COMUNICAÇÃO MÓVEL
Codificação de Voz
Aula 06
q
Introdução
q
Características de sinais de voz
q
Técnicas de quantização
q
Codificadores de voz
q
Vocoders
q
Codificador GSM
Introdução
¨Projeto e teste de eficiência para codificadores de
voz é alto muito difícil nas comunicações móveis
¨
Baixa taxa de codificação
¨
Pouca eficiência espectral para tráfego de voz
¨Para ser útil deve consumir pouca energia e uma
alta qualidade de voz
¨
O objetivo é transmitir voz na melhor qualidade
Introdução
¨O objetivo pode ser alcançado garantindo um certo
nível de complexidade de implementação e
respeitando um atraso tolerável na comunicação
(delay)
¨
Normalmente há uma correlação entre a
complexidade do algoritmo e da eficiência da
taxa de bits da codificação
Introdução
¨Hierarquia
Introdução
¨Grosseiramente os codificadores de voz são dividos
em
n Codificadores de forma de onda
n Waveform Coders
n Vocoders
¨
Waveform Coders tentam reproduzir no tempo uma
onda de um sinal de voz tão próximo seja possível
n Independente de fonte
Introdução
¨Vocoders
n Alta economia na taxa de transmissão
n Mais complexos
n Baseado em conhecimento prévio do sinal a ser codificado
Características de sinais de voz
¨Função Densidade de Probabilidade (PDF)
n Grande probabilidade de amplitudes próximas de zero
n Probabilidade significante de altas amplitudes
n Probabilidade decrescente entre estes extremos
¨
Função de Autocorrelação (ACF)
n Correlação entre amostras adjacentes de um segmento de voz
n Para cada amostra de voz há um enorme componente preditivo da amostra anterior com um pequeno erro aleatório
n Todos os métodos diferenciais e preditivos utilizam esta propriedade
Características de sinais de voz
¨Função Densidade Espectral de Potência (PSD)
n Possibilita ampla compressão no domínio da frequência
n Componentes de alta frequência contribuem muito pouco para a energia total do sinal
Técnicas de quantização
¨Quantização é o processo de mapear uma faixa
contínua de amplitudes de um sinal em um conjunto
finito de amplitudes discretas
¨
Quantização
n Uniformen Não-uniforme
¨
Quantizadores
n São dispositivos que removem as irrelevâncias no sinal
Técnicas de quantização
¨Diferentemente da amostragem, a quantização
introduz distorção ao sinal
¨
Quantização da amplitude é um passo importante
em qualquer processo de codificação de voz
¨
É o que determina a extensão da distorção do sinal
e a taxa necessária para representar a onda de
um sinal de voz
¨
Níveis
n
Técnicas de quantização
¨O desempenho de uma quantização é dado pela
relação sinal/quantização ruído (SQNR)
¨
O desempenho de um quantizador pode ser
aperfeiçoado distribuindo os níveis de quantização
de uma forma mais eficiente
n Quantizadores não-uniformes
n Distribuem os níveis de quantização de acordo com a PDF do sinal de entrada
Técnicas de quantização
Técnicas de quantização
Técnicas de quantização
¨Na quantização não-uniforme, os níveis estão
concentrados em regiões de alta probabilidade
¨
Quantização Adaptativa
n Nota-se a diferença da PDF em curtos intervalos e amplos intervalos
n Uma forma eficiente de acomodar estas variações é através de uma técnica de quantização variante no tempo
n Esta técnica comprime e expande no tempo
Técnicas de quantização
¨ADPCM – Adaptative Differential Pulse Code
Modulation
n É uma técnica de codificação mais eficiente por explorar as redundâncias presentes no sinal de voz
n ADPCM permite codificação da voz em 32kbps em contrapartida à taxa de 64kbps do PCM, mantendo a mesma qualidade de voz
Codificadores de Voz
¨Basicamente são utilizados três tipos:
n Domínio da Frequência
n Sub-banda
Codificadores de Voz
¨Codificador de voz no domínio da frequência
n É uma classe de codificadores que tira vantagem da percepção de voz e modelos de geração sem tornar o algoritmo totalmente dependente dos modelos utilizados
n Nesta categoria o sinal de voz é dividido em um conjunto de frequências que são quantizadas e codificadas
Codificadores de Voz
¨Codificador de sub-bandas
n Uma variação do codificador de voz no domínio da frequência
n É um método para controlar e distribuir o ruído de quantização em todo o espectro do sinal
n A quantização é um método não linear que produz distorção
que o ouvido humano não detecta igualmente em todas as frequências
n O sinal de voz é divido em quatro ou oito sub-bandas através de um banco de filtros passa faixa
n Cada sub-banda é então amostrada com a taxa de Nyquist (menor que a original)
Codificadores de Voz
¨Codificador de sub-bandas
n Em seguida é codificada com uma precisão diferenciada que varia de acordo com um critério perceptivo
¤
Exemplo:
Sub-banda Faixa de Frequência
1 200-700 Hz 2 700-1310 Hz 3 1310-2020 Hz 4 2020-3200 Hz
Codificadores de Voz
¨Codificador por transformação adaptativa
n Outra técnica de codificação no domínio da frequência
n Permite codificar sinais de voz com taxas de 9.6 kbps até 20 kbps
n É uma forma complexa que envolve transformações de segmentos do sinal de voz
n Janelas
n Cada segmento é representado por um conjunto de coeficientes de transformação que são quantizados separadamente e transmitidos
Vocoders
¨Vocoder é uma classe de sistemas de codificação
de voz que analisa o sinal no transmissor, transmite
parâmetros da análise e então sintetiza a voz com
estes parâmetros
¨
Todos os tipos de vocoders tentam modelar o
processo de geração da voz como um sistema
dinâmico e tentam quantificar certas características
físicas do sistema em uso
Vocoders
¨Tipos de sinais de voz:
n Vocais
n M, N e V
n Não-vocais
n F, S e X (SH)
¨
Tipos de vocoders:
n LPC – Codificador Preditivo Linear
n Vocoder de Canal
n Formant Vocoder
n Cepstrum Vocoder
Vocoders
¨LPC
n Pertence à classe do domínio no tempo
n Tenta extrair feições significativas da voz e do tempo da forma de onda
n É o mais popular dos vocoders de baixa taxa de bits
n Possibilita transmissão de voz com boa qualidade à uma taxa de 4.8 kbps e qualidades inferiores a taxas ainda menores
n Os princípios preditivos são similares aos do ADPCM, mas no lugar de enviar os valores quantizados do sinal de erro que representa a diferença entre o sinal predito e o atual, o vocoder envia apenas as características do sinal de erro
Vocoders
¨Vocoder de Canal
n Domínio da frequência
n Determina o envelope do sinal de voz para um número de bandas de frequências, amostra, codifica, multiplexa e transmite
n A amostragem é realizada sincronamente a cada 10ms
¨
Formant Vocoders
n Similar ao Vocoder de Canal
n Opera a menores taxas por utilizar menos sinais de controle
Codificador GSM
¨RPE-LTP
n Codec GSM
n Taxa de 13 kbps
n Complexo e consome muita energia
n O codificador é composto por 4 blocos de processamento
n Preprocessamento
n Predição de curto prazo (STP)
n Predição de longo prazo (LTP)
Codificador GSM
¨Cada 260 bits da saída do codificador (20 ms de
voz) são ordenados em grupos
¨
Grupos (bits)
¤
Ia bits: 50
n São os que mais implicam na qualidade da voz
n Possuem CRC
¤
Ib bits: 132
n Possuem CRC
¤
II bits: 78
Perguntas
¨Qual o objetivo da codificação de voz?
¨
Qual a diferença da codificação uniforme e
não-uniforme?
¨
