mr nenad krajnović, dipl. inž. e-mail:...

75
Kompresija govora Mr Nenad Krajnović, dipl. inž. E-mail: [email protected]

Upload: others

Post on 24-Mar-2020

1 views

Category:

Documents


0 download

TRANSCRIPT

Page 1: Mr Nenad Krajnović, dipl. inž. E-mail: krajko@etf.bg.actelekomunikacije.etf.bg.ac.rs/predmeti/ot4ipt/Kompresija_govora.pdf · računarska analiza z rezultat je u jakoj korelaciji

Kompresija govora

Mr Nenad Krajnović, dipl. inž.E-mail: [email protected]

Page 2: Mr Nenad Krajnović, dipl. inž. E-mail: krajko@etf.bg.actelekomunikacije.etf.bg.ac.rs/predmeti/ot4ipt/Kompresija_govora.pdf · računarska analiza z rezultat je u jakoj korelaciji

2

Zašto kompresija?

U analognim telefonskim sistemima govor se prenos u frekvencijskom opsegu od 300Hz do 3,4 kHz – ukupno 3,1 kHzŠirina telefonskog kanala je 4 kHz (razlika postoji zbog nesavršenosti elektronskih komponenti)Da bi se audio signal prenosio kroz digitalni sistem prenosa, mora da se digitalizuje

Page 3: Mr Nenad Krajnović, dipl. inž. E-mail: krajko@etf.bg.actelekomunikacije.etf.bg.ac.rs/predmeti/ot4ipt/Kompresija_govora.pdf · računarska analiza z rezultat je u jakoj korelaciji

3

Digitalizacija govora

Teorema o odabiranju:Ako kontinualna funkcija vremena f(t) ima spektar koji se nalazi u intervalu učestanosti od 0 do fm

, onda je ta funkcija u potpunosti definisana svojim trenutnim vrednostima, uzetim u ekvidistantnim tačkama na apscisi koje obrazuju niz čiji je interval Δt=1/(2fm

)

Page 4: Mr Nenad Krajnović, dipl. inž. E-mail: krajko@etf.bg.actelekomunikacije.etf.bg.ac.rs/predmeti/ot4ipt/Kompresija_govora.pdf · računarska analiza z rezultat je u jakoj korelaciji

4

Digitalizacija govora

Telefonski govorni kanal zauzima opseg do 4kHz pa je prema teoremi odabiranja učestanost odabiranja 8kHzSvaki odbirak se koduje sa 8 bita što nam daje protok po telefonskom kanalu od 64kb/sPCM – Pulse Code Modulation -definisano u okviru ITU-T G.711 preporuke

Page 5: Mr Nenad Krajnović, dipl. inž. E-mail: krajko@etf.bg.actelekomunikacije.etf.bg.ac.rs/predmeti/ot4ipt/Kompresija_govora.pdf · računarska analiza z rezultat je u jakoj korelaciji

5

Digitalizacija govora

Preporuka predviđa načina kodovanja signala: A-law i µ-lawU Evropi se koristi A-law dok se u Americi koristi µ-lawNa linku između dva sistema koji koriste različite sisteme kodovanja, koristi se A-law

Page 6: Mr Nenad Krajnović, dipl. inž. E-mail: krajko@etf.bg.actelekomunikacije.etf.bg.ac.rs/predmeti/ot4ipt/Kompresija_govora.pdf · računarska analiza z rezultat je u jakoj korelaciji

6

A-law i µ-law

Ova dva zakona kompresije obezbeđuju efektivnih 12-13 bita a da se u suštini prenosi samo 8 bita po odbirkuNastali u trenutku kada tehnologija nije omogućavala korišćenje naprednijih algoritama kompresije

Page 7: Mr Nenad Krajnović, dipl. inž. E-mail: krajko@etf.bg.actelekomunikacije.etf.bg.ac.rs/predmeti/ot4ipt/Kompresija_govora.pdf · računarska analiza z rezultat je u jakoj korelaciji

7

Digitalizacija govora

Razvoj tehnike omogućio da se umesto PCM obrade koriste napredniji algoritmi kompresije govoraDrugi algoritam je baziran na ADPCM-u (adaptivna diferencijalna PCM) i definisan je u okviru preporuke ITU-T G.726Koduje se samo razlika između dva odbirka i u zavisnosti od broja bita koji se koriste imamo sisteme sa 16kb/s, 24kb/s, 32kb/s i 40kb/s

Page 8: Mr Nenad Krajnović, dipl. inž. E-mail: krajko@etf.bg.actelekomunikacije.etf.bg.ac.rs/predmeti/ot4ipt/Kompresija_govora.pdf · računarska analiza z rezultat je u jakoj korelaciji

8

Digitalizacija govora

Novi napredak napravljen pojavom vocoder-skih algoritamaOvi algoritmi uzimaju u obzir specifične karakteristike govornog signala prilikom kompresije signalaITU-T G.723.1, G.728, G.729Pored ovih, postoje i drugi koderi: GSM koder, Skype,...

Page 9: Mr Nenad Krajnović, dipl. inž. E-mail: krajko@etf.bg.actelekomunikacije.etf.bg.ac.rs/predmeti/ot4ipt/Kompresija_govora.pdf · računarska analiza z rezultat je u jakoj korelaciji

9

ITU-T G.723.1

Obezbeđuje kompresiju govora na 5,3kb/s i 6,3kb/sKod kodovanja sa 5,3kb/s koristi se ACELP (Algebraic-Code-Excited Linear-Prediction) algoritam dok kod 6,3kb/s kodovanja se koristi MP-MLQ (Multipulse Maximum Likelihood Quantization) algoritamVeličina frame-a za kodovanje je 30ms uz dodatne transformacije u trajanju do 7,5ms, ukupno kašnjenje kodera je 37,5ms

Page 10: Mr Nenad Krajnović, dipl. inž. E-mail: krajko@etf.bg.actelekomunikacije.etf.bg.ac.rs/predmeti/ot4ipt/Kompresija_govora.pdf · računarska analiza z rezultat je u jakoj korelaciji

10

ITU-T G.723.1 – Annex A

Ovaj Aneks na preporuku definiše način kompresije tišine korišćenjem VAD-a (Voice Activity Detector) i CNG-a (Comfort Noice Generator)

Page 11: Mr Nenad Krajnović, dipl. inž. E-mail: krajko@etf.bg.actelekomunikacije.etf.bg.ac.rs/predmeti/ot4ipt/Kompresija_govora.pdf · računarska analiza z rezultat je u jakoj korelaciji

11

ITU-T G.723.1 – Annex C

Modifikacija originalne preporuke sa šemom kodovanja za primenu u wireless sistemimaOmogućava protoke od 0,7kb/s do 14,3kb/s, u zavisnosti od stanja u komunikacionom kanaluNe uvodu dodatno kašnjenje u obradu tako da i dalje imamo inicijalno kašnjenje od 37,5 ms

Page 12: Mr Nenad Krajnović, dipl. inž. E-mail: krajko@etf.bg.actelekomunikacije.etf.bg.ac.rs/predmeti/ot4ipt/Kompresija_govora.pdf · računarska analiza z rezultat je u jakoj korelaciji

12

ITU-T G.729

Obezbeđuje kompresiju govora na 8kb/sKod kodovanja se koristi CS-ACELP (Conjugate-Structure Algebraic-Code-Excited Linear-Prediction) algoritamVeličina frame-a za kodovanje je 10ms u kome se nalazi 80 odbiraka uzetih sa 8kHz učestanošću

Page 13: Mr Nenad Krajnović, dipl. inž. E-mail: krajko@etf.bg.actelekomunikacije.etf.bg.ac.rs/predmeti/ot4ipt/Kompresija_govora.pdf · računarska analiza z rezultat je u jakoj korelaciji

13

ITU-T G.729 – Annex A

Ovaj aneks je u potpunosti kompatibilan sa osnovnom preporukom ali je smanjio kompleksnost osnovnog algoritma kompresijeMala degradacija kvaliteta govora u odnosu na osnovnu specifikaciju standarda

Page 14: Mr Nenad Krajnović, dipl. inž. E-mail: krajko@etf.bg.actelekomunikacije.etf.bg.ac.rs/predmeti/ot4ipt/Kompresija_govora.pdf · računarska analiza z rezultat je u jakoj korelaciji

14

ITU-T G.729 – Annex B

Definiše način uvođenja potiskivanja tišine za ovaj standard i način implementacijePredviđa uvođenje VAD (Voice Activity Detector), DTX (Discontiuous Transmission) i CNG (Comfort Noice Generator)

Page 15: Mr Nenad Krajnović, dipl. inž. E-mail: krajko@etf.bg.actelekomunikacije.etf.bg.ac.rs/predmeti/ot4ipt/Kompresija_govora.pdf · računarska analiza z rezultat je u jakoj korelaciji

15

ITU-T G.729 – Annex D

Proširenje standarda koje omogućava kodovanje kanala sa 6,4kb/s Koristi ACELP algoritam kodovanjaIma bolji kvalitet nego G.729 sa protokom od 24kb/s

Page 16: Mr Nenad Krajnović, dipl. inž. E-mail: krajko@etf.bg.actelekomunikacije.etf.bg.ac.rs/predmeti/ot4ipt/Kompresija_govora.pdf · računarska analiza z rezultat je u jakoj korelaciji

16

ITU-T G.729 – Annex E

Proširenje standarda koje omogućava kodovanje kanala sa 11,8kb/s

Page 17: Mr Nenad Krajnović, dipl. inž. E-mail: krajko@etf.bg.actelekomunikacije.etf.bg.ac.rs/predmeti/ot4ipt/Kompresija_govora.pdf · računarska analiza z rezultat je u jakoj korelaciji

17

Kvalitet kompresije govora

Veliki broj algoritama kompresije govora jasno govori da kvalitet komprimovanog govora nije isti kod svih algoritamaŠta sve utiče na kvalitet digitalizovanog govora?

Page 18: Mr Nenad Krajnović, dipl. inž. E-mail: krajko@etf.bg.actelekomunikacije.etf.bg.ac.rs/predmeti/ot4ipt/Kompresija_govora.pdf · računarska analiza z rezultat je u jakoj korelaciji

18

Kvalitet

u VoIP aplikacijama

ključni zahtev za VoIP aplikacije:kvalitet kao u javnoj telefonskoj mreži (toll quality)

“korekcije”:–

cena

funkcionalnostkompromis kvalitet-cena-funkcionalnost

Page 19: Mr Nenad Krajnović, dipl. inž. E-mail: krajko@etf.bg.actelekomunikacije.etf.bg.ac.rs/predmeti/ot4ipt/Kompresija_govora.pdf · računarska analiza z rezultat je u jakoj korelaciji

19

Parametri

kvaliteta

kapacitet sistema (kapaciteti linkova, rutera...)dostupnost mrežnih resursa (verovatnoća blokade)servisi dodatne vrednosti koji se nude korisniku:

konferencijske vezemogućnosti identifikacije dolaznog poziva i sl.

mogućnost skaliranja kapaciteta mreže

specifično za VoIP - kvalitet prenetog govora

Page 20: Mr Nenad Krajnović, dipl. inž. E-mail: krajko@etf.bg.actelekomunikacije.etf.bg.ac.rs/predmeti/ot4ipt/Kompresija_govora.pdf · računarska analiza z rezultat je u jakoj korelaciji

20

Kvalitet

prenetog

govora

ocena kvaliteta je subjektivnasubjektivnapostoji standardizacija ocena ali su ocene, u suštini, subjektivne

problemi pri prenosu kroz paketske mreže, koji direktno utiču na kvalitet govora:

varijacija kašnjenjagubitak paketaeho

kašnjenje

Page 21: Mr Nenad Krajnović, dipl. inž. E-mail: krajko@etf.bg.actelekomunikacije.etf.bg.ac.rs/predmeti/ot4ipt/Kompresija_govora.pdf · računarska analiza z rezultat je u jakoj korelaciji

21

Kašnjenje

problemi kao posledica kašnjenja:

prihvatljivo kašnjenje: ne postoji apsolutna mera

u prirodi

komunikacije: •

neprijatnost

kod

slušaoca

istovremeni

govor

više korisnika

tehnički:•

problem pojave

eha

?? ?

Prema ITU-T G.114:

odlično dobro loše neprihvatljivo

0 150 300 450 [ms]

Page 22: Mr Nenad Krajnović, dipl. inž. E-mail: krajko@etf.bg.actelekomunikacije.etf.bg.ac.rs/predmeti/ot4ipt/Kompresija_govora.pdf · računarska analiza z rezultat je u jakoj korelaciji

22

Uzroci

kašnjenja

WAN

gateway gateway

ruter ruter

kašnjenje

kroz

mrežukakaššnjenjenjenje

krozkroz

mremrežžuu

modem

modem

modem

modem

gateway gateway

PSTNPSTN

kašnjenje

u pristupu

mreži

kašnjenje

u pristupu

mreži

Page 23: Mr Nenad Krajnović, dipl. inž. E-mail: krajko@etf.bg.actelekomunikacije.etf.bg.ac.rs/predmeti/ot4ipt/Kompresija_govora.pdf · računarska analiza z rezultat je u jakoj korelaciji

23

Kašnjenje

kroz

gateway

IPPSTNinterfejs

prema telefonskoj

mreži

interfejs prema

IP

mrežiDSP

zanemarljivo kašnjenje kroz interfejs prematelefonskoj mreži; gateway unosi kašnjenje kroz:

DSPIP interfejs

Page 24: Mr Nenad Krajnović, dipl. inž. E-mail: krajko@etf.bg.actelekomunikacije.etf.bg.ac.rs/predmeti/ot4ipt/Kompresija_govora.pdf · računarska analiza z rezultat je u jakoj korelaciji

24

obradu vrši DSP - rasterećenje procesorapodaci dolaze na pojedinačnu obraduefikasnije: vršiti obradu nad paketom podatakamanje vreme obradepaket = DSP ram

DSP -

povećanje

efikasnosti

čekanje da se ram oformi, unosi dodatno kašnjenjekompromis: efikasnost DSP-kašnjenje

Page 25: Mr Nenad Krajnović, dipl. inž. E-mail: krajko@etf.bg.actelekomunikacije.etf.bg.ac.rs/predmeti/ot4ipt/Kompresija_govora.pdf · računarska analiza z rezultat je u jakoj korelaciji

25

Parametri kompresije govora

Metod kompresije Protok [kb/s]

Kompleksnost obrade [MIPS]

Veličina DSP okvira [ms] MOS ocena

G.711 PCM 64 0,34 0,125 4,1

G.726 ADPCM 32 14 0,125 3,85

G.728 LD-CELP 16 33 0,625 3,61

G.729 CS-ACELP 8 20 10 3,92

G.729 x2 encoding 8 20 10 3,27

G.729 x3 encoding 8 20 10 2,68

G.729a CS-ACELP 8 10,5 10 3,7

G.723.1 MPMLQ 6,3 16 30 3,9

G.723.1 ACELP 5,3 16 30 3,65

Page 26: Mr Nenad Krajnović, dipl. inž. E-mail: krajko@etf.bg.actelekomunikacije.etf.bg.ac.rs/predmeti/ot4ipt/Kompresija_govora.pdf · računarska analiza z rezultat je u jakoj korelaciji

26

Kašnjenje zbog kompresije

Metoda kompresije Protok [kb/s]

Kašnjenje [ms]

G.711 PCM 64 0,75G.726 ADPCM 32 1G.728 LD-CELP 16 3 do 5G.729 CS-ACELP 8 10G.729a CS-ACELP 8 10G.723.1 MPMLQ 6,3 30G.723.1 ACELP 5,3 30

Detaljniji podaci u preporuci ITU-T G.114.

Page 27: Mr Nenad Krajnović, dipl. inž. E-mail: krajko@etf.bg.actelekomunikacije.etf.bg.ac.rs/predmeti/ot4ipt/Kompresija_govora.pdf · računarska analiza z rezultat je u jakoj korelaciji

27

Ocene

kvalitetaITU-T P.800 -Methods for subjective determination of transmission qualityLaboratorija

Sagovornici sede u zvučno izolovanim prostorijamaZapremina prostorije ne sme da bude manja od 20m3 (za handsfree sisteme zapremina ne sme da bude manja od 30m3)Vreme reverberacije manje od 500ms (tipično 200-300ms)Nivo spoljne buke mora da bude što manji, tipično da odgovara nivou buke u biblioteci

MOS - Mean Opinion Scoreocenjuje grupa slušalacaocene 1-5; 4 - toll quality

Page 28: Mr Nenad Krajnović, dipl. inž. E-mail: krajko@etf.bg.actelekomunikacije.etf.bg.ac.rs/predmeti/ot4ipt/Kompresija_govora.pdf · računarska analiza z rezultat je u jakoj korelaciji

28

Ocene kvaliteta

P.862 (PSQM - Perceptual Speech Quality Measurement)računarska analizarezultat je u jakoj korelaciji sa MOSnamenjen analizi pri komutaciji kola, ne uzima u obzir džiter i gubitak paketa

PAMS (Perceptual Analysis/Measurement System)standard British Telecom-ajaka korelacija sa MOS ocenom; pogodan za paketsku komutaciju

veliki uticaj netehnoloških parametara na kriterijum (npr. specifičnosti jezika...)

Page 29: Mr Nenad Krajnović, dipl. inž. E-mail: krajko@etf.bg.actelekomunikacije.etf.bg.ac.rs/predmeti/ot4ipt/Kompresija_govora.pdf · računarska analiza z rezultat je u jakoj korelaciji

29

IPPSTN DSP

Kašnjenje

kroz

gateway

Interfejs

premaIP mreži

interfejsprema

telefonskojmreži

baferisanje

i paketizacijadžiter

bafer

IPsteak

Page 30: Mr Nenad Krajnović, dipl. inž. E-mail: krajko@etf.bg.actelekomunikacije.etf.bg.ac.rs/predmeti/ot4ipt/Kompresija_govora.pdf · računarska analiza z rezultat je u jakoj korelaciji

31

Izlazno

baferisanje

rezultati različitih algoritama kompresijemoraju se (ako postoje) smestiti u isti ram:

G.723.1G.729A

10ms 10ms 10mska TCP/IP steku

Page 31: Mr Nenad Krajnović, dipl. inž. E-mail: krajko@etf.bg.actelekomunikacije.etf.bg.ac.rs/predmeti/ot4ipt/Kompresija_govora.pdf · računarska analiza z rezultat je u jakoj korelaciji

32

IP paketizacija

dodavanje header-a TCP/IP steka pri formiranjuIP datagramana IP nivou, za VoIP aplikacije:

podaciRTPUDPIP

40 bajtova < 24

veliki overhead ! rešenje: više ramova u jednom paketu - smanjenioverhead i potrebni protok

Page 32: Mr Nenad Krajnović, dipl. inž. E-mail: krajko@etf.bg.actelekomunikacije.etf.bg.ac.rs/predmeti/ot4ipt/Kompresija_govora.pdf · računarska analiza z rezultat je u jakoj korelaciji

33

izlaz iz kodera je “voice payload” !!!za G.729:

dodavanjem IP/UDP/RTP header-a protok se sa 8 kbps povećava na oko 15 kbpsna fizičkom nivou, protok se povećava na

20-25 kbps u slučaju Ethernet-a15-20 kbps za PPP protokol

Napomena:

podaciRTPUDPIP

40 bajtova 20-60

Page 33: Mr Nenad Krajnović, dipl. inž. E-mail: krajko@etf.bg.actelekomunikacije.etf.bg.ac.rs/predmeti/ot4ipt/Kompresija_govora.pdf · računarska analiza z rezultat je u jakoj korelaciji

34

x kašnjenje[ms]

IP paketizacija

(uticaj

na

kašnjenje)

*40

*24

*18.7*16

x 10x 20

x 30x 40

broj

paketau datagramu

1 2 3 4

*protok[kbps]

G.729A

5 6

x 50x 60

*14.4*13.3

Page 34: Mr Nenad Krajnović, dipl. inž. E-mail: krajko@etf.bg.actelekomunikacije.etf.bg.ac.rs/predmeti/ot4ipt/Kompresija_govora.pdf · računarska analiza z rezultat je u jakoj korelaciji

35

Varijacija

kašnjenja

(džiter)

prosleđivanju paketa na prijemu mora da prethodi korekcijatoka - tzv. dedžiterizacijadžiter bafer usporava pakete tako da i najsporiji stignu dabudu prosleđeni korisniku ispravnim redosledom

prijemnik

neophodnaveličina

bafera

predajnik

kašnjenje varira od paketa do paketa

Page 35: Mr Nenad Krajnović, dipl. inž. E-mail: krajko@etf.bg.actelekomunikacije.etf.bg.ac.rs/predmeti/ot4ipt/Kompresija_govora.pdf · računarska analiza z rezultat je u jakoj korelaciji

36

Varijacija

kašnjenja

(džiter)

veličina bafera se, zavisno od karakteristika saobraćaja(mreže), zadaje unapred ili dinamički menjau IP mrežama se posmatra odnos paketa koji zakasne i kojisu uspešno primljeni; željeni odnos je unapred definisan, a bafer se dinamički menja tako da zadovolji zadati odnos

prijemnik

neophodnaveličina

bafera

predajnik

Page 36: Mr Nenad Krajnović, dipl. inž. E-mail: krajko@etf.bg.actelekomunikacije.etf.bg.ac.rs/predmeti/ot4ipt/Kompresija_govora.pdf · računarska analiza z rezultat je u jakoj korelaciji

37

Džiter

bafer

-

kašnjenje

veći bafer:sistem otporniji na džiter

× veće kašnjenjemanji bafer:

× više izgubljenih

paketamanje kašnjenje

prijemnik

neophodnaveličina

bafera

predajnik

Page 37: Mr Nenad Krajnović, dipl. inž. E-mail: krajko@etf.bg.actelekomunikacije.etf.bg.ac.rs/predmeti/ot4ipt/Kompresija_govora.pdf · računarska analiza z rezultat je u jakoj korelaciji

38

mreža 1:prosečno kašnjenje 50 msdžiter 10mspotreban bafer 55ms

mreža 2:prosečno kašnjenje 15 ms

90% vremena 5ms10% vremena 100ms

džiter 95 mspotreban bafer 100 ms

Analiza

kašnjenja

usled

džitera

mreža 1

mreža 2

Detaljniji podaci u preporuci ITU-T Y.1541.

Page 38: Mr Nenad Krajnović, dipl. inž. E-mail: krajko@etf.bg.actelekomunikacije.etf.bg.ac.rs/predmeti/ot4ipt/Kompresija_govora.pdf · računarska analiza z rezultat je u jakoj korelaciji

39

Kašnjenje

kroz

mrežu

vreme pristupa medijumu:100 bajta preko 28.8 Kbps 30 ms (do 200ms!)

2 Mbps

0.4 ms100 Mbps

0.008 ms

CD-CSMA - kolizije i zagušenja višestrukopovećavaju kašnjenjedial-up pristup - kašnjenje reda 200 ms

Page 39: Mr Nenad Krajnović, dipl. inž. E-mail: krajko@etf.bg.actelekomunikacije.etf.bg.ac.rs/predmeti/ot4ipt/Kompresija_govora.pdf · računarska analiza z rezultat je u jakoj korelaciji

40

round-trip kašnjenje je 202.6 msprocesiranje, baferisanje, prenos, trelis modulacija...

od toga ~80 ms otpada na V.42 detekciju i korekciju greškei V.42bis kompresijusa onemogućenim V.42/V.42.bis funkcijama kašnjenje se smanjuje na 131.4 ms

Specifičnosti

“dial-up”

pristupa

IPPSTN

modem V.34

modem

NAPOMENA: razmatrano G.723.1 (6.3 kbps), 60 ms/paket, V.34 28.8 kbps

Page 40: Mr Nenad Krajnović, dipl. inž. E-mail: krajko@etf.bg.actelekomunikacije.etf.bg.ac.rs/predmeti/ot4ipt/Kompresija_govora.pdf · računarska analiza z rezultat je u jakoj korelaciji

41

Kašnjenje

kroz

mrežu (...)

Firewall i Proxy serveri dodatno smanjujuprotokizbegavaju se u VoIP aplikacijama: primenjuje se filtriranje paketa koje zaposledicu ima manje kašnjenje, na račun smanjene zaštiteopterećeni proxy unosi 0.5s kašnjenja, što je za VoIP apsolutno neprihvatljivo

Page 41: Mr Nenad Krajnović, dipl. inž. E-mail: krajko@etf.bg.actelekomunikacije.etf.bg.ac.rs/predmeti/ot4ipt/Kompresija_govora.pdf · računarska analiza z rezultat je u jakoj korelaciji

42

Kašnjenje

pri

rutiranju

rutiranje znatno utiče na džiterVoIP je bolji na Intranetu nego na Internetu:

manje kašnjenjeMANJI DŽITER

ruteri: best-effort princip je nedovoljan za real-timepoboljšanja kroz nove protokole koji klasifikuju saobraćaj(prioritetizacija, rezervisanje resursa,...)administrator mreže u skladu sa politikom

uvodi prioritetedodeljuje prava na rezervisanje resursa

Page 42: Mr Nenad Krajnović, dipl. inž. E-mail: krajko@etf.bg.actelekomunikacije.etf.bg.ac.rs/predmeti/ot4ipt/Kompresija_govora.pdf · računarska analiza z rezultat je u jakoj korelaciji

43

Rutiranje

-

prioriteti

i rezervacije

više protokola koji ubrzavaju prolazakvremenski kritičnih paketa kroz rutergeneralno, dva principa:

rezervisanje resursa: Integrated Service (IntServ) arhitektura, RSVP protokolprioritetizacija: Differentiated Service (DiffServ) arhitektura

Page 43: Mr Nenad Krajnović, dipl. inž. E-mail: krajko@etf.bg.actelekomunikacije.etf.bg.ac.rs/predmeti/ot4ipt/Kompresija_govora.pdf · računarska analiza z rezultat je u jakoj korelaciji

44

Prioritetizacija

posledica prioriteta: LAN mreže: 15 kbps prema 10-100 Mbps je

zanemarljivoWAN mreže: usporavanje data paketa kada god postoje VoIP paketi; za pristup WAN-u

28.8kbps-256kbps: podaci nisu real-time> 256kbps: opseg potreban za VoIP je zanemarljiv

dataVoIP

Page 44: Mr Nenad Krajnović, dipl. inž. E-mail: krajko@etf.bg.actelekomunikacije.etf.bg.ac.rs/predmeti/ot4ipt/Kompresija_govora.pdf · računarska analiza z rezultat je u jakoj korelaciji

45

data VoIP

dugački paketi podataka usporavaju ostale

Prioritetizacija

-

nedovoljna

neophodna fragmentacija

prioritetizacija + fragmentacija = “VoIP friendly network”

Page 45: Mr Nenad Krajnović, dipl. inž. E-mail: krajko@etf.bg.actelekomunikacije.etf.bg.ac.rs/predmeti/ot4ipt/Kompresija_govora.pdf · računarska analiza z rezultat je u jakoj korelaciji

46

Načini

realizovanja

fragmentacije

dva pristupa:statički: ruter se programira da sve pakete deli nasegmentedinamički: ruter deli sve pakete ali samo u prisustvuVoIP paketa :

RSVP protokol: gateway pri uspostavi sesije zahteva da ruter deli sve pakete, ali samo za vreme trajanja poziva

fragmentacija dodaje 5-10 % overhead-a - druginačin poboljšava efikasnost rutera u odsustvu VoIP paketa

Page 46: Mr Nenad Krajnović, dipl. inž. E-mail: krajko@etf.bg.actelekomunikacije.etf.bg.ac.rs/predmeti/ot4ipt/Kompresija_govora.pdf · računarska analiza z rezultat je u jakoj korelaciji

47

Fragmentacija

-

trajanje

segmenta

protok

dužina

[bajt] / kašnjenje

[ms]

kašnjenje

~30ms[kbps]

1

64

128

256

512

1024

1500

[dužina

paketa]

56 0.143

9

18

36

72

144

214

256

64

0.125

8

16

32

64

128

187

256

128

0.0625

4

8

16

32

64

93

512

256

0.031

2

4

8

16

32

46

1024

512

0.015

1

2

4

8

16

23

2048

768

0.010

0.64

1.28

2.56

5.12

10.24

15

3072

1536

0.005

0.32

0.64

1.28

2.56

5.12

7.5

6144

Page 47: Mr Nenad Krajnović, dipl. inž. E-mail: krajko@etf.bg.actelekomunikacije.etf.bg.ac.rs/predmeti/ot4ipt/Kompresija_govora.pdf · računarska analiza z rezultat je u jakoj korelaciji

48

Gubitak

paketa

IP ne garantuje isporuku već samo best-effort servis: paketi se pri zagušenju odbacujuu prenosu podataka (data), TCP gubitke nadopunjujeretransmisijomretransmisija je kod real-time komunikacije besmislena - VoIP se oslanja na UDPgeneralno, rešenja potpadaju pod dve klase:

ponavljanje poslednjeg uspešno primljenog paketa umesto izgubljenogslanje redundantne informacije koja na prijemu omogućava regenerisanjeizgubljenog paketa

Page 48: Mr Nenad Krajnović, dipl. inž. E-mail: krajko@etf.bg.actelekomunikacije.etf.bg.ac.rs/predmeti/ot4ipt/Kompresija_govora.pdf · računarska analiza z rezultat je u jakoj korelaciji

49

Ponavljanje

poslednjeg

paketa

4 3 2 1 4 2 2 14 3 2 1

ponavljanje prethodnog:

bez obzira na “trik” paket je izgubljenmetoda je pogodna samo u situacijama kadagubici nisu veliki (npr. Intranet ili drugokontolisano mrežno okruženje)

Page 49: Mr Nenad Krajnović, dipl. inž. E-mail: krajko@etf.bg.actelekomunikacije.etf.bg.ac.rs/predmeti/ot4ipt/Kompresija_govora.pdf · računarska analiza z rezultat je u jakoj korelaciji

50

Redundantne informacije

slanje redundanse (1):paket se ponavlja u okviru narednog

poboljšanje ostvareno na račun povećanjapotrebnog opsega - nepraktično rešenje

4 3 2 1 4 3 2 14+3 3+2 ......

Page 50: Mr Nenad Krajnović, dipl. inž. E-mail: krajko@etf.bg.actelekomunikacije.etf.bg.ac.rs/predmeti/ot4ipt/Kompresija_govora.pdf · računarska analiza z rezultat je u jakoj korelaciji

51

Redundantne informacije

slanje redundanse (2):ponovljeni paket kodiran sa manje bita

bolji od prethodnog sa stanovišta potrebnogprotoka

4 3 2 1 4 3 2 14+3 3+2 ......

Page 51: Mr Nenad Krajnović, dipl. inž. E-mail: krajko@etf.bg.actelekomunikacije.etf.bg.ac.rs/predmeti/ot4ipt/Kompresija_govora.pdf · računarska analiza z rezultat je u jakoj korelaciji

52

FEC metode

korekcije

gubitaka

dva načina:unutar paketa (intra-packet)između paketa (extra-packet)

intra-packet:dodatni biti u okviru paketa omogućavaju detekciju i korekciju grešakanedostatak: šta ako paket nije oštećen nego izgubljen?

extra-packet:dodatni biti za svaki paket se nose u okviru narednog

nedostatak: povećavaju protok do 30%

Page 52: Mr Nenad Krajnović, dipl. inž. E-mail: krajko@etf.bg.actelekomunikacije.etf.bg.ac.rs/predmeti/ot4ipt/Kompresija_govora.pdf · računarska analiza z rezultat je u jakoj korelaciji

53

“Out-of-sequence”

problem

problem je vezan za kašnjenje, a ne zagubitkepaket koji stigne isuviše kasno (tako da nidžiter bafer nije dovoljan da kompenzujenjegovo kašnjenje) biva odbačenprethodno, njegovo mesto je “popunjeno”nekom od metoda za korekciju gubitaka

Page 53: Mr Nenad Krajnović, dipl. inž. E-mail: krajko@etf.bg.actelekomunikacije.etf.bg.ac.rs/predmeti/ot4ipt/Kompresija_govora.pdf · računarska analiza z rezultat je u jakoj korelaciji

54

Eho

u VoIP komunikaciji

WAN

PBX

hibrid

hibrid

problem: povratno kašnjenje > 50 ms

eho se poništava od telefonske ka paketskoj mreži (u gateway-u)dodatni problem: akustički eho

eho:na bližem kraju - nije problemna daljem kraju - treba ga poništiti

Page 54: Mr Nenad Krajnović, dipl. inž. E-mail: krajko@etf.bg.actelekomunikacije.etf.bg.ac.rs/predmeti/ot4ipt/Kompresija_govora.pdf · računarska analiza z rezultat je u jakoj korelaciji

55

Akustički eho

problem akustičkog ehase javlja kod PC-jeva sazvučnicima (rešava se softverski), ali i kodtelefona sa ugrađenimspeakerphonezvučnikom i mikrofonom

Page 55: Mr Nenad Krajnović, dipl. inž. E-mail: krajko@etf.bg.actelekomunikacije.etf.bg.ac.rs/predmeti/ot4ipt/Kompresija_govora.pdf · računarska analiza z rezultat je u jakoj korelaciji

56

Poboljšanje kvaliteta servisa

kontrolisano mrežno okruženjekapacitet unapred poznat (pretpostavlja se - planira)podrazumevane performanse (pod normalnim uslovima)primer: Intranet - jedinstvena administracija cele mreže

dodavanje kontrolnih protokola i mehanizamaIntServ i Diffserv mehanizmi, protokoli RSVP, MPLSomogućavaju kontrolu QoS u mreži

Page 56: Mr Nenad Krajnović, dipl. inž. E-mail: krajko@etf.bg.actelekomunikacije.etf.bg.ac.rs/predmeti/ot4ipt/Kompresija_govora.pdf · računarska analiza z rezultat je u jakoj korelaciji

57

Poboljšanje

kvaliteta

servisa

(...)

unapređenjem karakteristika samog VoIP saobraćaja:

poboljšano kodiranje (proprietary CODEC)specifičan pristup za VoIP dovodi do specifičnihnačina smanjenja potrebnog protoka(potiskivanje tišine)

Page 57: Mr Nenad Krajnović, dipl. inž. E-mail: krajko@etf.bg.actelekomunikacije.etf.bg.ac.rs/predmeti/ot4ipt/Kompresija_govora.pdf · računarska analiza z rezultat je u jakoj korelaciji

58

Protoci

u VoIP aplikacijama

PCM - “osnovni” algoritam za kodiranje govora:kodira opseg 300-3400 Hzizlazni protok 64 kbps

poboljšanje QoS - smanjenje potrebnih protokatehnike smanjivanja protoka:

kompresija header-akompresija govora - informacija se kodirapotiskivanje tišine - tišina se ne prenosi

smanjenje protoka narušen kvalitet

neophodno je utvrditi stepen degradacije signala:standardizovane ocene kvaliteta

Page 58: Mr Nenad Krajnović, dipl. inž. E-mail: krajko@etf.bg.actelekomunikacije.etf.bg.ac.rs/predmeti/ot4ipt/Kompresija_govora.pdf · računarska analiza z rezultat je u jakoj korelaciji

59

Kompresija

header-a

header dužine 40 bajtova (IP/UDP/RTP), komprimuje na 2-4 bajta u većem delu vremenaukoliko se IP datagram emituje na svakih

10 ms, protok je manji za 28.8 kbps20 ms, 14.4 kbps30 ms, 9.6 kbps60 ms, 4.8 kbps

podaciRTPUDPIP

40 bajtova

Page 59: Mr Nenad Krajnović, dipl. inž. E-mail: krajko@etf.bg.actelekomunikacije.etf.bg.ac.rs/predmeti/ot4ipt/Kompresija_govora.pdf · računarska analiza z rezultat je u jakoj korelaciji

60

Kompresija

-

standardi

algoritam

naziv protok

MOS

dužina

rama

perioda

[kbps]

[bajta]

emitovanja

[ms]

G.711

PCM

64 4.4

1

0.125

G.722 *

SB-ADPCM

48,56,64

-

1

0.125G.723.1

ACELP, 5.3

3.4

24 30

MP-MLQ 6.3G.726

ADPCM

16, 24, 32, 40

3.6

2-5 bita

0.125G.728

LD-CELP

16

-

2

0.625

G.729A

CS-ACELP 8

4

10

10

SX7300P -

7.3

3.5

14

15

SX9600

-

9.6 4

18

15

* G.722 koduje

opseg

50Hz -

7kHz

Page 60: Mr Nenad Krajnović, dipl. inž. E-mail: krajko@etf.bg.actelekomunikacije.etf.bg.ac.rs/predmeti/ot4ipt/Kompresija_govora.pdf · računarska analiza z rezultat je u jakoj korelaciji

61

Kompresija

-

standardi

algoritam

naziv protok

na

IP nivou*

na

fizičkom*

[kbps]

[kbps]

Ethernet

G.711

PCM

64

74.6 (65) 82.7 (73.1)

G.722 SB-ADPCM

48,56,64 74.6 (65)

80 (70.4)

G.723.1

ACELP, 5.3

17.1 (7.5)

25.1 (15.5)MP-MLQ 6.3

G.726 ADPCM

16, 24, 32, 40

27-82 (17-72)

35-95(25-85)G.728

LD-CELP

16

36.3 (26.7)

43.5 (34.7)

G.729A

CS-ACELP 8

18.7 (9.1)

26.7 (17.1)

SX7300P -

7.3

18.1 (8.5)

26.1 (16.5)

SX9600

-

9.6

20.3 (10.7)

28.2 (18.6)

NAPOMENA: u zagradama su dati protoci sa header kompresijom* protoci

su

dati

za

periodu

emitovanja

paketa

od

30 ms

Page 61: Mr Nenad Krajnović, dipl. inž. E-mail: krajko@etf.bg.actelekomunikacije.etf.bg.ac.rs/predmeti/ot4ipt/Kompresija_govora.pdf · računarska analiza z rezultat je u jakoj korelaciji

62

Kompresija

-

primer protoka

010203040506070

1 2 3 4 5 6broj DSP ramova u IP paketu

prot

ok [k

bps]

IPEthernetserial PPPIP (h/c)Ethernet (h/c)serial PPP (h/c)

za

G.729/G.729.A (8 kbps):

Page 62: Mr Nenad Krajnović, dipl. inž. E-mail: krajko@etf.bg.actelekomunikacije.etf.bg.ac.rs/predmeti/ot4ipt/Kompresija_govora.pdf · računarska analiza z rezultat je u jakoj korelaciji

63

Potiskivnje

tišine

(silence suppression)

govor je “poludupleks”jedan sagovornik govori 50% vremenapored toga, pravi pauze, zastajerezultat: 60% vremena je tišinateoretski, signal 8 kbps zauzima 3.2 kbps usrednjeno

VAD (Voice Activity Detector) prati govornisignal i omogućava transmisiju samo ukolikoje govor aktivan

Page 63: Mr Nenad Krajnović, dipl. inž. E-mail: krajko@etf.bg.actelekomunikacije.etf.bg.ac.rs/predmeti/ot4ipt/Kompresija_govora.pdf · računarska analiza z rezultat je u jakoj korelaciji

64

VAD (Voice Activity Detector)

VAD periodično ispituje:ukupnu energiju signalaenergiju na niskim učestanostimabroj prolazaka kroz 0

izlaz je 0 ili 1

VAD

koder dekoderkanal

Page 64: Mr Nenad Krajnović, dipl. inž. E-mail: krajko@etf.bg.actelekomunikacije.etf.bg.ac.rs/predmeti/ot4ipt/Kompresija_govora.pdf · računarska analiza z rezultat je u jakoj korelaciji

65

Potiskivanje

tišine

-

nedostaci

pri potiskivanju tišine ne prepoznaju se brzapovećanja energije audio signala - početak reči (deoprvog sloga) je izgubljen

rešenje: naprednije silence suppression tehnologije

problem “mrtve linije:kratke pauze - neprijatno za slušaocaduge pauze - “upadanje” u reč; dužu pauzu slušalactumači kao prekid veze

Page 65: Mr Nenad Krajnović, dipl. inž. E-mail: krajko@etf.bg.actelekomunikacije.etf.bg.ac.rs/predmeti/ot4ipt/Kompresija_govora.pdf · računarska analiza z rezultat je u jakoj korelaciji

66

Problem “mrtve” linije

jedostavno rešenje: kada se signal ne prenosi, namestu prijema se generiše pozadinski šum (comfort noise)

izbegnuta je potpuna tišina na prijemuneprijatan osećaj je donekle umanjen ali nije izbegnut

bolje (i složenije) rešenje je da se do slušaocapovremeno prenese stvarni pozadinski šum koji je prisutan kod sagovornika

Page 66: Mr Nenad Krajnović, dipl. inž. E-mail: krajko@etf.bg.actelekomunikacije.etf.bg.ac.rs/predmeti/ot4ipt/Kompresija_govora.pdf · računarska analiza z rezultat je u jakoj korelaciji

67

VAD

koder dekoderkanalVAD

koderaktivnog

glasa

dekoderaktivnog

glasakanal

Pozadinski

šum (comfort noise)

VAD periodično ispituje:ukupnu energiju signalaenergiju na niskim učestanostimabroj prolazaka kroz 0

izlaz je 0 ili 1

Page 67: Mr Nenad Krajnović, dipl. inž. E-mail: krajko@etf.bg.actelekomunikacije.etf.bg.ac.rs/predmeti/ot4ipt/Kompresija_govora.pdf · računarska analiza z rezultat je u jakoj korelaciji

68

Pozadinski

šum (comfort noise)

neaktivan glas:koder neaktivnog glasa koduje spektar “tišine” sa 15 bitaprati se stanje šuma; informacija se šalje samo ukoliko je došlo do promene

koderneaktivnog

glasadekoder

neaktivnogglasa

VAD

koderaktivnog

glasa

dekoderaktivnog

glasakanal

Page 68: Mr Nenad Krajnović, dipl. inž. E-mail: krajko@etf.bg.actelekomunikacije.etf.bg.ac.rs/predmeti/ot4ipt/Kompresija_govora.pdf · računarska analiza z rezultat je u jakoj korelaciji

69

Pozadinski

šum (comfort noise)

u predajniku pozadinski šum prati DTX modul“stvarni” šum na prijemu generiše CNG modul

koderneaktivnog

glasadekoder

neaktivnogglasa

VAD

koderaktivnog

glasa

dekoderaktivnog

glasakanal

Page 69: Mr Nenad Krajnović, dipl. inž. E-mail: krajko@etf.bg.actelekomunikacije.etf.bg.ac.rs/predmeti/ot4ipt/Kompresija_govora.pdf · računarska analiza z rezultat je u jakoj korelaciji

70

DTX i CNG moduli

DTX - Discontinuous Transmissionprati promene između “neaktivnih” ramovaukoliko je promena značajna, šalje se SID ram (Silence Insertion Descriptor) - informacija koja omogućava da se na prijemugeneriše “stvarni” šum

CNG - Comfort Noise Generatorgeneriše šum na osnovu poslednjeg primljenog SID rama

očuvane su prednosti tehnike potiskivanja tišine, a da pritom slušalac nema utisak da je kvalitetnarušen

Page 70: Mr Nenad Krajnović, dipl. inž. E-mail: krajko@etf.bg.actelekomunikacije.etf.bg.ac.rs/predmeti/ot4ipt/Kompresija_govora.pdf · računarska analiza z rezultat je u jakoj korelaciji

71

3.2 kbps

Primer proračuna

potrebnog

opsega

G.729 8 kbpsbez “tišine” 4.8 kbps

ukupno

7.7 -

17.7 kbps

PCM3.4 64

analog PCMDSP

8

G.729 IP+

PPP 8-18

fizičkinivopot.

tišine 3.2

govor

PHY/PPP/IPoverhead 4.5 -14.5 kbps (sa/bez kompresije header-a)

neaktivnost 2-4.5

na

linku

2 -

4.5 kbps

proračun za

periodu

emitovanja

paketa

30 ms:

Page 71: Mr Nenad Krajnović, dipl. inž. E-mail: krajko@etf.bg.actelekomunikacije.etf.bg.ac.rs/predmeti/ot4ipt/Kompresija_govora.pdf · računarska analiza z rezultat je u jakoj korelaciji

72

Zamke

statistike

link 64Kprotok 2-4.5 kbps na linkumoguće 64/(2-4.5) = 14 - 32 kanala po linku!

uzima se u obzir vršni protokodgovara situaciji kada svi govore istovremenoprotok na fizičkom nivou za PPP 8-18 kbpsmoguće 64/(8-18) = 3-8 kanala po linkuznačaj usrednjavanja:

kanali zauzimaju (usrednjeno) 20-25% linkapreostalih 75-80% je raspoloživo za non real-time tokove

Page 72: Mr Nenad Krajnović, dipl. inž. E-mail: krajko@etf.bg.actelekomunikacije.etf.bg.ac.rs/predmeti/ot4ipt/Kompresija_govora.pdf · računarska analiza z rezultat je u jakoj korelaciji

73

kapacitet

broj

kanala

/ preostali

deo opsega

linka sa

hdr

kompresijom

bez

hdr

komp.

Rezultati

proračuna

sa

usrednjavanjem

28.8

3 22.8

1

24.3

64

8

48

3 50.5

E1-1920

240 1440

106

1443

NAPOMENA: podaci za G.729 /G.729.A

Page 73: Mr Nenad Krajnović, dipl. inž. E-mail: krajko@etf.bg.actelekomunikacije.etf.bg.ac.rs/predmeti/ot4ipt/Kompresija_govora.pdf · računarska analiza z rezultat je u jakoj korelaciji

74

DVRA tehnika

(Micom)

DVRA - Dynamic Voice Rate Adaptionpovećana verovatnoća zagušenja ukoliko:

oversubscribed linkbroj sesija se ne može unapred predvideti

DVRA - dinamički menja potreban opseg:pri zagušenju se potreban opseg smanjuje trenutnopovećava se postepeno

prenos sa redukovanim kvalitetom traje ~100 ms

Page 74: Mr Nenad Krajnović, dipl. inž. E-mail: krajko@etf.bg.actelekomunikacije.etf.bg.ac.rs/predmeti/ot4ipt/Kompresija_govora.pdf · računarska analiza z rezultat je u jakoj korelaciji

76

Umesto

zaključka

trenutno stanje tehnologije i standardizacije ostavljaneka pitanja otvorenimdileme oko standarda:

da li će prevagnuti jedan ili kombinacija više njih?hoće li odluka biti zasnovana na ekonomskim ilitehnološkim parametrima?

prioritetizacija VoIP saobraćajada li rezervacija resursa, prioriteti ili kombinacija?

Page 75: Mr Nenad Krajnović, dipl. inž. E-mail: krajko@etf.bg.actelekomunikacije.etf.bg.ac.rs/predmeti/ot4ipt/Kompresija_govora.pdf · računarska analiza z rezultat je u jakoj korelaciji

Kompresija govora

Mr Nenad Krajnović, dipl. inž.E-mail: [email protected]