From
Channel
Bit Assignment
& Stepsize
Interpolatin
Side Information
شکل (۲-۵) : بلوک دیاگرام یک کدر تبدیل تطبیقی
کدرهای SBC وATC که در بالا بحث شدند، صحبت با کیفیت بالا در ۱۶kpbs تولید می کنند اما کیفیت صحبت در نرخ بیت حدود ۸kbps بدلیل عدم حضور پیشگویی Pitch افت می کند بنابراین محدوده عملیاتی آنها را ۱۶kpbs تا ۹.۶kbps در نظر می گیرند .

( اینجا فقط تکه ای از متن درج شده است. برای خرید متن کامل فایل پایان نامه با فرمت ورد می توانید به سایت feko.ir مراجعه نمایید و کلمه کلیدی مورد نظرتان را جستجو نمایید. )

ب) کدرهای مختلط حوزه زمان
کدرهای مختلط حوزه زمان از روش پیشگویی خطی استفاده می کنند . با بکار گیری یک مدل منبع- فیلتر که فرض می کند صحبت نتیجه تحریک یک فیلتر متغیر با زمان بوسیله یک قطار پالس پریودیک برای اصوات باواک و یا یک منبع نویز تصادفی برای اصوات بی واک است ، می توان مشخصات آماری سیگنال صحبت را بسیار دقیق مدل کرد.
روش کدینگ پیشگویی تطبیقی(APC^[19]) که در شکل (۲-۶) نشان داده شده است ، در اصل توسط schroeder , Atal ابداع شده است واز پیشگویی های زمان کوتاه و زمان بلند هردودرآن استفاده شده است[۱]. سیگنال تحریک حاصل بعد از فیلتر معکوس شدن به صورت نمونه به نمونه کوانتیزه می شود. روش APC برای نرخ بیت حدود kbps 16 طراحی شده و در سیستم اینمارست B ازAPC 16kbps به همراه کدینگ کانال Reed-Solomon استفاده شده است[۵].
عملکرد APC در نرخ بیت های پایین افت می کند زیرا بیشتر ظرفیت کدینگ آن صرف کدینگ سیگنال مانده می شود . به منظور کاهش ظرفیت مورد نیاز برای کد کردن سیگنال مانده ، کدرهایی با تحریک مانده با عنوان RELP ^[۲۰] مورد بررسی قرار گرفتند .
شکل (۲-۶) : بلوک دیاگرام کدر پیشگویی تطبیقی(APC)
همانطور که در شکل (۲-۷) دیده می شود . کدر RELP در اصل یک APC است به جز اینکه تنها بخشی از (بخش فرکانس پایین) سیگنال مانده در آن ارسال می گردد. ایده RELP در این است که می توان فرض کرد ، اطلاعات سیگنال مانده در نواحی فرکانس پایین (باند پایه) متمرکز شده اند و بنابراین باکد کردن تنها این قسمت می توان نرخ بیت کدینگ را کاهش داد.
شکل (۲-۷) : بلوک دیاگرام کدر RELP
از اینرو در اینکدر سیگنال باند پایه بوسیله فیلتر پایین گذر و کوانتیزاسیون استخراج می شود . در دیکدر سیگنال باند پایه با بهره گرفتن از روش بازسازی فرکانس بالا [۵] به سیگنال تمام باند، تبدیل می شود .ویژگی اصلی روش RELP ، توانایی کار در شرایط خیلی بد نویز زمینه می باشد و عملکرد شنیداری خوب آن محدود به ۹.۶ kbps و بالاتر است .
روش های کدینگ صحبت که تا کنون بررسی شده اند بر مبنای آنالیز و سنتز هستند . یعنی سیگنال صحبت آنالیز می شود تا پارامترهای سیگنال بدون افزونگی ، از آن استخراج گردد و سپس سیگنال باقیمانده کوانتیزه و ارسال می گردد و در دیکدر عمل عکس صورت می گیرد . این روش کدینگ، استخراج پارامترها را از پروسه کوانتیزاسیون جدا می سازد و بنابراین کنترل بر روی اعوجاج ها به کنترل زیر سیستم های جدا از هم محدود می شود .
برای داشتن کنترل بهتر بر روی تمام پروسه کدینگ، یعنی برای مینیم کردن خطای کلی در سیگنال صحبت سنتز شده ، روش های آنالیز باسنتز) (AbS ^[۲۱]منظور می شوند . در روش AbS در طرف فرستنده یک دیکدر محلی وجود دارد که در آن صحبت سنتز شده برای آنالیز موجود می باشد .
روش های AbS-LPC مختلفی وجود دارد و اولین روش گزارش شده LPC چند پالسی (MPLPC ^[۲۲]) می باشد که در شکل (۲-۸) نشان داده شده است . تعیین محل پالسها و دامنه آنها بوسیله یک پروسه AbS انجام می شود . یک نمونه از MPLPCدر سرویس هوایی Skyphone با نرخ بیت ۹.۶kbps و کدینگ FEC کانولوشنال با نرخ ، بکار گرفته شده است . عیب عمده MPLPC بار محاسباتی نسبتا زیاد آن است. ترکیبی از MPLPCو RELP که برای پیاده سازی ساده تر باشد توسط Kroon گزارش شده که به LPC با تحریک پالس منظم ] موسوم است .
تحریک بهینه در این کدر ، پالس هایی با فاصله برابر و دامنه های مختلف می باشد که بار محاسباتی آنرا کاهش می دهد. این الگوریتم کارآمد از نظر محاسباتی ، برای سیستم موبایل GSM از میان بقیه الگوریتم های موجود انتخاب شده است [۵] .
شکل (۲-۸) : بلوک دیاگرام MPLPC استفاده شده در Skyphone
با افزایش قدرت پردازشی چیپ های DSP ، سیستم های AbS کاملی که قبلا برای پیاده سازی غیر عملی بودند مورد توجه قرار گرفتند ، همچون LPCبا تحریک کد (CELP ^[۲۴]) که برای نرخ بیت های پایین بسیار مناسب است . در CELP تحریک به صورت یک بردار است که از کتاب کد تحریک انتخاب می شود . هربردار تحریکی که حداقل خطای وزنی را داشته باشد ، بعنوان تحریک بهینه انتخاب می گردد . پروسه AbS درCELP بار محاسباتی زیادی دارد. هر چند که CELP پیچیده است اما قادر به تولید صحبت با کیفیت عالی حتی در نرخ بیت های پایین می باشد . یک گونه از CELP بعد ازبررسی روش های مختلف کدینگ ، برای سیستم مخابراتی صدا در وزارت دفاع آمریکا با عنوان ۴.۸ kbps DOD انتخاب شده تا جانشین کدر قدیمیLPC-l0e 2.4kbps شود [۵].
هر چند CELP عمدتا برروی نرخ بیت های پایین متمرکز است ، برای نرخ بیت های بالا تر هم مناسب بوده و استانداردLD-CELP CCITT 16kbps نیز نوعی CELP است . بلوک دیاگرام کدر LD-CELP در شکل (۲-۹) نشان داده شده است .
همانطور که در دیاگرام دیده می شود ، فیلتر طیفی بصورت برگشتی محاسبه می شود و بنابراین لازم نیست که ضرایب فیلتر ارسال شوند . بعلاوه مقیاس کردن یا تنظیم بهره نیز تنها با پیشگویی انجام می شود و نتیجه مستقیم آن این است که نرخ روزآمد شدن تحریک می تواند خیلی بالا باشد (هر ۵ نمونه ) و این کدر را قادر می سازد تا تاخیر کدینگ اندک حتی در حدود ۲ms داشته باشد . برای یکبار کدینگ در کانالهای نویزی یا بدون نویز ، کیفیت صحبت LD-CELP همانند و یا
بهتر از استاندارد G. 721 یعنی ۳۲kbps ADPCM گزارش شده است[۶].

شکل ( ۲-۹) : بلوک دیاگرام کدر LD-CELP
فصل ۳
کدر کم تاخیر LD-CELP
۳-۱- مقدمه
امروزه با توجه به استفاده روزافزون از شبکه های تلفن و موبایل و نیاز به استفاده موثرتر از ظرفیت شبکه های مخابراتی ، کدرهایی که در نرخ بیت متوسط (۱۶ kbps ) ، صحبتی با کیفیت بالا و حداقل تاخیر ممکن تولید نمایند ، مورد توجه خاصی قرار گرفته اند . تاخیر کلی در یک سیستم مخابراتی را می توان ناشی از عوامل زیر دانست :
تاخیر بافر کردن در اینکدر و دیکدر که بعلت جمع آوری نمونه های مورد نیاز آنالیز LPC است . تاخیر پردازش در اینکدر و دیکدر که در اثر پردازش روی نمونه های بافر شده می باشد . پردازش نمونه های بافر شده باید در فرصت بافر کردن، کامل شود چرا که باید برای پردازش نمونه های بعدی آماده بود . تاخیر ارسال که در سیستم های ماهواره ای بسیار مهم است و قابل کنترل بوسیله کدر صحبت نمی باشد . بنابراین تاخیر کلی سیستم را می توان مجموع عوامل فوق دانست و معمولا حداکثر تاخیر را ۴ برابر تاخیر بافر کردن در نظر می گیرند [۵،۶ ] . در نتیجه با کنترل طول بافر میتوان تآخیر کدر را کاهش داد . بعنوان مثال در کدر LD-CELP طول بافر باندازه ۵ نمونه است که با فرض نمونه برداری ۸ KHz تاخیر کلی حداکثر ۲.۵ms می شود ولی در سیستم GSM با طول بافر ۲۰ms تاخیر کلی حداکثر ۸۰ms خواهد بود .
در سال ۱۹۸۸ CCITT برنامه ای را برای استاندارد سازی یک کدر ۱۶kbps آغاز نمود از ویژگی های آن کیفیت بالا و تاخیر اندک بود و برای آن کاربردهای زیادی همچون شبکه PSTN شبکه ISDN ، تلفن تصویری و غیره در نظر گرفته شد. در جدول (۳-۱) لیستی از شرایط مورد نیاز CCITT برای کدر مورد نظر آورده شده است[۵[ .
شرط تاخیر کمتر از ۵ms مسأله ای بود که هیچ یک از کدرهای موجود قادر به برآوردن آن نبودند . از این رو کدرLD-CELP در سال ۱۹۹۱ بدین منظور معرفی شد و توانست همه شرایط CCITT را برآورده سازد و حتی با ۳۲kbps ADPCM رقابت کند . این کدر در سال ۱۹۹۲ بصورت استاندارد CCITT در آمد و در توصیه نامه (CCITT)ITU-T G.728 ارائه شد [۸ ].
جدول (۳-۱) : شرایط CCITT برای کدر ۱۶ kbps
۳-۲- بررسی کدر کم تاخیر LD-CELP
در کدرهای معمولی CELP که تطبیقی مستقیم هستند ، پارامترهای پیشگویی بهمراه بردار تحریک به گیرنده ارسال می شوند ولی در LD-CELP فقط سیگنال تحریک ارسال می گردد .ضرایب پیشگویی از طریق انجام آنالیز LPC بر روی نمونه های صحبت قبلی ، روز آمد می شوند. بنابراین کدر LD-CELP در اصل یک نسخه تطبیقی معکوس از کدر CELP معمولی می باشد و اساس CELP که جستجوی کتاب کد به روش آنالیز با سنتز است در آن حفظ شده است .در شکل (۳-۱) بلوک دیاگرام ساده شده اینکدر و دیکدر LD-CELP نشان داده شده است.
بردار تحریک در اینجا به اندازه ۵ نمونه است و پیشگویی زمان بلند رایج در CELP با پیشگویی زمان کوتاه مرتبه بالای ۵۰ ، برروی نمونه های صحبت کوانتیزه که ضرایب آن برای هر ۴ بردار تحریک روز آمد می شوند ، تعویض شده است .
بهره تحریک با بهره گرفتن از پیشگویی خطی تطبیقی مرتبه ۱۰ بصورت لگاریتمی، برای هر بردار روز آمد می شود .ضرایب این پیشگویی لگاریتمی بهره ، هر ۴ بردار یک بار با انجام آنالیز LPC بر روی بهره های لگاریتمی بردارهای تحریک قبلی روز آمد می گردد.
فیلتر مرتبه ۱۰ شنیداری نیز در اینکدر لحاظ شده که هر۴ بردار تحریک یک بار با انجام آنالیز LPC روی نمونه های صحبت اصلی در اینکدر روزآمد می شود.
کتاب کد کوانتیزه برداری از کتاب کدهای ۳ بیتی بهره و ۷ بیتی شکل^[۲۵] در ۱۶kbps تشکیل شده و تنها اندیس ۱۰ بیتی این کتاب کد به گیرنده ارسال می شود .
Encoder
Decoder
شکل ( ۳-۱ ) : بلوک دیاگرام ساده شده ۱۶kbps LD-CELP
در شکل ( ۳-۲ ) بلوک دیاگرام اینکدر LD-CELP ، با جزئیات بیشتری نشان داده شده است. دراین قسمت به بررسی بیشتر آن می پردازیم .
شکل ( ۳-۲ ) : طرح اینکدر LD-CELP
۳-۲-۱- LPC معکوس مرتبه بالا
از آنجا که پیشگویی زمان بلند( LTP^[26]) pitch، سیستم را خیلی به خطاهای کانال حساس می سازد ، در الگوریتم LTP , LD-CELP حذف شده و بجای آن از LPC معکوس مرتبه بالا استفاده شده است . کاربرد LPC مرتبه ۵۰ دارای امتیازهای زیر است :
حساسیت خیلی پایین کدر به خطاهای کانال
اطلاعات جنبی دیگر ارسال نمی شوند .
با حذف LTP ، الگوریتم کمتر به صحبت وابسته می شود و قادر به دریافت داده باند صوتی می شود .
البته استفاده از LPC مرتبه ۵۰ ، باعث افزایش تعداد محاسبات کورلیشن و پیچیدگی زیاد الگوریتم می شود و برای کاهش پیچیدگی از روش پنجره بازگشتی Branwell استفاده شده است .[۵]
هر چند که این روش باعث کاهش پیچیدگی می شود ولی بخاطر عملیات ضرب باعث بروز مسائلی در پیاده سازی ممیز ثابت می شود از اینرو از یک پنجره مختلط جدید استفاده می شود .
فرض کنید که آنالیز LPC برای هرL نمونه صحبت انجام شود و نمونه های مطابق با سیکل تطبیق فعلی باشند و پنجره مختلط به نمونه های قبلی با اندیس کمتر از m اعمال شود ، در زمان m تابع پنجره مختلط بصورت زیر تعریف می شود :