Exercise 3.5: GSM Full Rate Vocoder

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LPC-, LTP- und RPE-Parameter beim GSM-Vollraten-Codec

Dieser $1991$ für das GSM–System standardisierte Codec – dieses Kunstwort steht für eine gemeinsame Realisierung von Coder und Decoder – mit der englischen Bezeichnung $\color{red}{\boldsymbol {\rm „GSM \ Fullrate \ Vocoder”}}$ kombiniert drei verschiedene Methoden der Sprachsignalkompression:

• Linear Predictive Coding (LPC),
• Long Term Prediction (LTP) und
• Regular Pulse Excitation (RPE).

Die in der Grafik angegebenen Zahlen geben die Anzahl der Bits an, die von den drei Einheiten dieses Sprachcodecs pro Rahmen ($20 \ \rm ms$ Dauer) generiert werden. Anzumerken ist dabei, dass LTP und RPE nicht rahmenweise, sondern mit Unterblöcken von $5$ Millisekunden arbeiten. Dies hat jedoch keinen Einfluss auf die Lösung der Aufgabe.

Das Eingangssignal in obiger Grafik ist das digitalisierte Sprachsignal $s_{\rm R}(n)$. Dieses entsteht aus dem analogen Sprachsignal $s(t)$ durch

• eine geeignete Begrenzung auf die Bandbreite $B$,
• Abtastung mit der Abtastrate $f_{\rm A} = 8 \ \rm kHz$,
• Quantisierung mit $13 \ \rm Bit$ und
• anschließender Segmentierung in Blöcke zu je $20 \ \rm ms$.

Auf die weiteren Aufgaben der Vorverarbeitung soll hier nicht näher eingegangen werden.

Hinweis:

Diese Aufgabe gehört zum Themengebiet Sprachcodierung.

Fragebogen

1

Auf welche Bandbreite muss das Sprachsignal begrenzt werden?

$B \ = \ $ $\ \rm kHz$

2

Aus wievielen Abtastwerten ($N_{\rm R}$) besteht ein Sprachrahmen? Wie groß ist die Eingangsdatenrate $R_{\rm In}$?

$N_{\rm R} \ = \ $

$R_{\rm In} \ = \ $ $\ \rm kbit/s$

3

Wie groß ist die Ausgangsdatenrate $R_{\rm Out}$ des GSM-Vollraten-Codecs?

$R_{\rm Out} \ = \ $ $\ \rm kbit/s$

4

Welche Aussagen treffen hinsichtlich des Blocks „LPC” zu?

	LPC macht eine Kurzzeitprädiktion über eine Millisekunde.
	Die $36$ LPC–Bits sind Filterkoeffizienten, die beim Empfänger genutzt werden, um die LPC–Filterung rückgängig zu machen.
	Das Filter zur Langzeitprädiktion ist rekursiv.
	Der LPC–Ausgang ist identisch mit seinem Eingang $s_{\rm R}(t)$.

5

Welche Aussagen sind hinsichtlich des Blocks „LTP” zutreffend?

	Es werden periodische Strukturen des Sprachsignals entfernt.
	Die Langzeitprädiktion wird pro Rahmen einmal durchgeführt.
	Das Gedächtnis des LTP–Prädiktors beträgt bis zu $15 \ \rm ms$.

6

Welche Aussagen treffen für den Block „RPE” zu?

	RPE liefert weniger Informationen als LPC und LTP.
	RPE entfernt für den subjektiven Eindruck unwichtige Anteile.
	RPE unterteilt jeden Subblock nochmals in vier Teilfolgen.
	RPE wählt davon die Teilfolge mit der minimalen Energie aus.

Musterlösung

Solution

(1)  (2)  (3)  (4)  (5)  (6)  (7)