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Codificación de forma de onda

Codificación de forma de onda. Asunción Moreno. Codificación de voz y audio. Codificadores de banda telefónica - PCM, ADPCM - LPAS - GSM 6.10, ITU-T G.728 Codificación de voz en banda ancha - ITU-T G.722 Codificación de audio ISO/MPEG Standard DCC, MiniDisc. Muestreo. Q[.].

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Codificación de forma de onda

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Presentation Transcript

  1. Codificación de forma de onda Asunción Moreno

  2. Codificación de voz y audio Codificadores de banda telefónica - PCM, ADPCM - LPAS - GSM 6.10, ITU-T G.728 Codificación de voz en banda ancha - ITU-T G.722 Codificación de audio • ISO/MPEG Standard • DCC, MiniDisc

  3. Muestreo Q[.] Codificador xa(t) x(n)=xa(nT) Señal muestreada precisión finita Señal continua D PCM lineal uniforme (I) 111 110 101 100 x(n) • Instantáneo. • No aprovecha la forma de la PDF de la señal(óptimo solo para PDF uniforme). • Dispositivo no lineal. 011 D 010 001 000

  4. x(n) ITU- Ley A. PCM a 64 Kbps

  5. 1000 500 0 -500 -1000 x(n) -1500 0 100 200 300 400 500 600 400 200 0 -200 x(n)-x(n-1) -400 -600 0 100 200 300 400 500 Cuantificación diferencial (DPCM) • La potencia del error de cuantificación es proporcional a la potencia de la señal. • Si la señal varía lentamente, la diferencia entre muestras de la señal tiene menor potencia que la propia señal: • El receptor consistiría en un mero integrador del error cuantificado

  6. Podemos hacerlo mejor cuantificando la potencia del error: • y escogiendo h1de forma que se minimice la potencia del error: • El termino es una predicción de orden 1 de la señal x(n). • Una mejor predicción consiste en ponderar más de una (p) muestras pasadas de la señal x(n): filtro predictor de orden p. Predicción

  7. Integración exacta Reconstruida • Original Diferencia acuantificar

  8. Integración- sistema forward- Original Reconstruida Diferencia cuantificada

  9. Integración- backward- • Original Reconstruida Diferencia a cuantificar Diferencia cuantificada

  10. e ( n ) e ( n ) x ( n ) Q q + _ $ x ( n ) ~ x ( n ) H(z) -1 z ~ x ( n ) e ( n ) q + + -1 z $ x ( n ) H(z) ~ x ( n -1) Esquema DPCM (I) Codificador Decodificador ¡El error cometido sobre la señal decodificada es el errorde cuantificación cometido sobre el error! Ejercicio: Estime la ganancia de predicción

  11. Esquema DPCM (II) • Los p coeficientes del filtro predictor se pueden calcular por bloques de N datos de entrada y transmitirlos con una cierta periodicidad. Minimizando también la potencia del error: • 1. Estimamos la función de correlación de las muestras de señal:

  12. Esquema DPCM (II) • 2. Construimos la matriz de correlación y el vector de correlación: • 3. Calculamos los coeficientes del filtro predictor:

  13. Problema 1: Si la señal tiene una estadística que varía con el tiempo, como las señales de voz y audio, los coeficientes óptimos son distintos en cada instante de tiempo. Hay que recalcularlos y enviarlos a menudo. • Problema 2: Si hay errores de transmisión los coeficientes pueden dar lugar a un decodificador inestable.

  14. Podemos calcular los p coeficientes del predictor muestra a muestra hj(n) mediante un procedimiento adaptativo: • Los coeficientes pueden calcularse tanto en el codificador como en el decodificador.

  15. e ( n ) e ( n ) x ( n ) Q q ~ x ( n ) e ( n ) q + + _ B(z) + -1 z $ x ( n ) $ x ( n ) ~ + B(z) A(z) x ( n ) A(z) ~ + -1 z x ( n -1) ITU G.721 a 32 Kbps: ADPCM backward (I) • Esquema de predicción con 6 ceros y 2 polos (permite menos coeficientes) • Algoritmo de estimación de los coeficientes simplificado (usando la función signo).

  16. e(n) ITU G.721 a 32 Kbps: ADPCM backward (II) • Cuantificador de 15 niveles (4 bits, midtread), no uniforme, con factor de escala ajustable según la potencia del error de cuantificación (estimable en el codificador y en el decodificador).

  17. 300 200 100 0 Ejemplo 12 Predicción adaptativa orden 20. Unatrama de señal de voz (/e/) y el error de predicción correspondiente. -100 -200 -300 -400 -500 0 100 200 300 400 500

  18. Codificadores de voz en banda ancha Al aumentar el ancho de banda (50 - 7.000 Hz) se consigue • naturalidad (bajas frecuencias) • inteligibilidad, especialmente en fricativas (altas frecuencias) Aplicaciones: • Canal de 64 kbits/s de ISDN • Difusión radio

  19. ITU-T G.722 • Entrada: • frecuencia de muestreo: 16.000 • resolución necesaria de cuantificación: 14 bits • División de señal en dos bandas (filtros QMF) • Cada banda se codifica mediante ADPCM • banda inferior: 6 bits/muestra • banda superior 2 bits/muestra Þ 64 kbits/s • Retardo 3 milisegundos, complejidad baja • El predictor de banda de baja frecuencia sólo utiliza en la predicción los 4 bits más significativos. Þ Es posible ignorar bits en transmisión: 64 kb/s, 56 kb/s, 48 kb/s. (embedded code)

  20. 16 kbits/s ADPCM banda alta filtros QMF MUX Inserción datos 48 kbits/s ADPCM banda baja H1(f) H2(f) 0.707 fm/2 fm/4 ITU-T G.722 canal auxiliar de datos 0, 8 ó 16 kbits/s • Filtros QMF (de aplicación en todos los codificadores subbandas) Han de ser simétricos para combatir solapamiento entre bandas Debido al error de cuantificación se destruye la simetría entre bandas Þ ha de ser selectivo para minimizar solapamiento 24 coeficientes

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