codifica e pacchettizzazione della voce. adpcm algoritmi lpc-ltp (gsm) argomenti della lezione pcm...
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Codifica e Codifica e pacchettizzazione pacchettizzazione
della vocedella voce
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ADPCM
Algoritmi LPC-LTP (GSM)
Argomenti della lezione
PCM
Algoritmi CELP(Enhanced GSM)
Valutazione qualità della codifica
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Segnale vocale
Il segnale vocale è un’ondadi pressione in aria
Un microfono lo trasforma inun segnale elettrico analogico
(pressione volt)
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1878: microfono a granuli di carbone ...con qualche miglioria ancora in uso
I granuli di carbone, in una cavità metallica chiusa da un diaframma, forniscono molti percorsi elettrici possibili
Diaframma vibrando fa variare il no. di possibili percorsi e quindi la corrente
Il trasmettitore a grani di carbone
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diaframma
accoppiamenti flessibili
Cavità metallica
granuli di carbone
Segnale elettrico in uscita
Il trasmettitore a grani di carbone
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Processo continuo nel tempo ed in ampiezza
Tramite la codifica si passa da un segnale analogico ad uno numerico
Segnale vocale
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Valutazione della qualitàdei codificatori
Per valutare la qualità di un sistemadi codifica della vocesi usano tecniche:
oggettive (es. SNR, dove N è dato dalla differenza tra i campioni del segnale originale e il segnale codificato)
soggettive
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Valutazione della qualitàdei codificatori
Esempio di tecnica soggettiva: MOS
(Mean Opinion Score)
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Valutazione della qualitàdei codificatori
Valutazione ottenutain modo statistico da un campione
di persone (maschi e femmine)che ascoltano brevi pezzi di parlato
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Scala MOS
MOSMOS QualitàQualità DefinizioneDefinizione EsempioEsempio
55 EccellenteEccellenteNessuno sforzo Nessuno sforzo richiesto per la richiesto per la comprensionecomprensione
Dal vivoDal vivoCD-audioCD-audio
44 BuonaBuona
Richiede Richiede attenzione, ma attenzione, ma non uno sforzo non uno sforzo apprezzabileapprezzabile
Telefonia Telefonia fissafissa
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33 DiscretaDiscreta
È richiesto un È richiesto un moderato sforzo moderato sforzo
per la per la comprensionecomprensione
GSMGSM
22 ScarsaScarsa
Il significato Il significato delle frasi è delle frasi è
incomprensibile incomprensibile senza un senza un
notevole sforzonotevole sforzo
Scala MOS
MOSMOS QualitàQualità DefinizioneDefinizione EsempioEsempio
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11 InsufficienteLa comunicazioneè sostanzialmente
impossibile
Scala MOS
MOSMOS QualitàQualità DefinizioneDefinizione EsempioEsempio
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Le tecniche di codifica si dividonoin:
Codificatori della forma d’onda: usano la sola conoscenza del segnale elettrico istantaneo (es. PCM, DPCM, ADPCM, Modulazione Delta)
Codificatori di sorgente (vocoder): sfruttano soprattutto le caratteristiche dell’apparato di fonazione e uditivo (es. LPC - Linear Predictive Coding)
Codificatori vocali
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In entrambi i casi, il primo stadio del codificatore comprende:
Un filtro anti-aliasing
Un campionatore
Un quantizzatore
Codificatori vocali
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Campionamentoe quantizzazione
Si rappresenta il segnale continuo tramite un insieme discreto di valori,
senza alcun degrado se viene rispettato il teorema
di Nyquist
I primi passi per qualsiasicodifica del segnale sono:
Campionamento:
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Assegnazione a un insieme discretodi valori dei punti campionati, si ha degrado irreversibile del segnale a causa del rumore di quantizzazione
I primi passi per qualsiasicodifica del segnale sono:
Campionamentoe quantizzazione
Quantizzazione:
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Campionamento
segnale analogico
tempo
am
pie
zza
intervallo di campionamento Tc
campioni del segnale
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Il teorema di Nyquist definisceil passo di campionamento affinché
non si abbia alcun degradonella ricostruzione del segnale
B è il massimo contenutoin frequenza (banda)
del segnale da campionare
1/Tc > 2B
Campionamento
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Quantizzazione
tempo
am
pie
zza
12345
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Introduce sempre un degrado noto come rumore di quantizzazione
Il degrado è noto e controllabilee diminuisce con intervallidi quantizzazione più piccoli
Il degrado può essere ridotto a piacere diminuendo la dimensione dell’intervallo di quantizzazione (ma servono più bit per campione)
Quantizzazione
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Il PCM (Pulse Code Modulation)è un processo di campionamento
e quantizzazione
La quantizzazione può essere:
PCM uniforme e non
Uniforme (tutti gli intervalli uguali) Non uniforme (intervalli diversi a
seconda dell’ampiezza): compressione prima del quantizzatore uniforme, compensata in ricezione da una espansione (compander)
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PCM uniforme e non
CD (~44 kHz, 16 bit) qualità eccellente (MOS 5)
PCM uniforme:
Telefonia (8kHz, 8 bit, 64 kbit/s)qualità buona (MOS 4+),
standard ITU-T G.711
PCM non uniforme:
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PCM non uniforme
Oggi si preferisce un campionamento uniforme a 12 bit, seguito da una compressione a 8 bit
Il campionamento risultante è non uniforme a 8 bit
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PCM differenziale (DPCM)
Questa tecnica sfrutta la correlazione temporale del segnale vocale
Codificare la differenza traun campione e la stima del successivo (predizione)
Se c’è correlazione tra i campionila dinamica della differenza è minore di quella dei campioni
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s(n) campione originale s”(n) campione predetto s’(n) corrisponde al campione
ricostruito dal ricevitore
PCM differenziale (DPCM)
QuantizzatoreQuantizzatore
PredittorePredittore
S”(n)
S’(n)
eq(n)S(n)
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È un esempio “particolare”
Il segnale è campionato a frequenza elevata per ottenere alta correlazione tra i campioni
La differenza è campionata su un solo bit, che indica se il segnale cresce o decresce
Modulazione Delta
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PCM adattativo
Anche questa tecnica sfrutta la correlazione temporale presente nel segnale vocale
Modifica nel tempo l’ampiezzadegli intervalli di quantizzazionein funzione della dinamica del segnale (adattamento)
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Se la variazione nel tempo del segnale è lenta (correlazione) si ottimizza l’ampiezza dell’intervalloin funzione del segnale
PCM adattativo
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PCM adattativo e differenziale (ADPCM)
Lo standard ITU G.721 usatonei telefoni cordless modernidi tipo DECT è un PCM adattativoe differenziale
Qualità buona (MOS 4)
Velocità di trasmissione: 32kbit/s
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Codificatori di sorgente
Il PCM e i suoi derivati codificanoil segnale campione per campione
Le reti di telefonia tradizionale trasmettono campione per campione
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Le tecniche di correzione degli errori lavorano bene su blocchi di bit
In reti a commutazione di pacchetto bisogna accumulare campioni fino a riempire un pacchetto (es. payload 80 byte 80 campioni PCM 10ms di voce) prima di iniziare latrasmissione
inoltre…
Codificatori di sorgente
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Considerando un segmento vocale (es. un fonema di durata 10-40 ms)è possibile usare algoritmi di codifica e compressione molto efficienti
Si parte da una codifica PCM uniforme eccellente, si raggruppano da 80 a 320 campioni (10-40 ms) e si lavora sull’insieme (blocco)
Codificatori di sorgente
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I codificatori di sorgente si dividono in molte categorie a seconda degli algoritmi usati
Tutti i codificatori a blocco sono basati su filtri numerici a risposta finita (FIR) di cui il codificatore calcola i parametri
Codificatori di sorgente
I parametri vengono trasmessi per la ricostruzione del segnale al ricevitore
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Modellizzazione “fisica”
Il filtro usatorappresenta
i modi vibrazionalidelle corde vocali
e le cavità risonanti dell’apparato
di fonazione umano
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CONV. A/D CONV. A/D segnale in ingresso
(analogico)CALCOLOCALCOLO
PARAMETRI PARAMETRI
flusso numerico(PCM lineare) struttura del filtro
coefficientisegnale di eccitazione
... ... ...
Codificatori di sorgente:codificatore
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Codificatori di sorgente:schema al codificatore
Filtro di sintesi Filtro di sintesi
Pesatura e min Pesatura e min dell’errore dell’errore
Sequenza di Sequenza di eccitazione eccitazione
segnale segnale vocale vocale
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Codificatori di sorgente:schema generale
CODIFICATORE CODIFICATORE segnale in ingresso
(analogico)
DECODIFICATORE DECODIFICATORE
segnale ricostruito(analogico)
trasmissionedei parametri
(numerici)segnale
di eccitazione(numerico)
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segnale segnale ricostruitoricostruito(analogico)(analogico)
CONV. D/A CONV. D/A
SOMMATORESOMMATORE
flusso numericoflusso numerico(PCM lineare)(PCM lineare)
segnale di eccitazionesegnale di eccitazione(numerico)(numerico)
TTTT TT TT
C1C1 C2C2 C3C3 XXC4C4C0C0 XXXXXXXX
Codificatori di sorgente:decodificatore
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Soppressione dei silenzi
Con i codificatori a blocco èpossibile effettuare la
soppressione dei silenzi (VAD – Voice Activity Detection)
Se non vi è attività vocalenon vengono generati “pacchetti”
di descrizione vocale
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Sul canale vengono trasmessipacchetti di descrizione del silenzio
Risparmio di banda e riduzione dell’interferenza
Soppressione dei silenzi
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VAD - criticità
I silenzi vanno soppressi senzadare la sensazione di “linea caduta”
Il soppressore deve essere efficiente nell’intervenire, ma soprattutto nel riprendere la codifica, per evitare di “tagliare” l’inizio di nuove lettere o parole
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I soppressori possono essere: Lenti: intervengono solo durante
lunghe pause di parlato Veloci: cercano di intervenire
anche nei brevissimi silenzi tra parole della stessa frase
VAD - criticità
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Codifica LPC-LTP
La codifica Linear Prediction Coding - Long Term Prediction si basa sulla modellizzazione fisica del tratto vocale mediante due filtri, uno a memoria breve (filtro LPC)e uno a memoria lunga (LTP)
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Il segnale viene rigeneratoeccitando il filtro a memoria breve con rumore gaussiano biancoe il filtro a memoria lunga conun treno di impulsi regolari (RPE - Regular Pulse Excitation)
Codifica LPC-LTP con RPE
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La codifica è divisa in:
Predizione di breve periodo (LPC)
Serve a codificare “bene” i fonemi con consonanti
Codifica LPC-LTP con RPE
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La codifica è divisa in:
Predizione di lungo periodo (LTP)
Serve a codificare “bene” i suoni vocalizzati
Codifica LPC-LTP con RPE
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Calcolo del miglior segnale di eccitazione(RPE)
Codifica LPC-LTP con RPE
Segnale di eccitazione contiene correlazione residua tra segnale vero e quello predetto.Se ne scelgono sottosequenze piu' rappresentative
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Codifica CELP
Code Excited Linear Prediction
È un codificatore LPCin cui l’eccitazione per ricostruire
il segnale non è rumore biancoma una sequenza di un “codebook”
(catalogo) che minimizza l’errore rispetto al segnale originale
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Il codificatore è molto complesso perché deve scegliere tra i possibili
codici in modo esaustivo
Codifica CELP
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Codificatori GSM
GSM tradizionale:
Codificatore LPC-LTP con RPE
GSM Enhanced Full Rate (EFR):
Telefonini “dual-band” e/o posteriori al 1997
13 kbit/s
CELP a 12.2 kbit/s
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UMTS:
Codec adattativo a rate variabile (AMR – Adaptive Multi Rate)
Può essere usato anche con GSM
Codificatori GSM e UMTS
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Blocchi da 20 ms che producono260 bit raggruppati in 3 livellidi importanza 50 ricevono massima protezione 132 ricevono una protezione media
Codificatore LPC-LTP con RPE (standard ETSI)
Codificatore GSM “base”
78 non sono protetti per nulla
Totale 13 kbit/s
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Codificatore GSM “base”codificatore
analisi di analisi di lungo periodolungo periodo
analisi di analisi di breve periodobreve periodo
codificacodificaRPERPE
campionatorecampionatorequantizzatorequantizzatore segmentazionesegmentazione
multiplazionemultiplazione
al trasmettitore
segnalevocale
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Codifica e Codifica e pacchettizzazione pacchettizzazione
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