Способ сжатия и восстановления речевых сообщений

Способ сжатия и восстановления речевых сообщений

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Изобретение относится к области электросвязи, а именно к области систем передачи информации по цифровым каналам связи. В частности, предлагаемый способ может быть использован для передачи речевых сообщений по цифровым каналам связи со скоростью 6-16 кбит/с и может быть отнесен к классу способов кодирования формы речевого сигнала.

Известны способы кодирования речевого сигнала на основе дельта-модуляции, адаптивной дельта-модуляции, импульсно-кодовой модуляции, дифференциальной импульсно-кодовой модуляции, метода блочного кодирования с ортогональным преобразованием, см., например, книгу: М.В.Назаров, Ю.Н.Прохоров. Методы цифровой обработки и передачи цифровых сигналов. - М.: Радио и связь, 1985, с.142-160. Недостатком перечисленных выше способов-аналогов является относительно низкая информационная эффективность, под которой понимается достижение определенного качества восстановления речевой информации при заданной скорости передачи. В рассмотренных способах-аналогах приемлемое качество восстановления речевой информации достигается при скорости передачи более 16 кбит/с.

Известен также способ, описанный в патенте Великобритании №2280827 А, МПК G 10 L 3/02 от 08.02.1995, который включает дискретизацию непрерывного сигнала, квантование дискретных отсчетов, формирование матрицы квантованных отсчетов речевого сигнала, ее преобразование к цифровому виду с использованием американского стандарта сжатия JPEG, передачу цифрового потока по каналу связи, прием цифрового потока из канала связи, восстановление матрицы квантованных отсчетов речевого сигнала из цифрового потока с использованием стандарта JPEG и обратное преобразование квантованных отсчетов в непрерывный речевой сигнал. Однако недостатком этого способа является большая временная задержка речевого сигнала, что исключает возможность применения данного способа для ведения телефонных переговоров по цифровым каналам связи.

Недостатком перечисленных выше способов-аналогов также является относительно низкая устойчивость к ошибкам в цифровом канале связи. Это проявляется в существенных искажениях в восстановленном речевом сигнале при относительно малых коэффициентах ошибок, возникающих под влиянием нестабильности параметров канала связи и представляющих собой инверсию символов в передаваемых цифровых последовательностях.

Наиболее близким по своей технической сущности к заявленному способу сжатия и восстановления речевых сообщений является способ, описанный в патенте России №2152646 А, МПК G 10 L 3/02 от 10.07.2000 г.

Известный способ-прототип включает идентично выполняемую на передающей и приемной сторонах предварительную генерацию случайной квадратной матрицы размером m× m элементов, каждый элемент которой принадлежит диапазону квантованных дискретных отсчетов речевого сигнала, дискретизацию аналогового речевого сигнала, квантование дискретных отсчетов, формирование исходной матрицы размером N× N элементов, формирование прямоугольных матриц размерами N× m и m× N единичных и нулевых элементов, передачу прямоугольных матриц по каналу связи, прием их на приемной стороне из канала связи, восстановление исходной матрицы размером N× N элементов и преобразование ее в аналоговый речевой сигнал. При этом для формирования исходной матрицы ее элементам присваиваются значения квантованных дискретных отсчетов речевого сигнала.

Для формирования прямоугольных матриц размерами N× m и m× N единичных и нулевых элементов на передаче предварительно генерируют случайные прямоугольные матрицы из единичных и нулевых элементов. Затем преобразуют их. После этого вычисляют матрицу размером N× N элементов путем последовательного перемножения полученной после преобразования прямоугольной матрицы размером N× m элементов, случайной квадратной матрицы размером m× m элементов и полученной после преобразования прямоугольной матрицы размером m× N элементов. Далее вычисляют сумму квадратов разностей между элементами, полученную в результате перемножения матрицы размером N× N элементов, и элементами матрицы квантованных отсчетов речевого сигнала размером N× N элементов. Затем последовательно инвертируют каждый элемент предварительно сгенерировнных случайным образом прямоугольных матриц размером N× m и m× N элементов, выполняя при этом их преобразование, а затем перемножают полученную после преобразования прямоугольную матрицу размером N× m элементов, случайную квадратную матрицу размером m× m элементов и полученную после преобразования прямоугольную матрицу размером m× N элементов. После этого вычисляют сумму квадратов разностей между элементами полученной в результате перемножения матрицы размером N× N элементов и элементами исходной матрицы размером N× N элементов. Вычитают эту сумму от аналогичной суммы, полученной на предыдущем шаге, и в случае положительной разности сохраняют инвертированное значение элемента, а в противном случае выполняют его повторную инверсию.

Для преобразования прямоугольных матриц из единичных и нулевых элементов число элементов каждой строки прямоугольной матрицы размером N× m элементов и каждого столбца прямоугольной матрицы размером m× N элементов делят на сумму единиц соответственно в этой строке и этом столбце.

Способ-прототип позволяет при сохранении качества восстановления речевых сообщений обеспечить высокую степень сжатия передаваемой информации и снизить значение временной задержки до величины, при которой возможно ведение телефонных переговоров по низкоскоростным цифровым каналам связи.

Недостатком этого способа-прототипа является относительно низкая устойчивость к ошибкам в цифровом канале связи. Это объясняется тем, что на приемной стороне цифровые последовательности считаются принятыми без ошибок, поэтому при инверсии символов в передаваемых цифровых последовательностях под влиянием нестабильности параметров канала связи сообщения будут восстанавливаться с определенными искажениями.

Целью изобретения является разработка способа сжатия и восстановления речевых сообщений, обеспечивающего исправление ошибок, возникающих в передаваемых цифровых последовательностях под влиянием нестабильности параметров канала связи, и позволяющего осуществлять ведение телефонных переговоров по низкоскоростным цифровым каналам связи.

Поставленная цель достигается тем, что в известном способе сжатия и восстановления речевых сообщений, включающем идентично выполняемую на передающей и приемной сторонах предварительную генерацию случайной квадратной матрицы размером m× m элементов, каждый элемент которой принадлежит диапазону квантованных дискретных отсчетов речевого сигнала, дискретизацию аналогового речевого сигнала, квантование дискретных отсчетов, формирование исходной матрицы размером N× N элементов, формирование прямоугольных матриц размерами N× m и m× N единичных и нулевых элементов, передачу прямоугольных матриц по каналу связи, прием их на приемной стороне из канала связи, восстановление исходной матрицы размером N× N элементов и преобразование ее в аналоговый речевой сигнал, дополнительно предварительно на передающей и приемной сторонах идентично формируют R≥ 1 матриц разрешенных векторов размерами m₂×m₁ единичных и нулевых элементов, а каждую ν -ю строку, где ν =1, 2,... N, прямоугольной матрицы размером N× m элементов и каждый ν -й столбец прямоугольной матрицы размером m× N элементов формируют из значений элементов строк R матриц разрешенных векторов.

Причем формирование выполняют из условия, что длины формируемых строк и столбцов равны соответственно

где номер матрицы разрешенных векторов r=1, 2,... , R;

- длина строки m₁ r-й матрицы разрешенных векторов ;

- количество групп элементов (далее будем называть их -группы) ν -й строки или ν -го столбца соответствующих матриц, формируемых из элементов строк r-й матрицы разрешенных векторов, =0, 1, 2,... . При этом . Выбор значения для ν -й строки прямоугольной матрицы размером N× m элементов не зависит от выбора его значения для ν -го столбца прямоугольной матрицы размером m× N элементов. На приемной стороне перед восстановлением исходной матрицы размером N× N элементов в принятых из канала связи прямоугольных матрицах размерами N× m и m× N элементов исправляют ошибки.

Для формирования каждой r-й матрицы разрешенных векторов размером единичных и нулевых элементов сначала каждую i-ю строку, где i=1, 2,... , , r-й матрицы разрешенных векторов, формируют в виде r-й дискретной функции Уолша из упорядоченного множества дискретных функций Уолша длины , где =2λ и λ =3, 4,.... В каждой сформированной строке всем элементам, равным - 1, присваивают значение 0 и затем каждую (i+)-ю строку r-й матрицы разрешенных векторов формируют путем инверсии каждого элемента i-й строки этой же матрицы. На приемной стороне для исправления ошибок в принятых из канала связи прямоугольных матрицах размерами N× m и m× N элементов последовательно выбирают каждую -группу элементов каждой ν -й строки принятой прямоугольной матрицы размером N× m и каждую -группу элементов каждого ν -го столбца принятой прямоугольной матрицы размером m× N элементов. Затем определяют j-ю строку, где j=1, 2,... , , r-й матрицы разрешенных векторов, у которой расстояние Хэмминга от выбранной -группы минимально, и если минимальное расстояние Хэмминга меньше величины , то каждому элементу выбранной -группы присваивают значение соответствующего элемента j-й строки r-й матрицы разрешенных векторов, иначе выбранную -группу элементов принятых из канала связи прямоугольных матриц сохраняют неизменной.

Для формирования прямоугольных матриц размерами N× m и m× N элементов, у которых соответственно строки и столбцы сформированы из значений элементов строк R матриц разрешенных векторов, на передающей и приемной сторонах идентично генерируют случайные ключевые матрицы размерами N× m и m× N единичных и нулевых элементов и случайный вектор из m элементов, каждый элемент которого принадлежит диапазону квантованных дискретных отсчетов речевого сигнала. Затем каждому элементу каждой -группы каждой ν -й строки прямоугольной матрицы размером N× m элементов и каждой -группы каждого ν -го столбца прямоугольной матрицы размером mxN элементов присваивают значение соответствующего элемента первой строки r-й матрицы разрешенных векторов, после чего формируют суммарные матрицы размерами N× m и m× N элементов путем суммирования по модулю два элементов прямоугольных матриц размерами N× m и m× N элементов с соответствующими элементами ключевых матриц размерами N× m и m× N элементов соответственно. Далее преобразуют полученные суммарные матрицы размерами N× m и m× N элементов путем деления элементов каждой строки суммарной матрицы размером N× m элементов на сумму единиц соответствующей строки и деления элементов каждого столбца суммарной матрицы размером m× N элементов на сумму единиц соответствующего столбца. Затем формируют промежуточную матрицу размером N× N элементов путем перемножения диагональной матрицы, у которой каждый nn-й диагональный элемент равен сумме произведений элементов n-й строки, где n=1, 2,... , N, суммарной матрицы размером N× m элементов на соответствующие элементы случайного вектора из m элементов, а остальные элементы равны нулю, с полученной после преобразования суммарной матрицей размером N× m элементов, с ранее идентично сформированной на передающей и приемной сторонах случайной квадратной матрицей размером m× m элементов, с полученной после преобразования суммарной матрицей размером m× N элементов и с диагональной матрицей, у которой каждый nn-й диагональный элемент равен сумме произведений элементов случайного вектора из m элементов на соответствующие элементы n-го столбца суммарной матрицы размером m× N элементов, а остальные элементы равны нулю. После перемножения матриц вычисляют показатель ошибки в виде суммы квадратов разностей между элементами полученной в результате перемножения промежуточной матрицы размером N× N элементов и соответствующими элементами исходной матрицы размером N× N. Затем выполняют итерационный цикл. Для этого последовательно в каждой -группе элементов прямоугольных матриц одновременно всем элементам присваивают значения соответствующих элементов поочередно каждой j-и строки r-й матрицы разрешенных векторов, при этом остальные -группы сохраняют неизменными, и формируют суммарные матрицы размерами N× m и m× N элементов путем суммирования по модулю два элементов полученных после изменения элементов -группы прямоугольных матриц размерами N× m и m× N элементов с соответствующими элементами ключевых матриц размерами N× m и m× N элементов соответственно. Полученные суммарные матрицы размерами N× m и m× N элементов преобразуют путем деления элементов каждой строки суммарной матрицы размером N× m элементов на сумму единиц соответствующей строки и деления элементов каждого столбца суммарной матрицы размером m× N элементов на сумму единиц соответствующего столбца. Далее формируют промежуточную матрицу размером N× N элементов путем перемножения диагональной матрицы, у которой каждый nn-й диагональный элемент сумме произведений элементов n-й строки суммарной матрицы размером N× m элементов на соответствующие элементы случайного вектора из m элементов, а остальные элементы равны нулю, с полученной после преобразования суммарной матрицей размером Nxm элементов, с ранее идентично сформированной на передающей и приемной сторонах случайной квадратной матрицей размером m× m элементов, с полученной после преобразования суммарной матрицей размером m× N элементов и с диагональной матрицей, у которой каждый nn-й диагональный элемент равен сумме произведений элементов случайного вектора из m элементов на соответствующие элементы n-го столбца суммарной матрицы размером m× N элементов, а остальные элементы равны нулю. Затем вычисляют показатель ошибки в виде суммы квадратов разностей между элементами полученной в результате перемножения промежуточной матрицы размером N× N элементов и соответствующими элементами исходной матрицы размером N× N элементов и вычитают вычисленное значение показателя ошибки из его ранее вычисленного значения. Если полученная разность больше нуля, то сохраняют новые значения элементов изменяемой -группы и показателя ошибки, иначе сохраняют предыдущие значения элементов изменяемой -группы прямоугольных матриц и показателя ошибки. Затем последнее сохраненное в итерационном цикле значение показателя ошибки вычитают из последнего значения показателя ошибки, полученного до начала этого итерационного цикла, и если полученная разность больше нуля, то итерационный цикл повторяют. Сформированные в результате ряда итераций прямоугольные матрицы размерами N× m и m× N элементов передаются по каналу связи. На приемной стороне для восстановления исходной матрицы размером N× N элементов формируют суммарные матрицы размерами N× m и m× N элементов путем суммирования по модулю два элементов принятых из канала связи и исправленных прямоугольных матриц размерами N× m и m× N элементов с соответствующими элементами ключевых матриц размерами N× m и m× N элементов соответственно. Затем преобразуют полученные суммарные матрицы размерами N× m и m× N элементов путем деления элементов каждой строки суммарной матрицы размером N× m элементов на сумму единиц соответствующей строки и деления элементов каждого столбца суммарной матрицы размером mxN элементов на сумму единиц соответствующего столбца. Далее перемножают диагональную матрицу, у которой каждый nn-й диагональный элемент равен сумме произведений элементов n-й строки суммарной матрицы размером N× m элементов на соответствующие элементы случайного вектора из m элементов, а остальные элементы равны нулю, с полученной после преобразования суммарной матрицей размером N× m элементов, с ранее идентично сформированной на передающей и приемной сторонах случайной квадратной матрицей размером m× m элементов, с полученной после преобразования суммарной матрицей размером m× N элементов и с диагональной матрицей, у которой каждый nn-й диагональный элемент равен сумме произведений элементов случайного вектора из m элементов на соответствующие элементы n-го столбца суммарной матрицы размером mxN элементов, а остальные элементы равны нулю.

Для формирования исходной матрицы размером NxN элементов предварительно формируют вектор спектральных коэффициентов из z элементов, где z≥ N², путем дискретного косинусного преобразования z квантованных дискретных отсчетов речевого сигнала и выбирают N² элементов вектора спектральных коэффициентов, из которых формируют исходную матрицу. При этом каждому ее элементу А_kl, где k=1, 2,... , N и l=1, 2,... , N, присваивают значение h-го элемента вектора спектральных коэффициентов из z элементов, h-й номер которого определяют в соответствии с выражением: h=k+N· (l-1)+g, где g=0, 1,... , 10. На приемной стороне для преобразования восстановленной исходной матрицы размером N× N элементов в аналоговый речевой сигнал сначала преобразуют восстановленную исходную матрицу в вектор из z спектральных коэффициентов, у которого значения N² элементов равны значениям элементов восстановленной исходной матрицы размером N× N элементов, а остальные z-N² элементов равны нулю, и затем восстанавливают аналоговый речевой сигнал путем обратного дискретного косинусного преобразования полученного вектора из z спектральных коэффициентов.

Благодаря новой совокупности существенных признаков за счет использования при цифровом представлении речевых сообщений только разрешенных комбинаций единичных и нулевых элементов обеспечивается возможность исправления большого числа ошибок, возникающих в цифровых последовательностях под влиянием нестабильности параметров канала связи. Использование для формирования исходной матрицы N² спектральных коэффициентов позволяет при введенных ограничениях на разрешенность комбинаций единичных и нулевых элементов обеспечить высокую степень сжатия. А за счет использования случайных ключевых матриц и диагональных матриц для формирования прямоугольных матриц, передаваемых по каналу связи, и восстановления исходной матрицы на приемной стороне при заданной пропускной способности канала связи в условиях отсутствия ошибок в принимаемых цифровых последовательностях обеспечивается минимальное снижение качества восстановленных сообщений.

Таким образом, предлагаемый способ для заданной пропускной способности канала связи позволяет исправлять возникающие ошибки и тем самым существенно повысить качество восстановленной речи при передаче цифровых последовательностей по каналу с ошибками.

Проведенный анализ уровня техники позволил установить, что аналоги, характеризующиеся совокупностью признаков, тождественными всем признакам заявленного технического решения, отсутствуют, что указывает на соответствие заявленного способа условию патентоспособности “новизна”. Результаты поиска известных решений в данной и смежных областях техники с целью выявления признаков, совпадающих с отличительными от прототипа признаками заявленного способа, показали, что они не следуют явным образом из уровня техники. Из уровня техники также не выявлена известность влияния предусматриваемых существенными признаками заявленного изобретения преобразований на достижение указанного технического результата. Следовательно, заявленное изобретение соответствует условию патентоспособности “изобретательский уровень”.

Заявленный способ поясняется чертежами:

- Фиг.1. Последовательность преобразований аналогового речевого сигнала в исходную матрицу [A]_{N× N};

- Фиг.2. Последовательность преобразований исходной матрицы [A]_{N× N} к цифровому виду и обратное преобразование принятого из канала связи цифрового потока в исходную матрицу;

- Фиг.3. Структура матриц разрешенных векторов и

прямоугольных матриц [E₁]_{N× m} и [E₂]_{m× N};

- Фиг.4. Структура суммарных матриц [Y]_{N× m}, [X]_{m× N} и преобразованных суммарных матриц [Y_pr]_{N× m}, [X_pr]_{m× N},

-Фиг.5. Структура диагональных матриц [α ]_{N× N} и [β ]_{N× N};

- Фиг.6. Исправление ошибок в принятых из канала связи прямоугольных матрицах;

- Фиг.7. Последовательность преобразований восстановленной исходной матрицы [А]_{N× N} в непрерывный речевой сигнал;

- Фиг.8. Последовательная оптимизация элементов прямоугольных матриц [Е₁]_{N× m} и [E₂]_{m× N} (в приложении 1).

Возможность реализации заявленного способа сжатия и восстановления речевых сообщений при сохранении хорошего качества восстановления (разборчивости и узнаваемости речи) объясняется следующим. Существует традиционный подход повышения устойчивости к ошибкам в цифровом канале связи путем использования помехоустойчивых кодов, описанных, например, в книге: У.Питерсон, Э.Уэлдон. Коды, исправляющие ошибки. - М.: Мир, 1976. Он основан на разделении всех возможных кодовых комбинаций на разрешенные и запрещенные. Такой подход предполагает введение в передаваемую цифровую последовательность дополнительных бит, и чем больше ошибок может исправлять код, тем больше вводится дополнительных бит. Это приводит к существенному снижению степени сжатия передаваемой информации и соответственно повышению требований к пропускной способности канала связи.

Однако ввиду большой избыточности речи как вида информации и адаптивного характера кодирования, используемого в предлагаемом способе, при сохранении приемлемого качества восстановленной речи возможно ввести существенные ограничения на разрешенность комбинаций элементов цифровых последовательностей с целью исправления ошибок. При этом кардинальным отличием такого подхода от помехоустойчивого кодирования является то, что дополнительные биты не вводятся и все элементы передаваемой цифровой последовательности являются информационными.

Формирование исходной матрицы размером N× N элементов возможно реализовать так же, как предлагается в способе-прототипе, где исходная матрица формируется непосредственно из квантованных речевых отсчетов. Однако в этом случае при заданном качестве восстановленной речи и отсутствии ошибок в канале связи произойдет некоторое увеличение требуемой пропускной способности канала по сравнению со способом-прототипом. Для предотвращения такого увеличения в предлагаемом способе выполняется дискретное косинусное преобразование над вектором квантованных отсчетов речевого сигнала. Это позволяет осуществить переход к представлению речевого сигнала в виде вектора спектральных коэффициентов (фиг.1,г). Для уменьшения цифрового представления речевого сигнала кодируют и передают не все, а только N² спектральных коэффициентов, суммарная энергия которых значительно больше суммарной энергии остальных z-N² спектральных коэффициентов (фиг.1,д).

Аналогично способу-прототипу при кодировании и восстановлении исходной матрицы возможно использовать непосредственно передаваемые по каналу связи прямоугольные матрицы размерами N× m и m× N элементов, учитывая при их формировании введенные ограничения на разрешенность комбинаций элементов. Однако при этом выравнивание требуемой пропускной способности канала связи путем использования не всех спектральных коэффициентов сохраняет некоторое снижение качества восстановленных речевых сообщений по сравнению со способом-прототипом при передаче цифровых последовательностей по каналу связи без ошибок. Это обусловлено как потерями качества при кодировании и передаче не всех спектральных коэффициентов, так и введенными ограничениями. Для минимизации снижения качества в предлагаемом способе непосредственное кодирование и восстановление исходной матрицы осуществляется не с помощью передаваемых по цифровому каналу связи прямоугольных матриц, а с помощью суммарных матриц той же размерности, полученных путем "сложения по модулю два" прямоугольных матриц и случайных ключевых матриц (фиг.2). При этом каждая суммарная матрица после преобразования умножается на соответствующую диагональную матрицу, в которой диагональные элементы имеют смысл коэффициента усиления. Это позволяет при кодировании исходной матрицы использовать в суммарных матрицах все возможные комбинации единичных и нулевых элементов.

Предлагаемый способ предполагает проведение следующих действий.

На передаче и на приеме идентично формируют R матриц разрешенных векторов [U_r] размерами . Формирование этих матриц проиллюстрировано фиг.3,а, где в качестве примера взят случай, когда длина строк первой матрицы разрешенных векторов =8. Каждая i-я строка, где i=1, 2,... , , r-й матрицы разрешенных векторов (для первой матрицы =8) является i-й дискретной функцией Уолша из упорядоченного множества дискретных функций Уолша длины , в которой элементы, равные - 1, заменены на нулевые (преобразованные дискретные функции Уолша). =8. Каждая (i+)-я строка r-й матрицы разрешенных векторов получаются инверсией элементов i-й строки этой же матрицы (вектора, инверсные преобразованным дискретным функциям Уолша).

Используемые при формировании матриц разрешенных векторов функции Уолша, их дискретизация и упорядочение описаны, например, в книге: И.Ахмед, К.Р.Рао. Ортогональные преобразования при обработке цифровых сигналов. - М.: Радио и связь, 1980, с.86-89. Выбор одного из возможных упорядочений (например, по Уолшу, по Пэли, по Адамару) не является принципиальным. Поскольку сами функции при любом упорядочении остаются неизменными, то упорядоченность может быть любой, следовательно, в каждой r-й матрице разрешенных векторов преобразованные дискретные функции Уолша длины могут быть заполнением любой строки из первых , но только одной. Соответственно значение определяет общее количество всех возможных функций Уолша длины .

Формирование случайной квадратной матрицы [В]_{m× m} и случайного вектора может быть выполнено на основе датчика случайных чисел, например на основе шумового диода. Для выполнения требования идентичности матрицы [В]_{m× m} и вектора приемника, аналогичных матрице и вектору передатчика, перед началом каждого сеанса связи элементы матрицы [B]_{m× m} и вектора могут быть сгенерированы на передаче и переданы по цифровому каналу связи на приемную сторону, например, в составе синхропосылки.

Дискретизацию аналогового речевого сигнала (фиг.1,а) выполняют в соответствии с теоремой Котельникова. В предлагаемом способе выбрана общепринятая частота дискретизации аналогового речевого сигнала 8 кГц. Затем выполняют квантование дискретных отсчетов (фиг.1,б). Квантование осуществляется на основе способов, описанных, например, в книге: М.В.Назаров, Ю.Н.Прохоров. Методы цифровой обработки и передачи цифровых сигналов. - М.: Радио и связь, 1985, с.142-160.

Далее на основе множества квантованных дискретных отсчетов речевого сигнала формируют вектор квантованных отсчетов речевого сигнала (фиг.1,в) из z элементов f_h, где h=1, 2, 3,... , z и f_h, равно амплитуде h-го квантованного отсчета речевого сигнала. Для преобразования вектора квантованных отсчетов речевого сигнала с целью уменьшения объема информации, передаваемой по каналу связи, используют дискретное косинусное преобразование, описанное, например, в книге: Н.Ахмед, К.Р.Рао. Ортогональные преобразования при обработке цифровых сигналов. - М.: Связь, 1980, с.156-159.

В результате выполнения дискретного косинусного преобразования над вектором квантованных отсчетов речевого сигнала получают вектор квантованных спектральных коэффициентов (фиг.1,г) из z элементов с_h, где c_h равно амплитуде h-го спектрального коэффициента. Затем выбирают N² элементов вектора коэффициентов дискретного косинусного преобразования, суммарная энергия которых значительно больше суммарной энергии остальных z-N² спектральных коэффициентов (фиг.1,д), и из выбранных коэффициентов формируют исходную матрицу (фиг.1,е). Поскольку амплитуды с_h, распределены таким образом, что спектральные коэффициенты с наибольшей энергией расположены в основном в левой части вектора, то каждому элементу исходной матрицы А_kl, где k=1, 2,... , N и l=1, 2,... , N, присваивают значение h-го элемента вектора коэффициентов дискретно-косинусного преобразования из z элементов, h-й номер которого определяют в соответствии с выражением: h=k+N· (1-1)+g, где g=0, 1,... , 10 (фиг.1.д-е).

Далее (фиг.2) исходную матрицу [A]_{N× N} кодируют, передают множество единичных и нулевых элементов прямоугольных матриц [Е₁]_{N× m} и [E₂]_{m× N} по каналу связи, на приемной стороне исправляют ошибки в принятых матрицах и , а затем восстанавливают исходную матрицу.

Для кодирования исходную матрицу [A]_{N× N} в кодере представляют в виде произведения пяти матриц (фиг.2): диагональной матрицы [α ]_{N× N}, преобразованной суммарной матрицы [Y_pr]_{N× m}, случайной квадратной матрицы [B]_{m× m}, преобразованной суммарной матрицы [X_pr]_{m× N}, диагональной матрицы [β ]_{N× N}.При этом необходимо найти такие оптимальные матрицы [Y_pr]_{N× m} и [X_pr]_{m× N}, которые при перемножении с матрицей [B]_{m× m} образуют некоторую восстановленную исходную матрицу размером N× N элементов, наиболее близкую по заданному критерию к исходной матрице.

Особенностью матриц [Y_pr]_{N× m} и [X_pr]_{m× N} является то, что они могут быть легко приведены к цифровому виду. Это достигается тем, что на элементы этих матриц накладываются следующие ограничения:

- элементы матриц [Y_pr]_{N× m} и [X_pr]_{m× N} принимают значения в диапазоне от нуля до единицы;

- ненулевые элементы каждой строки матрицы [Y_pr]_{N× m} равны между собой и в сумме образуют единицу;

- ненулевые элементы каждого столбца матрицы [X_pr]_{m× N} равны между собой и в сумме образуют единицу.

При таких ограничениях, если элементы каждой строки матрицы [Y_pr]_{N× m} умножить на количество ненулевых элементов в этой строке, то будет получена матрица [Y]_{N× m}, элементы которой определены только на множестве "1" и "0". Аналогично, если элементы каждого столбца матрицы [X_pr]_{m× N} умножить на количество ненулевых элементов в столбце, то будет получена матрица [X]_{m× N}, элементы которой определены только на множестве "1" и "0". Следовательно, верно и обратное утверждение: элементы , матриц [Y_pr]_{N× m} и [X_pr]_{m× N} получаются из элементов y_ij, x_ij матриц [Y_pr]_{N× m} и [X_pr]_{m× N} (фиг.4,б) согласно формулам:

При этом первый индекс показывает номер строки, а второй - номер столбца соответствующих матриц.

Диагональные матрицы [α ]_{N× N} и [β ]_{N× N} формируются следующим образом (фиг.5). Каждый nn-й элемент диагональной матрицы [α ]_{N× N}, где n=1, 2,... , N, получается из элементов у_nj n-й строки матрицы [Y]_{N× m}, и элементов b_j случайного вектора по формуле:. Каждый nn-й элемент диагональной матрицы [β ]_{N× N} получается из элементов b_j случайного вектора и элементов х_in n-го столбца матрицы [X]_{m× N}, по формуле:

Поскольку по каналу связи передаются прямоугольные матрицы [E₁]_{N× m} и [Е₂]_{m× N}, сформированные по некоторому правилу только из разрешенных комбинаций элементов (фиг.3.б, приложение 1), а не матрицы [Y]_{N× m} и [X]_{m× N}, которые непосредственно кодируют исходную матрицу, то взаимосвязь этих матриц осуществляют путем использования "сложения по модулю два" со случайными матрицами [Г₁]_{N× m} и [Г₂]_{m× N}, причем "сложение по модулю два" двух матриц подразумевает "сложение по модулю два" соответствующих элементов (фиг.4,а). Тогда на матрицы [Y]_{N× m} и [X]_{m× N} (а соответственно на [Y_pr]_{N× m} и [X_pr]_{m× N}) накладывается дополнительное ограничение: матрицы [Y_pr]_{N× m} и [X_pr]_{m× N} должны быть такими, чтобы при "сложении по модулю два" с матрицами [Г₁]_{N× m} и [Г₂]_{m× N} в кодере (фиг.2) соответственно получались бы прямоугольные матрицы сформированные только из разрешенных комбинаций единичных и нулевых элементов. Тогда оптимальным при наложенных ограничениях суммарным матрицам [Y]_{N× m} и [X]_{m× N} будут соответствовать оптимальные разрешенные комбинации элементов прямоугольных матриц [E₁]_{N× m} и [E₂]_{m× N}.

Процедура, реализующая поиск на передаче оптимальных матриц [E₁]_{N× m} и [E₂]_{m× N} (а соответственно оптимальных [Y]_{N× m} и [X]_{m× N} подробно описана

в приложении 1. На фиг.3,б представлен пример, когда оптимальные матрицы [E₁]_{N× m} и [E₂]_{m× N} сформированы из элементов R матриц разрешенных векторов, причем длина строк первой из матриц разрешенных векторов