KOMPRESJA STRATNA SYGNAŁU MOWY. Metody kompresji stratnej sygnałów multimedialnych: Uproszczone modelowanie źródeł generacji sygnałów LPC, CELP

Transkrypt

1 KOMPRESJA STRATNA SYGNAŁU MOWY Metody kompresji stratnej sygnałów multimedialnych: Uproszczone modelowanie źródeł generacji sygnałów LPC, CELP Śledzenie i upraszczanie zmian dynamicznych sygnałów ADPCM Przekształcenie sygnału do dziedziny częstotliwościowej i pozbawienie go wysokoczęstotliwościowych współczynników widmowych JPEG Eliminacja składowych sygnału, których braku i tak nie zauważy odbiorca danego sygnału kodowanie subpasmowe MPEG APSG W8: Zastosowania filtrów adaptacyjnych 2 1/22 Kodowanie źródła Source coders Kodowanie przebiegu Waveform coders Zależne od modelu Niezależne od modelu generacji sygnału mowy i sygnału Duży współczynnik kompresji Mały współczynnik kompresji Małe strumienie danych Większe strumienie danych Zrozumiałość wypowiedzi Wierność odtworzenia sygnału LPC-1e (standard USA) ADPCM (G.726) Kompresja: 27:1 Kompresja: od 1,6:1 do 4:1 Strumień bitowy: 2,4 kb/s Strumień bitowy: 4, 32, 24, 16 kb/s APSG W8: Zastosowania filtrów adaptacyjnych 2 2/22

2 Kodowanie predykcyjne wokoder LPC-1 Linear Predictive Coding 1. Częstotliwość próbkowania f s = 8 khz 2. Podział na bloki 3 ms, w których zakłada się quasi-stacjonarność 3. Okno o długości 24 próbki przesuwane co 18 próbek 4. Estymacja i przesyłanie współczynników modelu generacyjnego sygnału mowy APSG W8: Zastosowania filtrów adaptacyjnych 2 3/22 Model generacji sygnału mowy T Mowa dÿwiêczna Pobudzenie okresowe { a,..., a } 1 1 en ( ) Gen ( ) sn ( ) G Hz () Mowa bezdÿwiêczna Pobudzenie losowe H(z) = i=1 a iz i Filtr traktu g³osowego 1 s(n) =Ge(n) a i s(n i) i=1 APSG W8: Zastosowania filtrów adaptacyjnych 2 4/22

3 Automatyczna klasyfikacja fragmentów mowy na dźwięczną i bezdźwięczną 1. Metoda badania funkcji autokorelacji R(k) = N 1 n= 2. Metoda badania funkcji AMDF Average Magnitude Difference Function R(k) = N 1 n= s(n)s(n k) s(n) s(n k) APSG W8: Zastosowania filtrów adaptacyjnych 2 5/22 Kodowanie PCM (Pulse Code Modulation) Q(.) xq ( n ) Próbkowanie Kwantyzacja Kodowanie f s = 8 khz oraz b =8= 64 kb/s APSG W8: Zastosowania filtrów adaptacyjnych 2 6/22

4 Kompresja i dekompresja sygnału w koderze PCM Companding compression i expanding Funkcje kompresji (companding functions) typu: A-Law (europejski standard PCM); µ-law (amerykański standard PCM). APSG W8: Zastosowania filtrów adaptacyjnych 2 7/22 Kodowanie różnicowe DPCM (Differential Pulse Code Modulation) Amplituda Numer próbki Liczba próbek Liczba próbek róznicy Wartosci próbek Róznice wartosci sasiednich próbek APSG W8: Zastosowania filtrów adaptacyjnych 2 8/22

5 Kodowanie różnicowe DPCM c.d. - Kwantyzer Q(.) en ( ) eq ( n ) Liniowy predyktor Az () ~ eq ( n ) ~ Liniowy predyktor Az () N A(z) = a k z k k=1 APSG W8: Zastosowania filtrów adaptacyjnych 2 9/22 Kodowanie różnicowe DPCM c.d. N ˆx(n) = a k x(n k) k=1 Błąd predykcji e(n) i skwantowany błąd predykcji e q (n): e(n) =x(n) ˆx(n), e q (n) =e(n) q(n) X(z) E q (z) = 1 1 A(z) Sygnał zrekonstruowany x(n): x(n) =e q (n)ˆx(n) =e(n) q(n)ˆx(n) x(n) =e(n)ˆx(n) x(n) =x(n) q(n) APSG W8: Zastosowania filtrów adaptacyjnych 2 1/22

6 Kodek ADPCM (ITU-T G.726) (Adaptive Differential Pulse Code Modulation) Kwantyzer adaptacyjny - en ( ) Q(.) Q -1 (). I( n) xaz( n) Predyktor All-Zero b( n) eq ( n ) = e ( n ) - q ( n ) xap( n) Predyktor All-Pole a( n) ~ APSG W8: Zastosowania filtrów adaptacyjnych 2 11/22 Kodek ADPCM (ITU-T G.726) c.d. b(n) =[b 1 (n),...,b 6 (n)] T a(n) =[a 1 (n),a 2 (n)] T Predykcja: ˆx(n) =ˆx AP ˆx AZ = Adaptacja predyktora: 2 a i (n) x(n i) i=1 x(n) =e q (n) 6 b j (n)e q (n j) j=1 6 b j (n)e q (n j) j=1 b k (n 1)= b k(n) sgn[e q(n)]sgn[e q (n k)], k =1,...,6 a 1 (n 1)= a 1(n) 3 sgn[ x(n)]sgn[ x(n 1)] 256 APSG W8: Zastosowania filtrów adaptacyjnych 2 12/22

7 Kodek ADPCM (ITU-T G.726) c.d. a 2 (n 1)= a 2(n) 1 sgn[ x(n)]sgn[ x(n 2)] 128 4a 1 (n) dla a 1 (n) 1 2 f[a 1 (n)] = 2sgn[a 1 (n)] dla a 1 (n) > f[a 1(n)]sgn[ x(n)]sgn[ x(n 1)] I( n) Q -1 (). e n q ( ) ~ b( n) a( n) Predyktor All-Pole Predyktor All-Zero APSG W8: Zastosowania filtrów adaptacyjnych 2 13/22 Kodek ADPCM (ITU-T G.726) c.d. Kwantyzer adaptacyjny Przepływność 4 kb/s 32 kb/s 24 kb/s 16 kb/s Poziomy Liczba bitów Kwantyzacja: 1. Konwersja sygnału błędu do znormalizowanej postaci logarytmicznej: e 1 (n) = log 2 e(n) ρ(n) gdzie ρ(n) jest współczynnikiem normalizacji (skalowania) wyznaczanym za pomocą algorytmu adaptacyjnego APSG W8: Zastosowania filtrów adaptacyjnych 2 14/22

8 Kodek ADPCM (ITU-T G.726) c.d. 2. Sygnał e 1 (n) jest nierównomiernie kwantowany z odpowiednią rozdzielczością z wykorzystaniem tablic; liczba bitów i tablice kwantowania zależą od wybranej przepływności Algorytm adaptacyjnego wyznaczania współczynnika skalowania ρ(n) ma dwie podstawowe prędkości: dla sygnałów o szybko zmieniającym się sygnale różnicowym, takich jak sygnał mowy; dla sygnałów o powoli zmieniającym się sygnale różnicowym, takich jak sygnały modemowe. APSG W8: Zastosowania filtrów adaptacyjnych 2 15/22 Kodek ADPCM (ITU-T G.726) c.d. ρ u (n) =(1 2 5 )ρ(n)2 5 W [I(n)] ρ u (n) [1.6, 1.] ρ l (n) =(1 2 6 )ρ l (n 1)2 6 ρ u (n) ρ(n) =a l (n)ρ u (n 1)[1 a l (n)]ρ l (n 1) a l (n) [, 1] Dla sygnału mowy: a l (n) 1 Dla sygnału modemowego: a l (n) APSG W8: Zastosowania filtrów adaptacyjnych 2 16/22

9 ADAPTACYJNA KOREKCJA KANAŁU TRANSMISYJNEGO Ograniczenia przepływności w łączu telefonicznym: ograniczone pasmo (3,5 khz) szum kanału (ograniczenie SNR) echa nadawanego sygnału interferencje międzysymbolowe ISI (Intersymbol Interference): 1. nadawany sygnał przechodzi przez kanał dyspersyjny 2. ograniczenie pasma sygnału powoduje rozciągnięcie się symboli w czasie 3. wpływ ISI rośnie w miarę zbliżania się szybkości modulacji do szerokości kanału 4. charakterystyka kanału jest nieznana; kanał może (zwykle jest) niestacjonarny APSG W8: Zastosowania filtrów adaptacyjnych 2 17/22 Przykład konstelacji 128-QAM (modem V.17) APSG W8: Zastosowania filtrów adaptacyjnych 2 18/22

10 Konstelacje przed i po operacji korekcji (ekwalizacji) Im Im Re Re APSG W8: Zastosowania filtrów adaptacyjnych 2 19/22 Schemat odbiornika ustawianie fazy Gen. noœnej 17 Hz I Q A-law Obróbka wstêpna FDP FDP x Filtr adaptacyjny y Uk³ad decyzyjny d Dekoder Odzyskiw. zegara 24 Hz Algorytm adaptacyjny e Deskrambler źródła sygnału odniesienia (np. z sekwencją treningową, z decyzyjnym sprzężeniem zwrotnym DFE, ślepe) Odebrane dane typ zastosowanego algorytmu adaptacyjnego (LMS, RLS, CMA) dziedzina filtru ekwalizera (BSE / FSE, rzeczywisty / zespolony) APSG W8: Zastosowania filtrów adaptacyjnych 2 2/22

11 Algorytm CMA (Constant Modulus Algorithm) Funkcja kosztu: J(n) =E [ (1 y(n) 2 ) 2] Dyspersja: Rekursja: s(n) =γ f T n x n 2 f n1 = f n µs(n)f T n x n x n Porównanie algorytmów LMS, RLS i CMA parametry symulacji: modulacja 16-QAM (V.29); sygnał odniesienia: sekwencja treningowa C,D; zerowe warunki początkowe dla LMS, RLS oraz inicjalizacja deltą Kroneckera dla CM; rząd filtru L =12, aktualizacja z częstotliwością symboli (BSE). APSG W8: Zastosowania filtrów adaptacyjnych 2 21/22 Porównanie algorytmów LMS, RLS, CMA e(n).8.6 e(n) n n 2.5 x f n1 f n n APSG W8: Zastosowania filtrów adaptacyjnych 2 22/22