![Page 1: Kwantowanie sygnałów analogowychcygnus.tele.pw.edu.pl/.../kwantowanie_pd_prez.pdf · Kwantowanie sygnałów analogowych na przykładzie sygnału mowy Przemysław Dymarski, Instytut](https://reader033.vdocuments.pub/reader033/viewer/2022053023/605234f038bc3c48c05b0d0a/html5/thumbnails/1.jpg)
Kwantowanie sygnałów analogowych na przykładzie sygnału mowy
Przemysław Dymarski, Instytut Telekomunikacji Politechniki Warszawskiej
Treść wykładu:
Sygnał mowy i jego właściwości
Kwantowanie skalarne: kwantyzator równomierny,
nierównomierny, adaptacyjny
Zastosowanie w koderze PCM G.711
Kwantowanie wektorowe
Kodowanie różnicowe, predykcja, kodery ADPCM
Kodery telefonii komórkowej (CELP)
Wokoder predykcyjny
![Page 2: Kwantowanie sygnałów analogowychcygnus.tele.pw.edu.pl/.../kwantowanie_pd_prez.pdf · Kwantowanie sygnałów analogowych na przykładzie sygnału mowy Przemysław Dymarski, Instytut](https://reader033.vdocuments.pub/reader033/viewer/2022053023/605234f038bc3c48c05b0d0a/html5/thumbnails/2.jpg)
Literatura: K.Sayood “Kompresja danych – wprowadzenie”, Wyd. RM, W-wa 2002
A.Drozdek “Wprowadzenie do kompresji danych”
R.Tadeusiewicz "Sygnał mowy“
W.Skarbek ”MULTIMEDIA – algorytmy i standardy kompresji”
T.P.Zieliński « Cyfrowe przetwarzanie sygnałów – od teorii do zastosowań »,
WKiŁ, Warszawa 2005
T.P.Zieliński « Cyfrowe przetwarzanie sygnałów w telekomunikacji »,
PWN, Warszawa 2014
![Page 3: Kwantowanie sygnałów analogowychcygnus.tele.pw.edu.pl/.../kwantowanie_pd_prez.pdf · Kwantowanie sygnałów analogowych na przykładzie sygnału mowy Przemysław Dymarski, Instytut](https://reader033.vdocuments.pub/reader033/viewer/2022053023/605234f038bc3c48c05b0d0a/html5/thumbnails/3.jpg)
1. Sygnał mowy i jego modele
Badanie jakości sygnału mowy
![Page 4: Kwantowanie sygnałów analogowychcygnus.tele.pw.edu.pl/.../kwantowanie_pd_prez.pdf · Kwantowanie sygnałów analogowych na przykładzie sygnału mowy Przemysław Dymarski, Instytut](https://reader033.vdocuments.pub/reader033/viewer/2022053023/605234f038bc3c48c05b0d0a/html5/thumbnails/4.jpg)
Sygnał mowy
![Page 5: Kwantowanie sygnałów analogowychcygnus.tele.pw.edu.pl/.../kwantowanie_pd_prez.pdf · Kwantowanie sygnałów analogowych na przykładzie sygnału mowy Przemysław Dymarski, Instytut](https://reader033.vdocuments.pub/reader033/viewer/2022053023/605234f038bc3c48c05b0d0a/html5/thumbnails/5.jpg)
Próbkowanie sygnału analogowego
Tw. o próbkowaniu (Shannon, Nyquist, Kotelnikow):
Próbkowanie jest procesem bezstratnym (można odzyskać sygnał
analogowy bez zniekształceń), jeśli częstotliwość próbkowania (tzn.
liczba próbek na sekundę) jest większa niż 2B, gdzie B jest
szerokością pasma sygnału analogowego.
BfTs 21
Próbkowanie idealne
Próbkowanie chwilowe
Claude Shannon
1916 - 2001
Harry Nyquist
1889 - 1976
Vladimir Kotelnikov
1908 - 2005
![Page 6: Kwantowanie sygnałów analogowychcygnus.tele.pw.edu.pl/.../kwantowanie_pd_prez.pdf · Kwantowanie sygnałów analogowych na przykładzie sygnału mowy Przemysław Dymarski, Instytut](https://reader033.vdocuments.pub/reader033/viewer/2022053023/605234f038bc3c48c05b0d0a/html5/thumbnails/6.jpg)
Ocena jakości mowy: metody subiektywne (odsłuchowe)
• MOS – mean opinion score (oceny od 1 do 5)
• Wyrazistość logatomowa (%) = odtworzenie ze słuchu krótkich
słów pozbawionych semantycznego znaczenia, np. tra, bru
• zastosowanie zdań nieprzewidywalnych semantycznie
(SUS - Semantically Unpredictable Sentences),
np. Umysł ugrzązł podczas marsowego wiadra
![Page 7: Kwantowanie sygnałów analogowychcygnus.tele.pw.edu.pl/.../kwantowanie_pd_prez.pdf · Kwantowanie sygnałów analogowych na przykładzie sygnału mowy Przemysław Dymarski, Instytut](https://reader033.vdocuments.pub/reader033/viewer/2022053023/605234f038bc3c48c05b0d0a/html5/thumbnails/7.jpg)
Metody obiektywne:
SNR jako najprostszy obiektywny wskaźnik jakości
![Page 8: Kwantowanie sygnałów analogowychcygnus.tele.pw.edu.pl/.../kwantowanie_pd_prez.pdf · Kwantowanie sygnałów analogowych na przykładzie sygnału mowy Przemysław Dymarski, Instytut](https://reader033.vdocuments.pub/reader033/viewer/2022053023/605234f038bc3c48c05b0d0a/html5/thumbnails/8.jpg)
Metody obiektywne:
SNR w ujęciu segmentowym
![Page 9: Kwantowanie sygnałów analogowychcygnus.tele.pw.edu.pl/.../kwantowanie_pd_prez.pdf · Kwantowanie sygnałów analogowych na przykładzie sygnału mowy Przemysław Dymarski, Instytut](https://reader033.vdocuments.pub/reader033/viewer/2022053023/605234f038bc3c48c05b0d0a/html5/thumbnails/9.jpg)
Maskowanie szumu
widmo sygnału
widmo szumu
Metody obiektywne uwzględniające maskowanie:
- PESQ (ITU-T P.862)
- POLQA (ITU-T P.863)
Wynik: MOS w skali 1-5
![Page 10: Kwantowanie sygnałów analogowychcygnus.tele.pw.edu.pl/.../kwantowanie_pd_prez.pdf · Kwantowanie sygnałów analogowych na przykładzie sygnału mowy Przemysław Dymarski, Instytut](https://reader033.vdocuments.pub/reader033/viewer/2022053023/605234f038bc3c48c05b0d0a/html5/thumbnails/10.jpg)
Kwantyzacja skalarna
{xn} - zbiór próbek, {x*n} – próbki skwantowane
y1 y2,… yL
xn
x*n
![Page 11: Kwantowanie sygnałów analogowychcygnus.tele.pw.edu.pl/.../kwantowanie_pd_prez.pdf · Kwantowanie sygnałów analogowych na przykładzie sygnału mowy Przemysław Dymarski, Instytut](https://reader033.vdocuments.pub/reader033/viewer/2022053023/605234f038bc3c48c05b0d0a/html5/thumbnails/11.jpg)
Kwantyzacja skalarna
{xn} - zbiór próbek, {x*n} – próbki skwantowane
y1 y2,… yL
xn
x*n
Kwantyzacja jest procesem stratnym
![Page 12: Kwantowanie sygnałów analogowychcygnus.tele.pw.edu.pl/.../kwantowanie_pd_prez.pdf · Kwantowanie sygnałów analogowych na przykładzie sygnału mowy Przemysław Dymarski, Instytut](https://reader033.vdocuments.pub/reader033/viewer/2022053023/605234f038bc3c48c05b0d0a/html5/thumbnails/12.jpg)
Kwantyzacja równomierna
2
2
3122
1212
1212 )(
L
zLz
e
2
2
2
2
2
3 Lz
SNR x
e
x
21010
210 log10log20][3log10][ LzdBdBSNR x
(gdy nie ma przesterowania)
Zwiększenie rozdzielczości o 1 bit na próbkę:
-> podwojenie liczby poziomów
-> 2-krotne zmniejszenie amplitudy błędu kwantyzacji
-> 4-krotne zmniejszenie mocy błędu kwantyzacji
-> 4-krotne (o 6 dB) zwiększenie SNR
Zasada „6 dB/bit”
![Page 13: Kwantowanie sygnałów analogowychcygnus.tele.pw.edu.pl/.../kwantowanie_pd_prez.pdf · Kwantowanie sygnałów analogowych na przykładzie sygnału mowy Przemysław Dymarski, Instytut](https://reader033.vdocuments.pub/reader033/viewer/2022053023/605234f038bc3c48c05b0d0a/html5/thumbnails/13.jpg)
Charakterystyki kwantyzatora równomiernego
![Page 14: Kwantowanie sygnałów analogowychcygnus.tele.pw.edu.pl/.../kwantowanie_pd_prez.pdf · Kwantowanie sygnałów analogowych na przykładzie sygnału mowy Przemysław Dymarski, Instytut](https://reader033.vdocuments.pub/reader033/viewer/2022053023/605234f038bc3c48c05b0d0a/html5/thumbnails/14.jpg)
Kwantyzacja nierównomierna (logarytmiczna)
Zasady logarytmicznej nie można stosować dla x~0 gdyż wymagałoby to użycia
nieskończonej liczby poziomów kwantyzacji. Z tego względu dla sygnałów o małej amplitudzie
kwantyzator logarytmiczny przechodzi w równomierny (stosowane są dwa algorytmy:
A i µ). Pociąga to za sobą spadek SNR dla tych sygnałów.
Kwantyzatory logarytmiczne A i µ stosowane są w najpopularniejszym standardzie
PCM G.711 (pasmo sygnału mowy 300-3400 Hz, częstotliwość próbkowania 8 kHz, L=256
poziomów kwantyzacji, n=8 bitów na próbkę, przepływność binarna 64 kbit/s)
Zasada logarytmiczna: (x) proporcjonalne do x
![Page 15: Kwantowanie sygnałów analogowychcygnus.tele.pw.edu.pl/.../kwantowanie_pd_prez.pdf · Kwantowanie sygnałów analogowych na przykładzie sygnału mowy Przemysław Dymarski, Instytut](https://reader033.vdocuments.pub/reader033/viewer/2022053023/605234f038bc3c48c05b0d0a/html5/thumbnails/15.jpg)
Charakterystyki kwantyzatorów
a) równomierny
b) logarytmiczny typu A
c) logarytmiczny typu µ
d) optymalny dla sygnału o mocy -25 dB
![Page 16: Kwantowanie sygnałów analogowychcygnus.tele.pw.edu.pl/.../kwantowanie_pd_prez.pdf · Kwantowanie sygnałów analogowych na przykładzie sygnału mowy Przemysław Dymarski, Instytut](https://reader033.vdocuments.pub/reader033/viewer/2022053023/605234f038bc3c48c05b0d0a/html5/thumbnails/16.jpg)
Kwantyzacja adaptacyjna
1. Adaptacja w przód (MPEG Audio)
brak przesterowań
opóźnienie
przesyłanie z
Zakres pracy z podąża za amplitudą sygnału
![Page 17: Kwantowanie sygnałów analogowychcygnus.tele.pw.edu.pl/.../kwantowanie_pd_prez.pdf · Kwantowanie sygnałów analogowych na przykładzie sygnału mowy Przemysław Dymarski, Instytut](https://reader033.vdocuments.pub/reader033/viewer/2022053023/605234f038bc3c48c05b0d0a/html5/thumbnails/17.jpg)
Kwantyzacja adaptacyjna
2. Adaptacja wstecz (ADPCM)
np. kwantyzator 4-poziomowy
przesterowania
brak opóźnień
nie przesyła się z
![Page 18: Kwantowanie sygnałów analogowychcygnus.tele.pw.edu.pl/.../kwantowanie_pd_prez.pdf · Kwantowanie sygnałów analogowych na przykładzie sygnału mowy Przemysław Dymarski, Instytut](https://reader033.vdocuments.pub/reader033/viewer/2022053023/605234f038bc3c48c05b0d0a/html5/thumbnails/18.jpg)
Kwantyzator wektorowy
VQ - vector quantizer
P(f1),...,P(fL):
komórki Voronoi’a
Georgij Voronij
![Page 19: Kwantowanie sygnałów analogowychcygnus.tele.pw.edu.pl/.../kwantowanie_pd_prez.pdf · Kwantowanie sygnałów analogowych na przykładzie sygnału mowy Przemysław Dymarski, Instytut](https://reader033.vdocuments.pub/reader033/viewer/2022053023/605234f038bc3c48c05b0d0a/html5/thumbnails/19.jpg)
Kwantyzator wektorowy
VQ - vector quantizer
( ) *j jx P f x f
Przewaga VQ nad kwantyzatorem skalarnym:
- wykorzystanie korelacji między kolejnymi N próbkami
- wykorzystanie właściwości wielowymiarowej gęstości
prawdopodobieństwa próbek
![Page 20: Kwantowanie sygnałów analogowychcygnus.tele.pw.edu.pl/.../kwantowanie_pd_prez.pdf · Kwantowanie sygnałów analogowych na przykładzie sygnału mowy Przemysław Dymarski, Instytut](https://reader033.vdocuments.pub/reader033/viewer/2022053023/605234f038bc3c48c05b0d0a/html5/thumbnails/20.jpg)
ADPCM (adaptive differential pulse code modulation)
Modulator
Demodulator
nx
p
nx
p
nx
n*
n
*
n
*
nx
*
nx
-sygnał wejściowy
-sygnał różnicowy (błąd predykcji)
-sygnał predykcji
-skwantowany syg. różnicowy
-sygnał wyjściowy
-błąd kwantyzacji
nx
n
p
nx
*
n
*
nx
nnne *
nnnnnnnn exxxxe ***
![Page 21: Kwantowanie sygnałów analogowychcygnus.tele.pw.edu.pl/.../kwantowanie_pd_prez.pdf · Kwantowanie sygnałów analogowych na przykładzie sygnału mowy Przemysław Dymarski, Instytut](https://reader033.vdocuments.pub/reader033/viewer/2022053023/605234f038bc3c48c05b0d0a/html5/thumbnails/21.jpg)
qp
e
x
e
x SNRGSNR 2
2
2
2
2
2
-zysk predykcji (zależy od predyktora)
-SNR kwantyzatora (w kwantyzatorze adaptacyjnym
zależy głównie od liczby poziomów kwantyzacji L)
][][][ dBSNRdBGdBSNR qp
2
2
xpG
2
2
e
qSNR
ADPCM (adaptive differential pulse code modulation)
![Page 22: Kwantowanie sygnałów analogowychcygnus.tele.pw.edu.pl/.../kwantowanie_pd_prez.pdf · Kwantowanie sygnałów analogowych na przykładzie sygnału mowy Przemysław Dymarski, Instytut](https://reader033.vdocuments.pub/reader033/viewer/2022053023/605234f038bc3c48c05b0d0a/html5/thumbnails/22.jpg)
Kodery CELP (Code Excited Linear Prediction)
na przykładzie G.728
- Operacje na wektorach N=5 -wymiarowych
(stąd opóźnienie 0.625ms)
- Przesyła się indeks wybranego wektora (j) w 7 bitach
i wzmocnienie g w 3 bitach. Razem 10 bitów na N=5 próbek,
czyli 2 bity na próbkę, co daje przepływność binarną
2 • 8000=16000 bit/s
dekoder
koder
filtr syntezy (predykcyjny)
![Page 23: Kwantowanie sygnałów analogowychcygnus.tele.pw.edu.pl/.../kwantowanie_pd_prez.pdf · Kwantowanie sygnałów analogowych na przykładzie sygnału mowy Przemysław Dymarski, Instytut](https://reader033.vdocuments.pub/reader033/viewer/2022053023/605234f038bc3c48c05b0d0a/html5/thumbnails/23.jpg)
Wokodery od kilkuset do około 2400 bit/s
d=1: mowa dźwięczna
d=0: mowa bezdźwięczna
T0 - okres tonu krtaniowego (okres drgań strun głosowych)
Można wyróżnić więcej klas pobudzeń:
![Page 24: Kwantowanie sygnałów analogowychcygnus.tele.pw.edu.pl/.../kwantowanie_pd_prez.pdf · Kwantowanie sygnałów analogowych na przykładzie sygnału mowy Przemysław Dymarski, Instytut](https://reader033.vdocuments.pub/reader033/viewer/2022053023/605234f038bc3c48c05b0d0a/html5/thumbnails/24.jpg)
Porównanie standardów kodowania mowy