Informacija

GSM audio kodek / vokoder

GSM audio kodek / vokoder

Mnogo različitih oblika audio kodeka ili vokodera dostupno je za opću upotrebu, a GSM sustav podržava brojne određene audio kodeke. Uključuju RPE-LPC, upola brzi i AMR kodeci. Izvedba svakog glasovnog kodeka različita je i mogu se koristiti pod različitim uvjetima, iako se AMR kodek sada najčešće koristi. Također se noviji AMR širokopojasni kodek (AMR-WB) uvodi u mnoga područja, uključujući GSM

Tehnologija glasovnih kodeka posljednjih je godina znatno napredovala kao rezultat sve veće dostupne procesorske snage. To je značilo da glasovni kodeci koji se koriste u GSM sustavu imaju velika poboljšanja od uvođenja prvih GSM telefona.

Osnove vocodera / kodeka

Vokoderi ili govorni kodeci koriste se u mnogim područjima govorne komunikacije. Očito je da je ovdje fokus na GSM audio kodecima ili vokoderima, ali isti principi vrijede za bilo koji oblik kodeka.

Da se govor digitalizira linearno, potrebna bi mu velika brzina prijenosa podataka koja bi zauzimala vrlo široku širinu pojasa. Kako je širina pojasa obično ograničena u bilo kojem komunikacijskom sustavu, potrebno je sažeti podatke da bi ih se poslalo dostupnim kanalom. Kad prođe kroz kanal, može se proširiti kako bi obnovio zvuk na način koji je što bliži izvorniku.

Da bi se udovoljilo zahtjevima sustava kodeka, govor se mora snimati s dovoljno velikom brzinom uzorkovanja i razlučivosti da omogući jasnu reprodukciju izvornog zvuka. Zatim se mora komprimirati na takav način da se održi vjernost zvuka preko ograničene brzine prijenosa, bežičnog prijenosnog kanala sklonog pogreškama.

Audio kodeci ili vokoderi mogu se koristiti raznim tehnikama, ali mnogi moderni audio kodeci koriste se tehnikom poznatom kao linearno predviđanje. To se na mnogo načina može usporediti s matematičkim modeliranjem ljudskog glasnog trakta. Da bi se to postiglo, spektralni omotač signala procjenjuje se pomoću filtrirne tehnike. Čak i tamo gdje se koriste signali s mnogo neharmonički povezanih signala, glasovni kodeci mogu dati vrlo velike razine kompresije.

Za GSM kodeke koristi se niz različitih metodologija kodeka:

  • POMOĆ: CELP ili Code Excited Linear Prediction kodek je vokoder algoritam koji je izvorno predložen 1985. godine i dao je značajan napredak u odnosu na druge današnje glasovne kodeke. Osnovno načelo CELP kodeka razvijeno je i korišteno kao osnova ostalih glasovnih kodeka, uključujući ACELP, RCELP, VSELP itd. Kao takav, CELP kodek metodologija sada je najčešće korišten algoritam kodiranja govora. U skladu s tim, CELP se sada koristi kao generički pojam za određenu klasu vokodera ili govornih kodeka, a ne kao određeni kodek.

    Glavno načelo iza CELP kodeka je da koristi načelo poznato kao "Analiza sintezom". U ovom se procesu kodiranje izvodi percepcijskom optimizacijom dekodiranog signala u sustavu zatvorene petlje. Jedan od načina na koji se to može postići jest usporedba različitih generiranih tokova bitova i odabir onog koji proizvodi najbolji zvučni signal.

  • ACELP kodek: Kodek linearnog predviđanja uzbuđen ACELP-om ili algebarskim kodom. ACELP kodek ili algoritam vocodera razvoj je CELP modela. Međutim, ACELP kodeci kodeka imaju specifičnu algebarsku strukturu kako je naznačeno nazivom.
  • VSELP kodek: Kodek linearnog predviđanja VSELP ili Vector Sum Excitation. Jedan od glavnih nedostataka VSELP kodeka je njegova ograničena sposobnost kodiranja negovornih zvukova. To znači da se loše ponaša u prisutnosti buke. Kao rezultat toga, ovaj se glasovni kodek sada ne koristi toliko često, a preferiraju se drugi noviji govorni kodeci koji nude daleko superiornije performanse.

GSM audio kodeci / vokoderi

Podržani su razni GSM audio kodeci / vokoderi. Oni su predstavljeni u različito vrijeme i imaju različitu razinu izvedbe .. Iako se neki od ranih audio kodeka danas ne koriste toliko često, ovdje su još uvijek opisani jer čine dio GSM sustava.


GSM audio kodeci
Naziv kodekaBit rate
(kbps)
Tehnologija kompresije
Puna stopa13RTE-LPC
EFR12.2ACELP
Pola stope5.6VSELP
AMR12.2 - 4.75ACELP
AMR-WB23.85 - 6.60ACELP

GSM Full Rate / RPE-LPC kodek

RPE-LPC ili regularni impulsno uzbuđeni - linearni prediktivni koder. Ovaj oblik glasovnog kodeka bio je prvi govorni kodek koji se koristio s GSM-om, a odabran je nakon provedenih testova kako bi se usporedio s ostalim shemama kodeka dana. Govorni kodek zasniva se na redovnom pulsnom pobuđivanju s dugoročnim predviđanjem. Osnovna shema povezana je s dva prethodna govorna kodeka, i to: RELP, Residual Excited Linear Prediction i s MPE-LPC, Multi Pulse Excited LPC. Prednosti RELP-a su relativno mala složenost koja proizlazi iz upotrebe kodiranja osnovnog opsega, ali njegove performanse ograničene su tonskom bukom koju stvara sustav. MPE-LPC je složeniji, ali pruža bolju razinu performansi. Kodek RPE-LPC pružio je kompromis između njih dvoje, uravnotežujući performanse i složenost za onodobnu tehnologiju.

Unatoč radu koji je poduzet kako bi se osigurale optimalne performanse, kako se tehnologija dalje razvijala, na RPE-LPC kodek se gledalo kao da nudi lošu razinu kvalitete glasa. Kako su postali dostupni i drugi audio kodeci pune brzine, oni su bili ugrađeni u sustav.

GSM EFR - Poboljšani full rate kodek

Kasnije je dodan još jedan vokoder nazvan Enhanced Full Rate (EFR) vokoder kao odgovor na lošu kvalitetu koju su primijetili korisnici izvornog RPE-LPC kodeka. Ovaj novi kodek dao je mnogo bolju kvalitetu zvuka i prihvatio ga je GSM. Korištenjem tehnologije kompresije ACELP dao je značajno poboljšanje kvalitete u odnosu na originalni LPC-RPE koder. To je postalo moguće kako se procesorska snaga koja je bila dostupna povećavala u mobilnim telefonima kao rezultat veće razine procesorske snage u kombinaciji s njihovom nižom trenutnom potrošnjom.

GSM Half Rate kodek

GSM standard omogućuje razdvajanje jednog govornog kanala pune brzine na dva potkanala koja mogu održavati odvojene pozive. Na taj način mrežni operateri mogu udvostručiti broj glasovnih poziva kojima mreža može rukovati uz vrlo malo dodatnih ulaganja.

Da bi se omogućilo korištenje ove usluge, mora se koristiti kodek s pola stope. Kodek s pola stope predstavljen je u ranim godinama GSM-a, ali je dao znatno lošiju kvalitetu glasa u usporedbi s drugim govornim kodecima. Međutim, to je davalo prednosti kada je potražnja bila velika, a mrežni kapacitet bio na premiji.

GSM Half Rate kodek koristi VSELP algoritam kodeka. Kodira podatke oko 20 ms okvira od kojih svaki nosi 112 bita dajući brzinu prijenosa podataka od 5,6 kbps. To uključuje brzinu prijenosa podataka od 100 bps za indikator načina rada koji detaljizira vjeruje li sustav da okviri sadrže glasovne podatke ili ne. To omogućuje da govorni kodek djeluje na način koji pruža optimalnu kvalitetu.

Sustav kodeka Half Rate uveden je 1990-ih, ali s obzirom na opaženu lošu kvalitetu, nije bio široko korišten.

GSM AMR kodek

AMR, prilagodljivi višebrzinski kodek sada je najčešće korišten GSM kodek. AMR kodek usvojio je 3GPP u listopadu 1988. godine, a koristi se i za GSM i za glasovne pozive s komutacijom UMTS / WCDMA.

AMR kodek nudi razne mogućnosti za jedan od osam različitih brzina prijenosa podataka kako je opisano u donjoj tablici. Brzine prijenosa temelje se na okvirima koji su dugi 20 milisceona i sadrže 160 uzoraka. AMR kodek koristi niz različitih tehnika za pružanje kompresije podataka. Kodek ACELP koristi se kao osnova cjelokupnog govornog kodeka, ali uz to se koriste i druge tehnike. Prekidni prijenos koristi se tako da kad nema govorne aktivnosti, prijenos se prekida. Pored toga, prepoznavanje glasovne aktivnosti (VAD) koristi se za označavanje kada postoji samo pozadinska buka i nema govora. Osim toga, za pružanje povratnih informacija za korisnika da je veza još uvijek prisutna, koristi se Comfort Noise Generator (CNG) za pružanje određene pozadinske buke, čak i kada se ne prenose govorni podaci. To se dodaje lokalno na prijamnik.

Korištenje AMR kodeka također zahtijeva upotrebu optimizirane prilagodbe veze tako da se odabere optimalna brzina prijenosa podataka kako bi se zadovoljili zahtjevi trenutnih uvjeta radio kanala, uključujući omjer signala i šuma i kapacitet. To se postiže smanjenjem izvornog kodiranja i povećanjem kodiranja kanala. Iako se smanjuje jasnoća glasa, mrežna veza je robusnija i veza se održava bez prekida. Mogu se osjetiti razine poboljšanja između 4 i 6 dB. Međutim, mrežni operateri mogu dati prednost svakoj postaji bilo zbog kvalitete ili kapaciteta.

AMR kodek ima ukupno osam stopa: osam je dostupnih s punom brzinom (FR), dok je šest dostupno s pola stope (HR). To daje ukupno četrnaest različitih načina.


Brzine podataka AMR kodeka
Način radaBit rate
(kbps)
Puna stopa (FR) /
Pola stope (HR)
AMR 12.212.2FR
AMR 10.210.2FR
AMR 7,957.95FR / HR
AMR 7,407.40FR / HR
AMR 6,706.70FR / HR
AMR 5,905.90FR / HR
AMR 5,155.15FR / HR
AMR 4,754.75FR / HR

AMR-WB kodek

Prilagodljivi višebrzinski širokopojasni kodek AMR-WB, poznat i pod ITU oznakom G.722.2, temelji se na ranije popularnom prilagodljivom višebrzinskom AMR kodeku. AMR-WB također koristi ACELP osnovu za svoj rad, ali je dalje razvijen i AMR-WB pruža poboljšanu kvalitetu govora kao rezultat šire propusnosti govora koju kodira. AMR-WB ima propusnost koja se proteže od 50 - 7000 Hz što je znatno šire od propusnosti od 300 - 3400 Hz koju koriste standardni telefoni. Međutim, to dolazi pod cijenu dodatne obrade, ali s napretkom u IC tehnologiji posljednjih godina, to je sasvim prihvatljivo.

Kodek AMR-WB sadrži brojna funkcionalna područja: prvenstveno uključuje skup načina rada kodeka govora i kanala s fiksnom brzinom. Također uključuje i druge funkcije kodeka, uključujući: detektor glasovne aktivnosti (VAD); Funkcija diskontinuiranog prijenosa (DTX) za GSM; i funkcionalnost kontrolirane brzine izvora (SCR) za UMTS aplikacije. Daljnja funkcionalnost uključuje unutarpojasnu signalizaciju za prijenos načina kodeka i prilagodbu veze za kontrolu izbora načina.

AMR-WB kodek ima brzinu uzorkovanja od 16 kHz, a kodiranje se izvodi u blokovima od 20 ms. Koriste se dva frekvencijska opsega: 50-6400 Hz i 6400-7000 Hz. Oni se kodiraju odvojeno kako bi se smanjila složenost kodeka. Ovaj split također služi za usmjeravanje alociranja bita u subjektivno najvažniji frekvencijski opseg.

Donji frekvencijski opseg koristi ACELP algoritam kodeka, iako su uključene brojne dodatne značajke za poboljšanje subjektivne kvalitete zvuka. Analiza linearnog predviđanja provodi se jednom u okviru od 20 ms. Također, fiksne i prilagodljive uzbudne šifrarnice pretražuju se svakih 5 ms radi postizanja optimalnih vrijednosti parametara kodeka.

Opseg viših frekvencija dodaje glasu neke osobine prirodnosti i osobnosti. Zvuk se rekonstruira pomoću parametara iz donjeg pojasa, kao i uz slučajno pobuđivanje. Kako je razina snage u ovom opsegu manja od razine donjeg pojasa, pojačanje se podešava u odnosu na donji opseg, ali na temelju glasovnih informacija. Sadržaj signala višeg opsega rekonstruira se upotrebom linearnog prediktivnog filtra koji generira informacije iz filtra donjeg pojasa.


AMR-WB kodek
Bit rate
(kbps)
Bilješke
6.60Ovo je najniža stopa za AMR-WB. Koristi se za veze s komutiranim krugovima za GSM i UMTS, a namijenjena je korištenju samo privremeno tijekom teških uvjeta radio kanala ili tijekom zagušenja mreže.
8.85To daje poboljšanu kvalitetu brzinom od 6,6 kbps, ali opet, njegova se upotreba preporučuje samo za uporabu u razdobljima zagušenja ili kada je u ozbiljnim uvjetima radio kanala.
12.65Ovo je glavna brzina prijenosa koja se koristi za GSM i UMTS s komutiranim krugovima, nudeći superiorne performanse izvornom AMR kodeku.
14.25Veća brzina prijenosa koristi se za čišći govor i posebno je korisna kada su razine ambijentalnog zvuka visoke.
15.85Veća brzina prijenosa koristi se za čišći govor i posebno je korisna kada su razine ambijentalnog zvuka visoke.
18.25Veća brzina prijenosa koristi se za čišći govor i posebno je korisna kada su razine ambijentalnog zvuka visoke.
19.85Veća brzina prijenosa koristi se za čišći govor i posebno je korisna kada su razine ambijentalnog zvuka visoke.
23.05Ne preporučuje se za GSM kanale pune brzine.
23.85Nije preporučljivo za GSM kanale pune brzine i pruža kvalitetu govora sličnu kvaliteti G.722 pri 64 kbps.

Neće svi telefoni opremljeni AMR-WB moći pristupiti svim brzinama prijenosa podataka - na primjer, različite funkcije telefona ne moraju zahtijevati da svi budu aktivni. Kao rezultat toga, potrebno je obavijestiti mrežu o dostupnim cijenama i na taj način pojednostaviti pregovaranje između mobilne slušalice i mreže. Da bi se to postiglo, dostupne su tri razlike u AMR-WB konfiguracijama:

  • Konfiguracija A: 6,6, 8,85 i 12,65 kbit / s
  • Konfiguracija B: 6,6, 8,85, 12,65 i 15,85 kbit / s
  • Konfiguracija C: 6,6, 8,85, 12,65 i 23,85 kbit / s

Vidljivo je da se koriste samo načini 23,85, 15,85, 12,65, 8,85 i 6,60 kbit / s. Na temelju testova slušanja, smatralo se da je ovih pet načina dovoljno za visokokvalitetnu uslugu govorne telefonije. Ostale brzine prijenosa podataka zadržane su i mogu se koristiti u druge svrhe, uključujući multimedijske poruke, strujanje zvuka itd.

Iako su opisani kao GSM kodeci, koriste se i u brojnim drugim područjima - neka se koriste s glasom s komutiranim krugom koji se koristi u UMTS-u. Izvedba kodeka poboljšala se od uvođenja prvih GSM kodeka: poboljšana je kvaliteta govora zajedno sa potrebnom propusnošću.

Teme bežičnog i žičnog povezivanja:
Osnove mobilne komunikacije2G GSM3G UMTS4G LTE5GWiFiIEEE 802.15.4DECT bežični telefoniNFC- Komunikacija na blizinuOsnove umrežavanjaŠto je CloudEthernetSerijski podaciUSBSigFoxLoRaVoIPSDNNFVSD-WAN
Vratite se na bežično i žično povezivanje


Gledaj video: Voice Codecs (Siječanj 2022).