COMUNICACIONES MÓVILES

Transcripción

1 Codificación de Voz en el Sistema GSM Carlos Crespo Cadenas Profesor Titular Universidad de Sevilla

2 CODIFICADOR DE VOZ RPE-LTP Objetivo principal: Eficiencia espectral. Voz: 8 kbps ==> 104 kbps ==> 13 kbps 13 bits / muestra Codif. Codificador elegido para GSM: RPE-LTP ANALISIS LTP Long-Term Prediction Extrae redundancias derivadas de la periodicidad (pitch) Tramas más cortas que STP (5 ms) Sistema con más memoria (retrasos típicos de 20 á 160 muestras): Tenemos un buffer de 128 muestras para comparar con muestras pasadas

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5 ANÁLISIS STP p s ~ ( n) = a s( n k k=1 k ) e( n) = s( n) s~ ( n) = s(n) - a k s( n k) p k=1 filtro inverso: Método de la Autocorrelación: para cada 160 muestras A( z) = 1- R( k) = p k=1 a k L 1 + k n = 0 z s k psw ( n) s psw ( n + k) R k recursión de Schur coef. reflexión k i (modelo tracto vocal) LAR(i) cuantizados LAR (i) 1+ k( i) LAR( i) = log10( ). 1 k( i)

6 CODIFICADOR DE VOZ RPE-LTP Procedimiento GSM: - Comparación con subtramas anteriores (20 a 160 muestras => Periodos de pitch de 50 a 400 Hz) - Se toma la subtrama más similar ==> Retraso (D) óptimo - D estará próxima al período de pitch (o a un múltiplo) Filtro de 1-tap: Criterio de error: Minimizar RMS = N 1 r n r n D => n = 0 ( D) = => N 1 2 r n D e [ n] = r [ n] G r [ n D] STP STP N = E( G) n = 1 0 e 2 [ n] [ ] [ ] N 1 2 G E D) r [ n] n 0 [ [ ] n = 0 N 1 [ n] r[ n D] n = 0 ( = N 1 = r [ r[ n D ] n = 0 2 2

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8 La señal residual LTP se calculará como: Localmente, se realiza el proceso inverso. r LTP [ n] = r [ n] G r [ n D] STP STP Bits transmitidos: G (2 bits): Al cuantificar, restringimos al rango [0,1], para asegurar estabilidad. D óptimo (7 bits). CODIFICACIÓN RPE (Regular Pulse Encoding) Transmite una serie de pulsos, en vez de toda la señal. Frente a la técnica MPE, aporta: Menor complejidad (separación M entre pulsos predefinida). Mayor tasa de transmisión. Se usa M=3 (compromiso tasa de transmisión - calidad). Previamente, se usa un filtro FIR de suavizado Respuesta impulsiva fijada. Su longitud es función de M.

9 Procedimiento: De cada subtrama de 40 muestras, se toman muestras alternativas y se construyen 3 tramas de 13 muestras (se descarta la muestra 40ª). Bits transmitidos: Subtrama de mayor energía normalizada β(k,i)=>3x13 bits log(v MÁX ) => 6 bits Puntero a dicha trama (offset inicial) k MÁX => 2 bits BITS TRANSMITIDOS POR EL CODIFICADOR Fuente Descripción Cada 5 ms (40 muestras) Cada 20 ms (160 muestras) Filtro LPC Parámetros LAR 36 Filtro LTP D 7 28 G 2 8 Señal de k MÁX 2 8 excitación V MÁX 6 24 TOTAL 13 muestras 3*13= bits

10 DECODIFICADOR DE VOZ RPE-LTP Básicamente, se encarga de realizar los procesos inversos. Todos los bloques comienzan por una cuantización inversa de los parámetros recibidos. Los dos siguientes bloques están también presentes en el codificador: DECODIFICADOR RPE Cuantización inversa de: β(k MÁX,i) V MÁX k MÁX Amplifica la señal de más energía por V MÁX. teniendo en cuenta el offset inicial, k MÁX, inserta M ceros entre los pulsos para reconstruir la señal LTP.

11 DECODIFICADOR DE VOZ RPE-LTP SÍNTESIS LTP Cuantización inversa de: G D A partir de la señal LTP decodificada mediante RPE, se reconstruye la señal STP: r n = r n + G r n D STP [ ] [ ] [ ] LTP STP Es necesario un buffer para almacenar las muestras pasadas de r STP, de la misma forma que en el transmisor.

12 PREPROCESAMIENTO Pre-énfasis: Ventana de Hamming: H(z)=1- c 1 z -1 bloques de 160 muestras enventanadas por una ventana de Hamming donde c 2 = ANÁLISIS STP s psw (n)=s ps (n)*c 2 *( cos2π) H ( z) 1 = = p 1 P k s ( z) 1 k = akz 1 Los coeficientes {α k } se calculan usando el método de Predicción Lineal (LP). El número de coeficientes p es el orden del predictor, que, para el codificador de voz de GSM es p=8 1

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14 100 Señal de voz Amplitud Tiempo (ms) Residuo STP 100 Amplitud Tiempo (ms)

15 100 Residuo LTP Amplitud Tiempo (ms) Pulsos de la señal RPE 100 Amplitud Tiempo (ms)