Scientific journal
Modern problems of science and education
ISSN 2070-7428
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 0,931

COMPANDING OF VOICE MESSAGES ON THE RECOMMENDATION ITU-T G. 711 OF THE INTERNATIONAL TELECOMMUNICATION UNION

Gorelov G.V. 1 Osnitskiy V.I. 1 Trusov K.S. 1 Romashkova O.N. 2
1 FGBOU VPO "Moscow state University of railway engineering (MIIT)”
2 VPO “Moscow State Pedagogical University (MSPU)”
Наиболее значительным достижением в области телекоммуникаций, которое будет использоваться человечеством в необозримой перспективе, является создание основного цифрового канала (ОЦК), характеристики которого определяют режим преобразования речи человека в цифровую форму и регламентированы в начале 80-х годов прошлого столетия рекомендацией МСЭ-Т G.711 Международного союза электросвязи. Одним из основных достоинств ОЦК является неравномерное квантование речевого сообщения (компандирование по «А-закону», используемое в Европе, и компандирование по «μ-закону», используемое в Северной Америке, Японии и т.д.). Для иллюстрации работы компандера G.711 применена реальная модель речевого сообщения, полученная авторами. Иллюстрировано существенное преимущество алгоритма компандирования в ОЦК по сравнению с алгоритмом равномерного квантования сообщения по уровню.
The most significant achievement in the field of telecommunications, which will be used by mankind in the immense perspective, is the creation of basic digital channel (BDC) which characteristics affect the transformation of human speech into digital form and regulated in the early 80-ies of ITU-T G. 711 of the International Telecommunication Union. One of the main advantages of the BDC is non-uniform quantization of verbal communication (companding "A-law" as used in Europe and companding «μ-law" as used in North America, Japan, etc.). To illustrate the operation of the compander G.711 used a real model of verbal communication obtained by the authors. Illustrated a significant advantage in the BDC companding algorithm compared to uniform quantization algorithm in terms of the message.
the result of companding
voice message
compander BDC

Наиболее значительным достижением в области телекоммуникаций, которое будет использоваться человечеством в необозримой перспективе, является создание основного цифрового канала (ОЦК), характеристики которого определяют режим преобразования речи человека в цифровую форму и регламентированы в начале 80-х годов прошлого столетия рекомендацией МСЭ-Т G.711 Международного союза электросвязи [1-4].

Одним из основных достоинств ОЦК является неравномерное квантование сообщения (компандирование по «А-закону», используемое в Европе, и компандирование по «μ-закону», используемое в Северной Америке, Японии и т.д.).

Представляется целесообразным уже на младших курсах привлечь внимание будущих специалистов в области телекоммуникационных технологий к проблемам реализации ОЦК.

Статья основана на результатах такой работы в Московском государственном университете путей сообщения со студентами 3-го курса, обучающимися по специальности 190901.65 (специализации: 190901-65.3 «Телекоммуникационные системы и сети железнодорожного транспорта» и 190901-65.4 «Радиотехнические системы на железнодорожном транспорте») в рамках дисциплины «Теория передачи сигналов».

Поскольку ОЦК определяет режим преобразования речи человека в цифровую форму, постольку студент должен знать основные характеристики речевого сообщения и в том числе его плотность распределения вероятностей.

Органы речи у людей разных языковых групп одинаковы. Но есть отличия в фонетике. Используем результаты наших работ по экспериментальному нахождению плотности распределения вероятностей речевого сообщения на русском, английском, испанском, вьетнамском, казахском, мьянманском и т.п. языках [5-10].

Плотность распределения вероятностей речевого сообщения

Плотность распределения вероятностей речевого сообщения на любом языке хорошо описывается гиперэкспоненциальным распределением (для каждого языка со своими параметрами и :

Например, для речевого сообщения на русском языке с среднеквадратическим отклонением σх значения коэффициентов:[5, 9].

При построении графика плотности распределения вероятностей речевого сообщения можно воспользоваться областью значений аргумента (правило трех сигм), но больший интерес представляет область значений, обладающих для речи наибольшей информативностью, например, область . Графики п.р.в. для этих областей приведены на рис.1 и 2.

Риc.1. ПРВ для области Рис.2. ПРВ для области

Механизм компрессирования, реализуемый ОЦК

В ОЦК реализуется неравномерное квантование – логарифмическое компандирование по формулам «А» и «μ», описывающим зависимость , где –значение сигнала на выходе компандера, x – значение сигнала на его входе. Для μ-закона () и А-закона () используются формулы (2) и (3а и 3b) соответственно.

Нами будут использованы и обратные зависимости

С их использованием получаем значения размеров шагов неравномерного квантования, которые обеспечивает компрессор ОЦК (табл. 1).

Таблица 1

i-й уровень квантования

Значение сигналаyi

на выходе компрессора

при μ- и А-законах (в долях от 3)

Значение сигнала хi на входе компрессора при μ- законе (в долях от 3)

Шаг квантования

хi - хi-1

при μ- законе (в долях от 3)

Значение сигнала хi на входе компрессора- при А- законе (в долях от 3)

Шаг квантования

хi - хi-1

при А- законе (в долях от 3)

1

1/128 = 0,00781

0,0001736

0,0001736

0,0004883

0,0004883

2

2/128 = 0,01563

0,0003549

0,0001813

0,0009765

0,0004883

3

3/128 = 0,02344

0,0005442

0,0001893

0,001465

0,0004883

4

4/128 = 0,03125

0,000742

0,0001977

0,001953

0,0004883

5

5/128 = 0,03906

0,0009484

0,0002065

0,002441

0,0004883

6

6/128 = 0,04688

0,001164

0,0002156

0,002929

0,0004883

7

7/128 = 0,05469

0,001389

0,0002251

0,003418

0,0004883

8

8/128 = 0,0625

0,001624

0,0002351

0,003906

0,0004883

...

...

...

...

...

...

75

75/128 = 0,5859

0,09712

0,004284

0,0994

0,00416

76

76/128 = 0,5938

0,1016

0,004474

0,1037

0,004342

...

...

...

...

...

...

127

127/128 = 0,9922

0,9574

0,04076

0,9574

0,0401

128

128/128 = 1

1

0,04256

1

0,04185

График, иллюстрирующий механизм квантования (для примера использования µ-закона), представлен на рис. 3.

итог.png

Рис. 3. Иллюстрация механизма квантования

Данные табл. 1 дают представления о возможностях компрессора с чисто математической точки зрения (без учета процессов компрессирования в ОЦК).

Результаты реального компрессирования с учетом процессов сегментирования представлены в табл. 2.

Таблица 2

Номер

i уровня

квантования

Номер сегмента

Шаг квантования при μ- законе (в долях от 3)

Шаг квантования при А- законе (в долях от 3)

1

1

0,0002451

0,0005156

2

1

0,0002451

0,0005156

3

1

0,0002451

0,0005156

4

1

0,0002451

0,0005156

5

1

0,0002451

0,0005156

6

1

0,0002451

0,0005156

7

1

0,0002451

0,0005156

8

1

0,0002451

0,0005156

9

1

0,0002451

0,0005156

10

1

0,0002451

0,0005156

11

1

0,0002451

0,0005156

12

1

0,0002451

0,0005156

13

1

0,0002451

0,0005156

14

1

0,0002451

0,0005156

15

1

0,0002451

0,0005156

16

1

0,0002451

0,0005156

...

 

 

 

75

5

0,003922

0,00398

76

5

0,003922

0,00398

...

 

 

 

113

8

0,03137

0,03096

114

8

0,03137

0,03096

115

8

0,03137

0,03096

116

8

0,03137

0,03096

117

8

0,03137

0,03096

118

8

0,03137

0,03096

119

8

0,03137

0,03096

120

8

0,03137

0,03096

121

8

0,03137

0,03096

122

8

0,03137

0,03096

123

8

0,03137

0,03096

124

8

0,03137

0,03096

125

8

0,03137

0,03096

126

8

0,03137

0,03096

127

8

0,03137

0,03096

128

8

0,03137

0,03096

Изменение плотности распределения вероятностей речевого сообщения в результате компрессирования. Эффект от неравномерного квантования, реализуемого ОЦК

В результате компрессирования по μ-закону и А-закону формула (1) для определения п.р.в. принимает вид (формулы 6 и 7а, 7b соответственно).

Графики плотности распределения вероятностей сообщения в области значений аргумента, для результатов компрессирования по μ- и А-законам, приведены на рисунках 4 и 5 соответственно.

Рис. 4. П.р.в. для μ-закона в области Рис. 5. П.р.в. для А-закона в области

Сопоставление графиков рисунков 2, 4 и 5 иллюстрирует существенное преимущество алгоритма компрессирования в ОЦК по сравнению с алгоритмом равномерного квантования сообщения по уровню.

Заключение

В работе рассмотрены вопросы функционирования основного цифрового канала, характеристики которого определяют режим преобразования речи в цифровую форму и регламентированы рекомендацией МСЭ-Т G.711 Международного союза электросвязи. Для иллюстрации работы компандера G.711 применена реальная модель речевого сообщения, полученная авторами. Иллюстрировано существенное преимущество алгоритма компрессирования в ОЦК по сравнению с алгоритмом равномерного квантования сообщения по уровню.

Рецензенты:

Зыков В.И., д.т.н., профессор, профессор кафедры СЭАСС Академии ГПС МЧС России, лауреат премии Правительства РФ в области науки и техники, г. Москва;

Алексеев В.М., д.т.н., профессор, профессор ФГБОУ ВПО «Московский государственный университет путей сообщения» (МИИТ), г. Москва.