с сохранением качества передаваемого сигнала. Сущность способа состоит в том, что из сигнала, вне зависимости от его сложности и хаотичности, исключаются все участки падения амплитуд между ее измеренными максимальным и минимальным значениями, которые заменяются служебной информацией о величинах интервалов времени этих участков. Технический результат состоит в том, что достигается преобразование любого сигнала, обеспечивающего возможность предварительного кодирования и/или сжатия без потери качества, с возможностью последующего применения всех известных способов преобразования и/или кодирования. Кроме того, данный способ не влияет на качество сигнала, а представление его в естественно дискретном виде открывает новые возможности для последующей обработки. 3 ил.

 

ОПИСАНИЕ

Изобретение относится к самой широкой области техники, в которой используются аналоговые или оцифрованные сигналы. Способ может быть применен в устройствах связи, регистрации, записи, воспроизведения, преобразования, кодирования и сжатия сигналов. Способ может использоваться в речевых кодеках, например для IP-телефонии и в сотовой связи для увеличения пропускной способности канала. Широко известны способы представления и преобразования сигналов, особенно акустических и в том числе речевых [1, 2, 3].

Наиболее близким аналогом предлагаемого способа преобразования сигналов является технология порогового детектирования голосовой активности VAD (Voice activity detector) [2]. Технология VAD используется совместно с большим числом речевых кодеков. Входной аналоговый сигнал поступает на вход устройства сравнения, в котором измеряется его амплитуда и сравнивается с заданным пороговым значением (Фиг.1) При превышении амплитудой входного сигнала заданного порога сигнал поступает на вход кодека и кодируется по определенному алгоритму (интервал Т2-Т3). Если амплитуда входного сигнала ниже порогового значения (например в интервал Т1-Т2), то в момент времени Т1 передается только служебная информация (длиной в несколько бит) о начале паузы, а в момент Т2 - о ее окончании, что обеспечивает возможность сжатия сигнала.

Недостаток вышеописанного способа состоит в том, что исключенный участок сигнала (интервал Т1-Т2) не подлежит восстановлению и безвозвратно утрачивается, а передаваемый участок (интервал Т2-Т3) содержит избыточную информацию, которую можно исключить предлагаемым способом.

Техническим результатом заявляемого изобретения является способ преобразования сигнала, обеспечивающий возможность сжатия сигнала.

Указанный технический результат достигается за счет того, что в способе преобразования произвольно изменяющегося сигнала, основанном на замене участков сигнала служебной информацией о величинах интервалов времени этих участков, из сигнала исключаются все участки, соответствующие падению амплитуды между измеренными ее локальными максимальными и минимальными значениями.

Способ основан на том, что входной аналоговый сигнал поступает на вход аналогово-цифрового преобразователя и оцифровывается. Затем в цифровом виде сигнал поступает на вход процессора цифровой обработки сигналов [4, стр.7], в котором измеряется текущее значение его амплитуды и сравнивается с предыдущим. Итерационно определяются локальные максимальные и минимальные значения амплитуд, между которыми заключены последовательности возрастающих или уменьшающихся измеренных значений амплитуд. Интервалы времени, соответствующие экстремальным значениям амплитуд, запоминаются в ОЗУ или на носителе информации, например на жестком диске или флэш-карте. Из сигнала (см. Фиг.2), вне зависимости от его сложности и хаотичности, исключаются все участки падения амплитуд (интервалы Т1-Т2, Т3-Т4, Т5-Т6, Т7-...) между ее измеренными максимальным и минимальным значениями, которые заменяются служебной информацией о длине соответствующего интервала времени. Каждое текущее значение амплитуды сигнала, выраженное численным значением, сравнивается в арифметико-логическом устройстве компьютера с последующим, и если следующее значение амплитуды больше текущего, то считается, что найден локальный минимум и начало участка увеличения амплитуды. Если следующее значение амплитуды меньше текущего, то текущее значение соответствует локальному максимуму амплитуды.

Интервалы времени, соответствующие найденным участкам сигнала, обнаруживаются либо с помощью регистрации текущих значений таймера, соответственно в моменты обнаружения локальных экстремумов амплитуд, либо при известной частоте дискретизации оцифрованного сигнала просто подсчитывается количество временных отсчетов, расположенных между обнаруженными локальными экстремумами амплитуд.

При условии, что преобразованный данным способом сигнал содержит меньше информации, чем исходный, такой способ эквивалентен сжатию.

Поскольку место исключенного участка сигнала строго определено между максимальным и последующим минимальным значениями амплитуды, то этот участок можно заменить любым изменяющимся по заранее заданному закону, определяющему форму огибающей, выбранную так, что амплитудные значения этого участка являются последовательностью чисел, кодирующих номер аппроксимирующего участка в памяти процессора, и потому являются служебной информацией, необходимой, например, для восстановления исходного участка сигнала с требуемым качеством. Представление сигнала в данной форме, удобной или пригодной для последующего использования, эквивалентно кодированию, а при условии, что преобразованный данным способом сигнал содержит меньше информации, чем исходный, такой способ эквивалентен сжатию.

В качестве лабораторного образца была разработана компьютерная модель, демонстрирующая вышеописанный способ преобразования сигнала.

Модель была выполнена на основе компьютерной программы, функционирующей по следующему алгоритму, схема которого показана на Фиг.3.

На этапе (1) (см. Фиг.3) осуществляется обработка стандартного заголовка входного файла звукового формата с получением информации о структуре файла и формата записи амплитудных значений.

На этапе (2) производится установка индексов массива переменных амплитудных значений - i=0, j=i+1 на текущее и следующее амплитудные значения - Ai, Aj, установка СЧЕТЧИКА временных отсчетов равным нулю Т=0, выделение буфера памяти под размещение временных данных и буфера счетчиков.

На этапе (3) осуществляется выбор дальнейших действий в зависимости от условия Ai<=Aj. Если условие выполняется, производится этап (4). Если не выполняется - действия по этапу (6).

На этапе (4) производят запись значений Ai в выходной буфер без изменений.

На этапе (5) осуществляется выбор дальнейших действий в зависимости от условия i=i+1, j=j+1. Если условие выполняется, производится запись буферов в выходной файл. Если не выполняется, повторяются действия по этапу (3). Этап (5) характеризуется обнаружением локального максимума амплитуды.

На этапе (6) производят обработку участка падения амплитуды обработка j=j+1.

На этапе (7) осуществляется выбор дальнейших действий в зависимости от условия Ai>=Aj. Действие повторяют, пока условие не соблюдается. Затем переходят к шагу (8).

На этапе (8) производят обнаружение локального минимума амплитуды. T=j-i-1 - определение величины служебной информации о времени (количестве отсчетов) участка падения амплитуды. Т записывается в буфер. Соблюдаются условия: Т=0; i=j; j=i+1.

Действия переносят на этап (3).

На вход программы, реализованной на основе данного алгоритма, подавался сигнал в виде стандартного звукового файла РСМ, записанный с помощью микрофона и оцифрованный АЦП преобразователем стандартной звуковой картой компьютера, у которого исключали все участки падения амплитуд (интервалы Т1-Т2, Т3-Т4, Т5-Т6, Т7-...) (см. Фиг.2) между ее измеренными максимальным и минимальным значениями, которые заменяли служебной информацией о длине соответствующего интервала времени.

Анализ показал, что преобразованный сигнал содержит меньше информации, чем исходный, что соответствовало сжатию информации.

Источники информации

1. Д.Ворсано, «Кодирование речи в цифровой телефонии», «Сети и системы связи», №1, 1996.

2. «Некоторые аспекты технологий IP-телефонии» http://www.ixbt.com/comm/ip-aspects.html. Игорь Барков ([e-mail], CTINet), Вед. специалист "Институт компьютерных Технологий", Санкт-Петербург, 199106, 26-линия В.О. 9-a, tel. [phone]. Опубликовано - 31 октября 2000 г.

3. Л.Р.Рабинер, Р.В.Шафер, «Цифровая обработка речевых сигналов», М., Радио и связь, 1981.

4. П.Г.Круг, «Процессоры цифровой обработки сигналов», М., Издательство МЭИ, 2001.

Способ преобразования произвольно изменяющегося сигнала, основанный на замене участков сигнала служебной информацией о величинах интервалов времени этих участков, отличающийся тем, что из сигнала исключаются все участки, соответствующие падению амплитуды между измеренными ее максимальными и локальными значениями.