Метод редукции авторегрессионной модели речевого сигнала для систем передачи речи по низкоскоростным каналам связи
DOI:
https://doi.org/10.20535/S0021347021110030Ключові слова:
цифровая обработка сигналов, речевой сигнал, низкоскоростные каналы связи, цифровой спектральный анализ, спектральная плотность мощности, алгоритмы CELPАнотація
Рассмотрена задача редукции, или сокращения порядка p >> 1 авторегрессионной модели (АР-модель) речевого сигнала по критерию минимума потерь полезной информации. Задача сформулирована как оптимизационная в терминах дискретного спектрального моделирования. Указано, что наиболее острой проблемой при ее решении является необходимость масштабирования параметров АР-модели под моделируемый сигнал на каждом шаге итеративных вычислений. Для преодоления указанной проблемы предложено использовать в качестве целевого функционала оптимизационной задачи меру информационного рассогласования сигналов в частотной области со свойством масштабной инвариантности. На ее основе разработан новый метод редукции АР-модели, в котором операция масштабирования вынесена за рамки итеративной процедуры оптимизации. Эффективность предложенного метода обоснована теоретически и исследована экспериментально. Показано, что основным эффектом его применения по сравнению с методом Берга, является выигрыш по точности редуцированной АР-модели в информационной метрике Кульбака–Лейблера. Полученные результаты адресованы исследователям и разработчикам систем и технологий цифровой передачи речи по низкоскоростным каналам связи.
Посилання
G. Kitagawa, Introduction to Time Series Modeling: with Applications in R (2nd ed.). Boca Raton: Chapman and Hall / CRC Press, 2020. 340 p., doi: 10.1201/9780429197963.
L. Tan, J. Jiang, Digital Signal Processing: Fundamentals and Applications. 3-d ed. Academic Press, 2019. 889 p., doi: 10.1016/B978-0-12-815071-9.00001-4.
L. R. Rabiner, R. W. Schafer, "Introduction to Digital Speech Processing", Foundations and Trends® in Signal Processing, vol. 1: No. 1–2, pp. 1-194, doi: 10.1561/2000000001.
M. W. Spratling, "A review of predictive coding algorithms," Brain and Cognition, vol. 112, pp. 92-97, 2017, doi: 10.1016/j.bandc.2015.11.003.
G. Sharma, K. Umapathy, S. Krishnan, "Trends in Audio Signal Feature Extraction Methods," Applied Acoustics, vol. 158, article 107020, 2020, doi: 10.1016/j.apacoust.2019.107020.
H. Chaouch, M. Merazka, "Multiple Description Coding Technique to Improve the Robustness of ACELP based Coders AMR-WB," Speech Communication, vol. 108, pp. 33-40, 2019, doi: 10.1016/j.specom.2019.02.002.
V. V. Savchenko, A. V. Savchenko, "Method for Measuring Distortions in Speech Signals during Transmission over a Communication Channel to a Biometric Identification System," Measurement Techniques, vol. 63, no. 5, pp. 917-925, 2020, doi: 10.1007/s11018-021-01864-x.
Yu. Gu, H. L. Wei, "A Robust Model Structure Selection Method for Small Sample Size and Multiple Datasets Problems," Information Sciences, vol. 451–452, pp. 195-209, 2018, doi: 10.1016/j.ins.2018.04.007.
S. Cui, E. Li, X. Kang, "Autoregressive Model Based Smoothing Forensics Of Very Short Speech Clips," IEEE International Conference on Multimedia and Expo (ICME). London. United Kingdom, pp. 1-6, 2020, doi: 10.1109/ICME46284.2020.9102765.
S. L. Marple, Digital Spectral Analysis with Applications. 2-nd ed. Mineola, New York, Dover Publications. 2019. 432 p. URI: https://www.goodreads.com/book/show/19484239.
J. Benesty, J. Chen, Y. Huang, Linear Prediction: In Springer handbook of speech processing. Part B. N.Y.: Springer, 2008, pp. 111-124, doi: 10.1007/978-3-540-49127-9_7.
J. Gibson, "Mutual Information, the Linear Prediction Model and CELP Voice Codecs," Information, vol. 10, no. 5, article 179, 2019, doi: 10.3390/info10050179.
С. Candan, "Making Linear Prediction Perform Like Maximum Likelihood in Gaussian Autoregressive Model Parameter Estimation," Signal Processing, vol. 166, article 107256, 2020, doi: 10.1016/j.sigpro.2019.107256.
D. Xiao et al., “An Extended Levinson-Durbin Algorithm and its Application in Mixed Excitation Linear Prediction.” Heliyon, vol. 4, no. 11, article e00948, 2018, doi: 10.1016/j.heliyon.2018.e00948.
M. Morise, "A spectral envelope estimator for high-quality speech synthesis," Speech Communication, vol. 67, pp. 1-7, 2015, doi: 10.1016/j.specom.2014.09.003.
V. Yu. Semenov, "Methods for Calculating and Coding the Parameters of Autoregressive Speech Model when Developing the Vocoder Based on Fixed Point Signal Process," Journal of Automation and Information Sciences, vol. 51, no. 2, pp. 30-40, 2019, doi: 10.1615/JAutomatInfScien.v51.i2.40.
V. V. Savchenko, A. V. Savchenko, "Guaranteed Significance Level Criterion in Automatic Speech Signal Segmentation," Journal of Communications Technology and Electronics, vol. 65, no. 11, pp. 1311-1317, 2020, doi: 10.1134/S1064226920110157.
А. V. Savchenko, V. V. Savchenko, "A Method for Measuring the Pitch Frequency of Speech Signals for the Systems of Acoustic Speech Analysis," Measurement Techniques, vol. 62, no. 3, pp. 282-288, 2019, doi: 10.1007/s11018-019-01617-x.
L. Chang, J. Ming, "Robust Adaptive Filter with Lncosh Cost," Signal Processing, vol. 168, article 107348, 2020. [Supports open access], doi: 10.1016/j.sigpro.2019.107348.
S. Kullback, Information Theory and Statistics. N.Y.: Dover Publications, 1997. 432 p. URI: https://www.amazon.com//dp/0486696847.
V. V. Savchenko, A. V. Savchenko, "Criterion of Significance Level for Selection of Order of Spectral Estimation of Entropy Maximum," Radioelectron. Commun. Syst., vol. 62, no. 5, pp. 223-231, 2019, doi: 10.3103/S0735272719050042.
B. Wei, J. Gibson, "A New Discrete Spectral Modeling Method and an Application to CELP Coding," IEEE Signal Processing Letters, vol. 10, no. 4, pp. 101-103, 2003, doi: 10.1109/LSP.2003.808550.
F. Mustiere, M. Bouchard, M. Bolic, "All-Pole Modeling of Discrete Spectral Powers: A Unified Approach," IEEE Transactions on Audio Speech and Language Processing, vol. 20, no. 2, pp. 705-708, 2012, doi: 10.1109/TASL.2011.2163511.
A. R. Sampson, Stochastic Approximation. In Wiley StatsRef: Statistics Reference Online (eds N. Balakrishnan et al.). 2014, doi: 10.1002/9781118445112.stat01848.
V. V. Savchenko, "Minimum of Information Divergence Criterion for Signals with Tuning to Speaker Voice in Automatic Speech Recognition," Radioelectron. Commun. Syst, vol. 63, no. 1, pp. 42-54, 2020, doi: 10.3103/S0735272720010045.
A. V. Savchenko, V. V. Savchenko, "Scale-Invariant Modification of COSH Distance for Measuring Speech Signal Distortions in Real-Time Mode," Radioelectron. Commun. Syst, vol. 64, no. 6, pp. 300-309, 2021, doi: 10.3103/S0735272721060030.
V. V. Savchenko, "Itakura–Saito Divergence as an Element of the Information Theory of Speech Perception," Journal of Communications Technology and Electronics, vol. 64, no. 6, pp. 590–596, 2019, doi: 10.1134/S1064226919060093.
R. M. Gray et al., " Distortion Measures for Speech Processing," IEEE Transactions on Signal Processing, vol. 28, no. 4, pp. 367-377, 1980, doi: 10.1109/TASSP.1980.1163421.
E. Estrada et al., "Symmetric Itakura Distance as an EEG Signal Feature for Sleep Depth Determination," ASME 2009. Summer Bioengineering Conference. Lake Tahoe, California, USA. Published Online: July 19, 2013, doi: 10.1115/SBC2009-206233.
D. Wang et al., Model-based Health Monitoring of Hybrid Systems. New York. Springer, 2013. 297 p, doi: 10.1007/978-1-4614-7369-5.
O. D. Eva, A. M. Lazar, "Feature Extraction and Classification Methods for a Motor Task Brain Computer Interface: A Comparative Evaluation for Two Databases," International Journal of Advanced Computer Science and Applications, vol. 8, no. 8, pp. 263-269, 2017, doi: 10.14569/IJACSA.2017.080834.
H. B. Kashani, A. Sayadiyan, "Sequential Use of Spectral Models to Reduce Deletion and Insertion Errors in Vowel Detection," Computer Speech & Language, vol. 50, pp. 105-125, 2018, doi: 10.1016/j.csl.2017.12.008.
J. Gibson, "Speech Compression," Information, vol. 7, no. 2, article 32, 2016, doi: 10.3390/info7020032.
G. Tamulevičius, J. Kaukenas, "High-order autoregressive modeling of individual speaker's qualities," 5th IEEE Workshop on Advances in Information, Electronic and Electrical Engineering (AIEEE). Riga, pp. 1-6, 2017, doi: 10.1109/AIEEE.2017.8270551.
##submission.downloads##
Опубліковано
Як цитувати
Номер
Розділ
Ліцензія
Авторське право (c) 2021 Вісті вищих учбових закладів. РадіоелектронікаИздатель журнала Известия высших учебных заведений. Радиоэлектроника (сокр. "Известия вузов. Радиоэлектроника"), Национальный технический университет Украины "Киевский политехнический институт", учитывает, что доступ автора к его статье является важным как для самого автора, так и для спонсоров его исследований. Мы представлены в базе издателей SHERPA/RoMEO как зеленый издатель (green publisher), что позволяет автору выполнять самоархивирование своей статьи. Однако важно, чтобы каждая из сторон четко понимала свои права. Просьба более детально ознакомиться с Политикой самоархивирования нашего журнала.
Политика оплаченного открытого доступа POA (paid open access), принятая в журнале, позволяет автору выполнить все необходимые требования по открытому доступу к своей статье, которые выдвигаются институтом, правительством или фондом при выделении финансирования. Просьба более детально ознакомиться с политикой оплаченного открытого доступа нашего журнала (см. отдельно).
Варианты доступа к статье:
1. Статья в открытом доступе POA (paid open access)
В этом случае права автора определяются лицензией CC BY (Creative Commons Attribution).
2. Статья с последующим доступом по подписке
В этом случае права автора определяются авторским договором, приведенным далее.
- Автор (каждый соавтор) уступает Издателю журнала «Известия высших учебных заведений. Радиоэлектроника» НТУУ «КПИ» на срок действия авторского права эксклюзивные права на материалы статьи, в том числе право на публикацию данной статьи издательством Аллертон Пресс, США (Allerton Press) на английском языке в журнале «Radioelectronics and Communications Systems». Передача авторского права охватывает исключительное право на воспроизведение и распространение статьи, включая оттиски, переводы, фото воспроизведения, микроформы, электронные формы (он- и оффлайн), или любые иные подобные формы воспроизведения, а также право издателя на сублицензирование третьим лицам по своему усмотрению без дополнительных консультаций с автором. При этом журнал придерживается Политики конфиденциальности.
- Передача прав включает право на обработку формы представления материалов с помощью компьютерных программам и систем (баз данных) для их использования и воспроизводства, публикации и распространения в электронном формате и внедрения в системы поиска (базы данных).
- Воспроизведение, размещение, передача или иное распространение или использование материалов, содержащихся в статье должно сопровождаться ссылкой на Журнал и упоминанием Издателя, а именно: название статьи, имя автора (соавторов), название журнала, номер тома, номер выпуска, копирайт авторов и издателя "© Национальный технический университет Украины "Киевский политехнический институт"; © автор(ы)".
- Автор (каждый соавтор) материалов сохраняет все права собственника материалов, включая патентные права на любые процессы, способы или методы и др., а также права на товарные знаки.
- Издатель разрешает автору (каждому соавтору) материалов следующее:
- Право пользоваться печатными или электронными вариантами материалов статьи в форме и содержании, принятыми Издателем для публикации в Журнале. Подробнее см. политики Оплаченного открытого доступа, подписки и самоархивирования.
- Право бесплатно копировать или передавать коллегам копию напечатанной статьи целиком или частично для их личного или профессионального использования, для продвижения академических или научных исследований или для учебного процесса или других информационных целей, не связанных с коммерческими целями.
- Право использовать материалы из опубликованной статьи в написанной автором (соавторами) книге, монографии, учебнике, учебном пособии и других научных и научно-популярных изданиях.
- Право использовать отдельные рисунки или таблицы и отрывки текста из материалов в собственных целях обучения или для включения их в другую работу, которая печатается (в печатном или электронном формате) третьей стороной, или для представления в электронном формате во внутренние компьютерные сети или на внешние сайты автора (соавторов).
- Автор (соавторы) соглашаются, что каждая копия материалов или любая ее часть, распространенная или размещенная ими в печатном или электронном формате, будет содержать указание на авторское право, предусмотренное в Журнале и полную ссылку на Журнал Издателя.
- Автор (соавторы) гарантирует, что материалы являются оригинальной работой и представлены впервые на рассмотрение только в этом Журнале и ранее не публиковались. Если материалы написаны совместно с соавторами, автор гарантирует, что проинформировал их относительно условий публикации материалов и получил их подписи или письменное разрешение подписываться от их имени.
- Если в материалы включаются отрывки из работ или имеются указания на работы, которые охраняются авторским правом и принадлежат третьей стороне, то автору необходимо получить разрешение владельца авторских прав на использование таких материалов в первом случае и сделать ссылку на первоисточник во втором.
- Автор гарантирует, что материалы не содержат клеветнических высказываний и не посягают на права (включая без ограничений авторское право, права на патент или торговую марку) других лиц и не содержат материалы или инструкции, которые могут причинить вред или ущерб третьим лицам. Автор (каждый соавтор) гарантирует, что их публикация не приведет к разглашению секретных или конфиденциальных сведений (включая государственную тайну). Подтверждением этого является Экспертное заключение (см. перечень документов в Правила для авторов).
- Издатель обязуется опубликовать материалы в случае получения статьей положительного решения редколлегии о публикации на основании внешнего рецензирования (см. Политика рецензирования).
- В случае публикации статьи на английском языке в журнале «Radioelectronics and Communications Systems» (Издатель: Аллертон Пресс, США, распространитель Springer) автору (соавторам) выплачивается гонорар после выхода последнего номера журнала года, в котором опубликована данная статья.
- Документ Согласие на публикацию, который подают русскоязычные авторы при подаче статьи в редакцию, является краткой формой данного договора, в котором изложены все ключевые моменты настоящего договора и наличие которого подтверждает согласие автора (соавторов) с ним. Аналогичным документом для англоязычных авторов является Copyright Transfer Agreement (CTA), предоставляемый издательством Allerton Press.
- Настоящий Договор вступает в силу в момент принятия статьи к публикации. Если материалы не принимаются к публикации или до публикации в журнале автор (авторы) отозвал работу, настоящий Договор не приобретает (теряет) силу.
