12.8. Анализаторы вокодеров. Особенности обработки сигналов

Измерение спектра речи с помощью гребенки фильтров осложняется тем, что речь напоминает либо шум, либо периодическое колебание, основная частота которого может меняться в широких пределах. Дополнительные затруднения связаны с нестационарностью речи. Исходя из статических частотных характеристик, можно предположить, что фильтры с крутыми скатами дадут наилучшие оценки спектра. На практике оказывается, что такие фильтры имеют сравнительно длинные импульсные характеристики. Поэтому их использование приводит к временному смазыванию быстрых изменений спектра и, как уже обсуждалось, к появлению реверберации в синтезированном речевом сигнале. Для иллюстрации этого явления рассмотрим импульсные и частотные характеристики (фиг. 12.18) фильтра Баттерворта восьмого порядка с частотой среза 100 Гц, эллиптического фильтра с переходным отношением 0,5 и фильтра Бесселя. Частотные характеристики фильтра Баттерворта и эллиптического фильтра имеют более крутые скаты, чем характеристики фильтра Бесселя, однако длина их импульсных характеристик составляет почти 50 мс, а у фильтра Бесселя — менее 20 мс. Поэтому из трех рассмотренных только фильтр Бесселя может быть использован в полосном вокодере.

Временные искажения второго вида появляются, когда полосовые фильтры имеют неравные временные задержки, например если разные каналы имеют неодинаковые полосы. На практике полосы высокочастотных каналов делают более широкими, чтобы приблизить зависимость разрешения от частоты к характеристикам человеческого уха. Например, в низкочастотных каналах имеет смысл применять полосы шириной около 125 Гц, тогда как в наиболее высокочастотном канале часто используют полосу около 400 Гц. Существует несколько способов выравнивания задержек в фильтрах с неодинаковыми полосами. Простой метод состоит в увеличении порядка фильтра пропорционально его полосе; при этом особое внимание уделяется модулю и фазе частотной характеристики в области перекрытия с соседними каналами, чтобы сохранить суммарную частотную характеристику гребенки фильтров. Следует отметить, что при неравных полосах в более высокочастотные фильтры обязательно попадет несколько гармоник основного тона речевого сигнала. Вследствие этого в синтезированном сигнале появляются искажения, которые, как оказалось, слушатели  почти  не  замечают.

Фиг. 12.18. Импульсные в частотные характеристики фильтров нижних частот Баттерворта, эллиптического и Бесселя (по Голдену).

При разработке ФНЧ анализатора учитываются следующие соображения. ФНЧ должен обеспечить надежное подавление на частотах от 50 Гц (наименьшей основной частоте мужского голоса) и выше, чтобы устранить все компоненты речевого сигнала на выходе детектора. Поскольку речевой спектр меняется медленно, частота среза ФНЧ не должна превышать 25 Гц. Для устранения реверберации импульсная характеристика фильтра не должна иметь «звона». Отсюда ясно, что условия проектирования ФНЧ весьма сложные. Обычно применяют фильтры, имеющие приблизительно линейную фазовую характеристику, например фильтры Бесселя или БИХ-фильтры Лернера, хотя КИХ-фильтры с линейной фазовой характеристикой тоже можно использовать.