background image

 

 

Instytut Systemów Łączności

Wydział Elektroniki

WOJSKOWA AKADEMIA TECHNICZNA

prowadzący: 

por. mgr inż. PIOTROWSKI Zbigniew

WEL ISŁ ZRiWRE

konsultacje:  czwartek godz. 16:30-18:00  p.104/47

tel. 0-501-334-151

E-mail: 

zpiotrowski@wel.wat.waw.pl

SYSTEMY RADIOKOMUNIKACJI RUCHOMEJ

Przedmiot wybieralny

„Systemy łączności bezprzewodowej”

rok akademicki 2000/2001 grupa szkoleniowa: E-

45za, E-45zb

background image

 

 

Organizacja zajęć

  Cyfrowe przetwarzanie mowy. Przegląd metod 

kodowania mowy

         -

przetwarzanie wstępne

         -

teoria próbkowania

 

-

kwantyzacja

     

-

pojęcie filtracji cyfrowej; filtry NOI, SOI 

-

transformata Fouriera

-

algorytmy przetwarzania mowy

   Wokodery LPC-10e, CELP, MELP, GSM 6.10

background image

 

 

Algorytmy przetwarzania mowy:

 PCM

 – modulacja kodowo-impulsowa

 

DM

 – modulacja delta

 

DPCM 

– różnicowa modulacja kodowo-impulsowa  

 

ADM

 – adaptacyjna modulacja delta

 

ADPCM 

– adaptacyjna różnicowa PCM

 

APC

 – adaptacyjne kodowanie predykcyjne

 

SBC 

– kodowanie na podpasma

 

CVSD

 –  modulacja DM o ciągłej zmianie 

nachylenia

 

LPC 

– liniowe kodowanie predykcyjne

 

MELP

 – wokoder z pobudzeniem mieszanym

 

wokoder hybrydowy GSM

 

background image

 

 

Przetwarzanie wstępne:

 

wybielanie wstępne

 

 

Cel:

 zmniejszenie szybkości zmian gęstości widmowej mocy w funkcji 

częstotliwości. Pomocne przy usuwaniu szumu addytywnego, 
nieliniowości przetwarzania, modulacji skrośnej.

Przed rozpoczęciem analizy sygnału dobrze jest przeprowadzić wstępne 
uwydatnienie lub wygładzenie większych częstotliwości widma. Ideałem 
byłoby sprowadzenie widma sygnału do widma szumu białego (stała 
gęstość widmowa) i dlatego proces ten nazywa się wybielaniem 
wstępnym.

 

usuwanie trendu

 

Cel:

 usunięcie liniowego lub wolnozmiennego błędu systematycznego 

towarzyszącemu interesującemu nas przebiegowi. Trend jest 
wprowadzany przez samą metodę zbierania lub zapisu danych i wyraża 
się stałym, jednokierunkowym przesunięciem punktu odniesienia 
zapisanej zmiennej. 

Ważnym jest usunięcie trendu zanim sygnał poddamy operacji 
całkowania np. przekształcenie Fouriera (wyznaczenie funkcji gęstości 
widmowej mocy lub podobne obliczenia będą obarczone znacznym 
błędem). 

Usunięcie trendu: oszacowanie wartości średniej i odjęcie od 

sygnału podczas przetwarzania wstępnego.

background image

 

 

Prawo Shannona o przepływności kanału 

telekomunikacyjnego:

C = W lg

(1+S/N)

C  – przepływność kanału w bitach na sekundę

W – szerokość pasma przenoszenia sygnału w 
Hz

S  –  moc sygnału użytecznego

N –  moc szumu

background image

 

 

Prawo Shannona a problem 

próbkowania:

Jeśli funkcja f(t) nie zawiera częstotliwości wyższych niż W cykli 
na sekundę (Hz), wówczas jest ona całkowicie określona przez 
podanie jej rzędnych jako ciągu punktów oddzielonych od siebie 
o czas równy okresowi 1/2W.

W celu osiągnięcia dokładnej reprezentacji sygnału analogowego 
minimalna częstotliwość próbkowania powinna być co najmniej 
dwa razy wyższa od składowej o najwyższej częstotliwości 
sygnału oryginalnego. 

częstotliwość Nyquista lub granica Nyquista

f

s

 ≥ 2f

N

background image

 

 

Prawo Shannona a problem 

próbkowania:

próbkowany  sygnał analogowy

widmo częstotliwościowe

background image

 

 

widmo próbkowane: f

>2f

m

 – widmo powtarza się co 

każde f

s

 

background image

 

 

f

< 2f

– pasma częstotliwościowe nakładają się na siebie, co 

powoduje interferencję sygnału wejściowego. Efekt ten nazywa 
się aliasingiem, czyli utożsamianiem. 

background image

 

 

wpływ f

s

 na sygnał wejściowy

dla różnych częstotliwości próbkowania sygnału sinusoidalnego 
o częstotliwości f

a

gdy f

s

=2f

a

 – próbkowanie na granicy Nyquista

background image

 

 

wpływ f

s

 na sygnał wejściowy

f

s

 < 2f

łącząc między sobą miejsca próbkowania liniami prostymi 

nie możemy osiągnąć żadnych cech oryginalnego sygnału 
sinusoidalnego. 

background image

 

 

 aliasing a filtracja dolnoprzepustowa 

usunięcie wszystkich częstotliwości leżących powyżej f

(zmniejszenie szerokości pasma sygnału wejściowego)

background image

 

 

wpływ f

s

 na sygnał 

wejściowy

f

s

 >> f

a

 – im stosunek częstotliwości jest większy, tym lepsza jest 

dokładność reprezentacji cyfrowej sygnału wejściowego. 

background image

 

 

kwantyzacja:

Przedstawienie szeregu dyskretnych wartości próbek o 
zmiennych amplitudach w postaci szeregu liczb 
dyskretnych reprezentujących wartości tych amplitud.
 proces jest przybliżeniem sygnału analogowego
 wartości numeryczne skwantowanej zmiennej można 
zakodować za pomocą    kodu binarnego

 wpływ kwantyzatora: x

q

(t)=x(t)+x

n

(t) 

błąd kwantyzacji: E <= ½ * A/2 

N

 = +/- q/2

 

background image

 

 

kwantyzacja

Funkcje jakie muszą być zrealizowane aby przetworzyć 

sygnał analogowy w postać zrozumiałą przez DSP

background image

 

 

kwantyzacja

Im więcej zastosujemy przedziałów, tym dokładniej opiszemy 
wejściowy sygnał analogowy. Najczęściej systemy DSP 
wykorzystują przetwarzanie a/c  o 10-12 bitach. Oznacza to, że 
sygnał wejściowy będzie mierzony z dokładnością 2

10

 (1024) lub 

2

12

 (4096) poziomów. 

Tak więc, jeżeli mamy sygnał wejściowy, którego amplituda 
zmienia się w granicach od 0V do 5V, wówczas najmniej 
znaczący bit (LSB), tzn. pojedynczy bit będzie odpowiadał 
wartości 4.88 mV dla 10-bitowego przetwornika a/c i 1.22mV dla 
12-bitowego przetwornika c/a.

background image

 

 

background image

 

 

background image

 

 

background image

 

 

dyskretne przekształcenie Fouriera:

DFT jest procedurą matematyczną używaną do wyznaczenia 
zawartości harmonicznej, lub częstotliwościowej sygnału 
dyskretnego. DFT pochodzi od ciągłego przekształcenia Fouriera 
X(f):

dt

x(t)e

X(f)

j2π2π

DFT zapisujemy następująco:

1

0

/

2

)

(

)

(

N

n

N

nm

j

e

n

x

m

X

x(n) jest dyskretnym ciągiem próbkowanych wartości w dziedzinie 
czasu, e – podstawa logarytmu naturalnego, 

1

j

background image

 

 

dyskretne przekształcenie Fouriera:

background image

 

 

-3 dB 

|A| (dB) 

f (Hz) 

 

tętnienia pasma 
przepustowego 

tętnienia pasma  
zaporowego

 

filtracja cyfrowa

cechy idealnych filtrów cyfrowych
charakterystyka filtrów 

cyfrowych:

-

charakterystyka amplitudowa

-

charakterystyka fazowa

-

odpowiedź impulsowa

typy filtrów: NOI, SOI

background image

 

 

klasyfikacja algorytmów przetwarzania mowy:

KODOWANIE

PARAMETRYCZNE

(WOKODERY)

KODOWANIE

PRZEBIEGU

SYGNAŁU

W DZIEDZINIE

CZASU

W DZIEDZINIE

CZĘSTOTLIWOŚCI

HOMOMORFICZNE

LPC

FORMANTOWE

KANAŁOWE

BEZ PAMIĘCI:

PCM

Z PAMIĘCIĄ

Z PODZIAŁ

EM NA

PODPASMA:

SBC

APC

RÓWNOLEGŁE

SZEREGOWE

STAŁY

KROK

ZMIENNY

KROK

DPCM

DM

ADPCM

ADM

MPE

RPE

RELP

CELP

ACELP

VSELP

RCELP

MELP

background image

 

 

FS1015 LPC-10e 
female

FS1015 LPC-10e 
male

FS1015 LPC-10e 
music

femal
e

mal
e

musi

FS1016 CELP 
female

FS1016 CELP male

FS1016 CELP 
music

G.721 ADPCM 
female

G.721 ADPCM 
male

G.721 ADPCM 
music

GSM 6.10 full rate 
female

GSM 6.10 full rate 
female

GSM 6.10 full rate 
music

przykładowe nagrania dla podstawowych koderów mowy

background image

 

 

PCM – modulacja kodowo-
impulsowa

 

wartość próbki sygnału jest przesyłana w postaci cyfry 

wyrażonej w kodzie binarnym.

Sygnał analogowy podlega próbkowaniu i kwantowaniu, czyli 
aproksymacji za pomocą przebiegu schodkowego o skończonej 
liczbie przebiegów.

W następnym etapie realizuje się kodowanie wartości próbek za 
pomocą k-pozycyjnego kodu binarnego. Poszczególne pozycje 
(bity) kodu mogą przyjmować wartości 1 lub 0, które są 
reprezentowane przez obecność lub brak impulsu na 
odpowiedniej pozycji ciągu kodowego.

Impulsy te są przesyłane do kanału telekomunikacyjnego 
bezpośrednio lub po zastosowaniu wtórnej modulacji ciągłej fali 
nośnej. 

Strona odbiorcza – dekodowanie liczb binarnych (przejście do 
modulacji amplitudy impulsów), wydzielenie sygnału 
modulującego za pomocą filtru dolnoprzepustowego

background image

 

 

Przy kwantowaniu równomiernym, moc szumu wynosi:

                                            E

2

 = d

2

/12

Wymaganie: S/N=25dB (11 bitów – 2048 poziomów) przy 
f

p

=8kHz przepływność binarna wynosi wówczas 88000 bit/s. 

Wniosek: redukcja poziomów kwantowania.

Sposoby redukcji:

 kompresor sygnału (dużo wzmacnia słabe sygnały i mało 

wzmacnia sygnały silne)

 koder nierównomierny 

 koder równomierny z małym krokiem kwantowania z 

kompresorem cyfrowym

PCM – modulacja kodowo-impulsowa

background image

 

 

PCM – modulacja kodowo-
impulsowa

Kodowanie i kwantowanie próbek sygnału w PCM

 

 

7

6

5

4

3

2

1

0

1 1 1

1 1 0

1 0 1

0

1

1

1

0

0

0

0

1 0 0 1

1

0

0

1 1 1

1 1

0 1 1

0

0 0

0 0 1

1

0

0

Kod

dwójko

wy

Nr przedziału

4

5

7

6

5

0

1

2

Sygnał

background image

 

 

 0

Sygnał

Sygnał

 0

t

t

t

PCM

PAM

PAM

t

t

fg

fg

KODER

DEKODER

fp>2fg

PCM – modulacja kodowo-
impulsowa

zasada pracy systemu z modulacją impulsowo-kodową 

background image

 

 

modulacja 
delta

1

1 1

1

1

1

0

0

0

0

0

1

1

0

y(t)

x(t)

1

2

3

4

5

6

7

t

t

background image

 

 

modulacja 
delta

 pozwala na wyeliminowanie niektórych bitów nadmiarowych
 mniej wrażliwa na błędy kanału transmisyjnego
 używamy częstotliwości o wartości 1/n w stosunku do 
częstotliwości                   wymaganej przez PCM (n – liczba 
bitów wymaganych przez metodę PCM)
 dwie podstawowe przyczyny błędów: przeciążenie 
nachylenia i ziarnistość

KWANTYZER

J EDNOBITOWY

UKŁAD

PROGNOZUJ ACY

PIERWSZEGO

RZĘDU

UKŁAD

PROGNOZUJ ACY

PIERWSZEGO

RZĘDU

x(n)

+

-

x'(n)

d(n)

e(n)

kanał

y'(n)

z(n)

+

+

+

+

s(n)

background image

 

 

t

t

 modulacja delta przy pojawieniu się ziarnistości związanej ze zbyt 

dużym

rozmiarem kroku

 modulacja typu delta przy pojawieniu się przeciążenia nachylenia 

związanego ze zbyt małym rozmiarem kroku

modulacja 
delta

background image

 

 

DPCM – różnicowa PCM

 lepszy stosunek S/N – wyższa jakość sygnału 
wyjściowego
 DPCM zakłada kwantyzację jedynie różnicy miedzy 
sygnałami , a nie wielkości absolutnych, wprowadza  
mniejszy błąd kwantyzacji

background image

 

 

 

 

Modulator i demodulator dla różnicowej metody PCM

KWANTYZATOR

(p POZIOMÓW)

UKŁAD

PROGNOZUJ ACY

UKŁAD

PROGNOZUJ ACY

x(n)

+

-

x'(n)

d(n)

kanał

y'(n)

z(n)

+

+

+

+

s(n)

y(n)

DPCM – różnicowa PCM

Ogólna  postać  węzła  prognozującego  DPCM  może  być  wyrażona 
następującym równaniem:

gdzie h

R

 jest zbiorem współczynników prognozowania. Zauważymy, że 

jeśli  ,  a  pozostałe  współczynniki  są  równe  zeru,  wówczas  mamy  do 
czynienia z modulatorem typu delta.

)

(

)

(

1

'

R

n

s

h

n

x

N

R

R

background image

 

 

BUFOR

KWANTYZATOR

/KODER

DEKODER

PROGNOZOWANIE

POZIOMU

PROGNOZOWANIE

POZIOMU

KWANTYZATOR

/KODER

PROGNOZOWANIE

POZIOMU

DEKODER

PROGNOZOWANIE

POZIOMU

x(n)

x(n)

y(n)

y(n)

AQF

AQB

DPCM – różnicowa PCM

 

modulacja i demodulacja typu DPCM-AQF i 

DPCM-AQB

background image

 

 

ADPCM – adaptacyjna 
DPCM

KONWERSJ A

FORMATU

OBLICZANIE RÓŻ

NICY

KANTYZATOR

ADAPTACYJ NY UKŁ

AD PROGNOZUJ Ą

CY

KWANTYZATOR

WSPÓŁCZYNNIK

SKALUJ ĄCY
ADAPTACJ A

STEROWANIE

SZYBKOŚCIĄ

ADAPTACJ I

INWERSYJ NY

KWANTYZATOR

ADAPTACYJ NY

KODER

x(n)

x'(n)

d(n)

y(n)

a(n)

r(n)

r(n)

d'(n)

+

+

Obliczanie sygnału

zrekonstruowanego

S (n)

e

x''(n)

INWERSYJ NY

KWANTYZATOR

ADAPTACYJ NY

ADAPTACYJ NY UKŁ

AD PROGNOZUJ Ą

CY

KWANTYZATOR

WSPÓŁCZYNNIK

SKALUJ ĄCY
ADAPTACJ A

STEROWANIE

SZYBKOŚCIĄ

ADAPTACJ I

OBLICZANIE SYGNAŁU

ZREKONSTRUOWANEGO

KONWERSJ A

FORMATU

NASTRAJ ANIE

KODOWANIA

SYNCHRONICZNEGO

y(n)

DEKODER

d'(n)

S (n)

e

S (n)

p

z(n)

S  (n)

o

r(n)

a(n)

r(n)

background image

 

 

CVSD – DM z ciągłą zmianą nachylenia 

ADAPTACJ A

ROZMIARU

KROKU

KODER

KWANTYZATOR

UKŁAD

PROGNOZUJ ĄCY

n

Kanał

y(n)

+

x'(n)

x''(n)

x(n)

KODER

ADAPTACJ A

ROZMIARU

KROKU

DEKODER

UKŁAD

PROGNOZUJ ĄCY

y'(n)

n

+

+

y''(n)

DEKODER

background image

 

 

DECYMACJ A

DECYMACJ A

KODOWANIE

1

KODOWANIE

n

Mux

DEKODOWANIE

1

DEKODOWANIE

n

INTERPOLACJ A

INTERPOLACJ A

Demux

1

n

+

+

1

n

y(n)

x(n)

SBC - kodowanie podpasmowe 

background image

 

 

wokoder kanałowy 

Detekcje

tonów

wysokich

Prostownik

a/c

Prostownik

a/c

Detekcje dź

więków głoś

nych

1

16

Mux

Wyjście

Wejście

a/c

a/c

Częstotliwoś

ć tonów

wysokich

Informacje o

dźwiękach gł

ośnych

Źródlo

szumów

Źródło

impulsów

x

x

Zsyntezowany

sygnał mowy

Demux

Wejście

cyfrowe

1

16

+

+

background image

 

 

512 punktowe

FFT

Moduł w

postaci

logarytmicznej

IFFT

x

x(n)

Analizator

c(n)

512 punktowe

FFT

IFFT

Postać wykł

adnicza

Splot

Generator

pobudzający

c(n)

Syntezator

Parametry

pobudzenia

x(n)

wokoder 
homomorficzny

background image

 

 

Formant-1

Formant-2

Formant-3

Nadajnik

Kanał

Mowa

Generator 1

Generator 2

Generator 3

Nadajnik

Kanał

Mowa

wokoder 
formantowy

background image

 

 

u(n) =-

p=1

p

a

p

u(n-p)

wokoder liniowej predykcji LPC

  

a - współczynniki predykcji,

  p  =  1,2,...,P,  P-  rząd 
predykcji,

p

Liniowy

predyktor

rzędu p

p=1

P

a

p

u(n-p)

k

v(n)

u(n)

-

~

u

background image

 

 

wokoder liniowej predykcji LPC

Podział na ramki

o długości 22,5

ms

Analiza sygnału

mowy 10-tego rzędu

Obliczanie współ

czynnika

wzmocnienia

fragmentu mowy

Analiza dźwięczności

fragmentu mowy

K

O
D

E

R

M

U

L

T

I

P

L

E
K
S
E

R

Synchronizacja

Liczba bitów

Wejście sygnału

mowy

m

7

w

5

10k

i

wyjście mowy

syntetycznej

54 bity

A N A L I Z A

Generator impulsów

fragmentów dźwię

cznych mowy

Generator szumu biał

ego fragmentów
bezdźwięcznych

mowy

LPC

filtr 10-tego

rzędu

Demultiplekser

Dekoder

Wejście sygnału

mowy

Informacja o dźwięczności fragmentu mowy

Wyznaczanie współczynnika wzmocnienia

10k

i

Wyjscie mowy

syntetycznej

S Y N T E Z A

background image

 

 

   Filtr

 dolnoprzepustowy

   4 kHz

     A/C

 Filtr

preemfazy

      Filtr
      LPC

 Filtr

dolnoprzepustowy

     Koder
      RPE

 Obliczanie

parametrów

filtru LPC

   

+

 Układ LTP

 M
 U
 L
 T
  I
 P
 L
 E
 K
 S
 E
 R

   

.

   

.

 8 kHz

  

.

  

.

  

.

  

.

  

.

  

.

  

.

 Sygnał
zakodowany

 13 kbit/s

         LPC

  LTP

   RPE

 2 parametry LTP
 8 parametrów LPC

 Sygnał  mowy

  

.

wokoder GSM

  Dekoder

  RPE

 Moduł

LTP

 Odwrotny

 filtr LPC

 Filtr

deemfazy

 Sygnał

mowy

104 kbit/s

 Próbki
sygnału
8.8 kbit/s

 Parametry

modułów

4.2 kbit/s

   

.

   

.

background image

 

 

generator

szumu

filtr

przeciwszumowy

generator

impulsów

jitter

impulsów

filtr

filtr traktu
głosowego

 

filtr

adaptacyjny

dyspersja

impulsów

mowa

syntezowana

wokoder MELP

background image

 

 

G

G

1

A(z)

1

P(z)

.

.

.

.

.

+

Stały zbiór

sygnałów

pobudzeń

Wzmocnienie

Filtr LTP

Adaptacyjny zbiór sygnałów

pobudzeń

WE

sygnał mowy

-

Pętla optymalizacyjna

wokoder CELP

background image

 

 

 

techniki kodowania sygnału mowy

metoda kodowania

przepływność binarna  (kbit/s)

liniowa PCM

80 - 120 

kompandowana PCM

50-100

modulacja delta

50-80

DPCM (differential PCM)

40-80

ADM (adaptative delta modulation)

16-40

koder  pasmowy (subband coder)

10-32

ATC (adaptive transform coder)

8-32

APC (adaptive predictive coder)

8-32

MPLPC (multi-pulse excited LPC)

8-16

CELP (code excited LPC)

4-16

SEV (self-excited vocoder)

4-16

LPC wokoder (m.in. MELP)

0.6-2.4

background image

 

 

dziękuję za 
uwagę !


Document Outline