COMUNICACIONES MÓVILES
Codificación de Voz en el Sistema GSM
Carlos Crespo Cadenas Profesor Titular
COMUNICACIONES MÓVILES
Codificador de Voz en GSM
• 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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Codificador de Voz en GSM
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Codificador de Voz en GSM
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Codificador de Voz en GSM
• ANÁLISIS STP
• filtro inverso:
• Método de la Autocorrelación:
– para cada 160 muestras
– Rk → recursión de Schur → coef. reflexión ki(modelo tracto vocal)
– LAR(i) cuantizados→ LAR’(i)
∑
−=
−
= p
1
= k
k ( )
a - s(n) )
~( ) ( )
(n s n s n s n k
e
∑
−= p
1
= k
ak
- 1 )
(z z k
A
∑
−= p
1
= k
k ( )
a )
~(n s n k
s
∑
−+=
+
=L k
n spsw n spsw n k k
R 1
0
) (
) ( )
(
)).
( 1
) ( (1 log )
( 10
i k
i i k
LAR −
= +
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Codificador de Voz en GSM
• 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 r[ ]
n G r[
n D]
e = STP − ⋅ STP −
∑
−[ ]
=
= 1
0
) 2
(
N n
n e G
E
[ ] [ ]
[ ]
[ ]
∑
∑
−
=
−
=
−
−
⋅
= 1
0
2 1
) 0
( N
n N
n
D n r
D n r n r D
G
[ ] [ ] [ ]
[ ]
[ ]
∑
∑ ∑
−=
−
− =
= −
⎥⎦
⎢ ⎤
⎣
⎡ ⋅ −
−
= 1
0
2 1 2
0 1
0
) 2
( N
n N
N n
n r n D
D n r n r n
r D
E
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Codificador de Voz en GSM
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Codificador de Voz en GSM
– La señal residual LTP se calculará como:
– Localmente, se realiza el proceso inverso
.
• 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.
[ ]
n r[ ]
n G r[
n D]
rLTP = STP − ⋅ STP −
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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(VMÁX) => 6 bits
Puntero a dicha trama (offset inicial) kMÁX=> 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 kMÁX 2 8
excitación VMÁX 6 24
13 muestras 3*13=39 156
TOTAL 260 bits
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• 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(kMÁX,i)
◊ VMÁX
◊ kMÁX
• Amplifica la señal de más energía por VMÁX.
• teniendo en cuenta el offset inicial, kMÁX, inserta M ceros entre los pulsos para reconstruir la señal LTP.
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• 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:
⇒ Es necesario un buffer para almacenar las muestras pasadas de rSTP, de la misma forma que en el transmisor.
[ ]n r [ ]n G r [n D]
rSTP = LTP + ⋅ STP −
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• PREPROCESAMIENTO
– Pre-énfasis:
H(z)=1- c1z-1
– Ventana de Hamming:
bloques de 160 muestras enventanadas por una ventana de Hamming spsw(n)=sps(n)*c2*(0.54-0.46cos2π) – donde c2 = 1.5863
• ANÁLISIS STP
Los coeficientes {αk} 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
∑
=− −
− =
= p
k k k
s z a z
z P H
1 1
1 )
( 1 ) 1 (
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Codificador de Voz en GSM
COMUNICACIONES MÓVILES
Codificador de Voz en GSM
0 10 20 30 40 50
-100 -50 0 50 100
Tie mpo (ms )
Amplitud
Re s iduo S TP
0 10 20 30 40 50
-100 -50 0 50 100
Tie mpo (ms )
Amplitud
S e ña l de voz
COMUNICACIONES MÓVILES
Codificador de Voz en GSM
0 10 20 30 40 50
-100 -50 0 50 100
Tie mpo (ms )
Amplitud
Re s iduo LTP
0 10 20 30 40 50
-100 -50 0 50 100
Tie mpo (ms )
Amplitud
P uls os de la s e ña l RP E
