Difference between revisions of "Aufgaben:Exercise 3.4Z: GSM Full-Rate Voice Codec"

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[[File:EN_Mob_A_3_4_Z.png|right|frame|LPC-, LTP- und RPE-Parameter beim GSM-Vollraten-Codec]]
 
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Dieser 1991 für das GSM–System standardisierte Codec – dieses Kunstwort steht für eine gemeinsame Realisierung von Coder und Decoder – mit der englischen Bezeichnung ''GSM Fullrate Vocoder''   kombiniert drei Methoden zur Kompression von Sprachsignalen:
+
This codec called ''GSM Fullrate Vocoder''  (which was standardized for the GSM system in 1991) stands for a joint realization of coder and decoder and combines three methods for the compression of speech signals:
 
*Linear Predictive Coding ('''LPC'''),
 
*Linear Predictive Coding ('''LPC'''),
*Long Term Prediction ('''LTP'''), und
+
*Long Term Prediction ('''LTP'''), and
*Regular Pulse Excitation ('''RPE''').
+
*Regular Pulse Excitation ('''RPE''' ).
  
  
Die in der Grafik angegebenen Zahlen geben die Bitzahl an, die von den drei Einheiten dieses FR–Sprachcodecs pro Rahmen von jeweils  $20$  Millisekunden Dauer generiert werden.
+
The numbers shown in the graph indicate the number of bits generated by the three units of this FR speech codec per frame of  $20$  millisecond duration each.
  
Anzumerken ist dabei, dass LTP und RPE im Gegensatz zu LPC nicht rahmenweise, sondern mit Unterblöcken von  $5$  Millisekunden arbeiten. Dies hat jedoch keinen Einfluss auf die Lösung der Aufgabe.
+
It should be noted that LTP and RPE, unlike LPC, do not work frame by frame, but with sub-blocks of  $5$  milliseconds. However, this has no influence on solving the task.
  
Das Eingangssignal in obiger Grafik ist das digitalisierte Sprachsignal   $s_{\rm R}(n)$.  
+
The input signal in the above graphic is the digitalized speech signal   $s_{\rm R}(n)$.  
  
Dieses entsteht aus dem analogen Sprachsignal  $s(t)$  durch
+
This results from the analog speech signal  $s(t)$  by
*eine geeignete Begrenzung auf die Bandbreite  $B$,
+
*a suitable limitation to the bandwidth  $B$,
*Abtastung mit der Abtastrate  $f_{\rm A} = 8 \ \rm kHz$,
+
*sampling at the sampling rate  $f_{\rm A} = 8 \ \rm kHz$,
*Quantisierung mit  $13 \ \rm Bit$,
+
*quantization with  $13 \ \rm Bit$,
*anschließender Segmentierung in Blöcke zu je  $20 \ \rm ms$.
+
*following segmentation into blocks of each $20 \ \rm ms$.
  
 +
The further tasks of preprocessing will not be discussed in detail here.
  
Auf die weiteren Aufgaben der Vorverarbeitung soll hier nicht näher eingegangen werden.
 
  
  
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''Notes:''
  
''Hinweise:''
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*This exercise belongs to the chapter   [[Mobile_Kommunikation/Gemeinsamkeiten_von_GSM_und_UMTS|Gemeinsamkeiten von GSM und
 
 
*Diese Aufgabe gehört zum Kapitel   [[Mobile_Kommunikation/Gemeinsamkeiten_von_GSM_und_UMTS|Gemeinsamkeiten von GSM und
 
 
  UMTS]].   
 
  UMTS]].   
*Bezug genommen wird auch auf das Kapitel   [[Beispiele_von_Nachrichtensystemen/Sprachcodierung|Sprachcodierung]]   des Buches „Beispiele von Nachrichtensystemen”.
+
*Reference is also made to the Chapter   [[Beispiele_von_Nachrichtensystemen/Sprachcodierung|Sprachcodierung]]   des Buches „Beispiele von Nachrichtensystemen”.
 
   
 
   
  
  
  
===Fragebogen===
+
===Questionnaire===
  
 
<quiz display=simple>
 
<quiz display=simple>
  
{Auf welche Bandbreite&nbsp; $B$&nbsp; muss das Sprachsignal begrenzt werden?
+
{To which bandwidth&nbsp; $B$&nbsp; must the speech signal be limited?
 
|type="{}"}
 
|type="{}"}
 
$B \ = \ $ { 4 3% } $\ \rm kHz$
 
$B \ = \ $ { 4 3% } $\ \rm kHz$
  
{Aus wie vielen Abtastwerten&nbsp; $(N_{\rm R})$&nbsp; besteht ein Sprachrahmen? Wie groß ist die Eingangsdatenrate&nbsp; $R_{\rm In}$?
+
{Of How many samples&nbsp; $(N_{\rm R})$&nbsp; is there a language frame? How large is the input data rate&nbsp; $R_{\rm In}$?
 
|type="{}"}
 
|type="{}"}
$N_{\rm R} \hspace{0.18cm} = \ $ { 160 3% } $\ \rm Abtastwerte$
+
$N_{\rm R} \hspace{0.18cm} = \ $ { 160 3% } $\ \rm samples$
 
$R_{\rm In} \hspace{0.15cm} = \ $ { 104 3% } $\ \rm kbit/s$
 
$R_{\rm In} \hspace{0.15cm} = \ $ { 104 3% } $\ \rm kbit/s$
  
{Wie groß ist die Ausgangsdatenrate&nbsp; $R_{\rm Out}$ des GSM-Vollraten-Codecs?
+
{What is the output data rate&nbsp; $R_{\rm Out}$ of the GSM full rate codec?
 
|type="{}"}
 
|type="{}"}
 
$R_{\rm Out} \ = \ $ { 13 3% } $\ \rm kbit/s$
 
$R_{\rm Out} \ = \ $ { 13 3% } $\ \rm kbit/s$
  
  
{Welche Aussagen treffen hinsichtlich des Blocks „LPC” zu?
+
{Which statements apply to the block "LPC"?
 
|type="[]"}
 
|type="[]"}
+ LPC macht eine Kurzzeitprädiktion über eine Millisekunde.
+
+ LPC makes a short-term prediction over one millisecond.
+ Die&nbsp; $36$&nbsp; LPC–Bits geben Koeffizienten an, die der Empfänger nutzt, um die LPC–Filterung rückgängig zu machen.
+
+ The&nbsp; $36$&nbsp; LPC bits specify coefficients that the receiver uses to undo the LPC filtering.
- Das Filter zur Kurzzeitprädiktion ist rekursiv.
+
- The filter for short-term prediction is recursive.
- Das LPC–Ausgangssignal ist identisch mit dem Eingang&nbsp;  $s_{\rm R}(t)$.
+
- The LPC output signal is identical to the input&nbsp;  $s_{\rm R}(t)$.
  
{Welche Aussagen sind hinsichtlich des Blocks „LTP” zutreffend?
+
{Which statements regarding the block „LTP” are true?
 
|type="[]"}
 
|type="[]"}
+ LTP entfernt periodische Strukturen des Sprachsignals.
+
+ LTP removes periodic structures of the speech signal.
- Die Langzeitprädiktion wird pro Rahmen einmal durchgeführt.
+
- The long-term prediction is performed once per frame.
+ Das Gedächtnis des LTP–Prädiktors beträgt bis zu&nbsp;  $15 \ \rm ms$.
+
+ The memory of the LTP predictor is up to&nbsp;  $15 \ \rm ms$.
  
{Welche Aussagen treffen für den Block „RPE” zu?
+
{Which statements apply to the block "RPE"?
 
|type="[]"}
 
|type="[]"}
- RPE liefert weniger Bits als LPC und LTP.
+
- RPE delivers fewer bits than LPC and LTP.
+ RPE entfernt für den subjektiven Eindruck unwichtige Anteile.
+
+ RPE removes unimportant parts for the subjective impression.
+ RPE unterteilt jeden Subblock nochmals in vier Teilfolgen.
+
+ RPE subdivides each sub-block into four sub-sequences.
- RPE wählt davon die Teilfolge mit der minimalen Energie aus.
+
- RPE selects the subsequence with the minimum energy.
  
 
</quiz>
 
</quiz>
  
===Musterlösung===
+
===Sample solution===
 
{{ML-Kopf}}
 
{{ML-Kopf}}
  
'''(1)'''&nbsp; Um das Abtasttheorem zu erfüllen, darf die Bandbreite $B$ nicht größer als $ f_{\rm A}/2 \hspace{0.15cm}\underline{= 4 \ \rm kHz}$ sein.
+
'''(1)'''&nbsp; To satisfy the sampling theorem, the bandwidth $B$ must not exceed $ f_{\rm A}/2 \hspace{0.15cm}\underline{= 4 \ \ \rm kHz}$.
  
  
  
'''(2)'''&nbsp; Aus der gegebenen Abtastrate $f_{\rm A} = 8 \ \rm kHz$ ergibt sich ein Abstand zwischen einzelnen Samples von $T_{\rm A} = 0.125 \ \rm ms$.  
+
'''(2)'''&nbsp; The given sampling rate $f_{\rm A} = 8 \ \rm kHz$ results in a distance between individual samples of $T_{\rm A} = 0.125 \ \rm ms$.  
*Somit besteht ein Sprachrahmen von $(20 {\rm ms})$ aus $N_{\rm R} = 20/0.125 = \underline{160 \ \rm Abtastwerten}$, jeweils quantisiert mit $13 \ \rm Bit$.  
+
*Thus a speech frame of $(20 {\rm ms})$ consists of $N_{\rm R} = 20/0.125 = \underline{160 \ \rm samples}$, each quantized with $13 \ \rm Bit$.  
*Die Datenrate beträgt somit
+
*The data rate is thus
 
:$$R_{\rm In} = \frac{160 \cdot 13}{20 \,{\rm ms}} \hspace{0.15cm} \underline {= 104\,{\rm kbit/s}}\hspace{0.05cm}.$$
 
:$$R_{\rm In} = \frac{160 \cdot 13}{20 \,{\rm ms}} \hspace{0.15cm} \underline {= 104\,{\rm kbit/s}}\hspace{0.05cm}.$$
  
  
  
'''(3)'''&nbsp;  Aus der Grafik ist ersichtlich, dass pro Sprachrahmen $36 \ {\rm (LPC)} + 36 \ {\rm (LTP)} + 188 \ {\rm (RPE)} = 260 \ \rm Bit$ ausgegeben werden.  
+
'''(3)'''&nbsp;  The graph shows that per speech frame $36 \ {\rm (LPC)} + 36 \ {\rm (LTP)} + 188 \ {\rm (RPE)} = 260 \ \ \rm Bit$ are output.  
*Daraus berechnet sich die Ausgangsdatenrate zu
+
*From this the output data rate is calculated as
 
:$$R_{\rm Out} = \frac{260}{20 \,{\rm ms}} \hspace{0.15cm} \underline {= 13\,{\rm kbit/s}}\hspace{0.05cm}.$$
 
:$$R_{\rm Out} = \frac{260}{20 \,{\rm ms}} \hspace{0.15cm} \underline {= 13\,{\rm kbit/s}}\hspace{0.05cm}.$$
*Der vom Vollraten–Sprachcodec erzielte Kompressionsfaktor ist somit $104/13 = 8$.
+
*The compression factor achieved by the full rate speech codec is thus $104/13 = $8.
  
  
  
'''(4)'''&nbsp; Nur die <u>beiden ersten Aussagen</u> sind zutreffend:  
+
'''(4)'''&nbsp; Only the <u> first two statements</u> are true:  
*Die 36 LPC&ndash;Bits beschreiben insgesamt acht Filterkoeffizienten eines nichtrekursiven Filters, wobei aus der Kurzzeitanalyse acht AKF&ndash;Werte ermittelt und diese nach der so genannten Schur-Rekursion in Reflexionsfaktoren $r_{k}$ umgerechnet werden.  
+
*The 36 LPC&ndash;bits describe a total of eight filter coefficients of a non-recursive filter, whereby eight acf&ndash;values are determined from the short-term analysis and where these are converted into reflection factors $r_{k}$ after the so-called Schur recursion.  
*Aus diesen werden die acht LAR&ndash;Koeffizienten nach der Funktion ${\rm ln}[(1 - r_{k})/(1 + r_{k})]$ berechnet, mit einer unterschiedlichen Anzahl an Bits quantisiert und zum Empfänger geschickt.
+
*From these the eight LAR&ndash;coefficients are calculated according to the function ${\rm ln}[(1 - r_{k})/(1 + r_{k})]$, quantized with a different number of bits and sent to the receiver.
*Das LPC–Ausgangssignal besitzt gegenüber seinem Eingang $s_{\rm R}(n)$ eine deutlich kleinere Amplitude, hat einen deutlich reduzierten Dynamikumfang und ein flacheres Spektrum.
+
*The LPC output signal has a significantly lower amplitude than its input $s_{\rm R}(n)$, and it has a significantly reduced dynamic range and a flatter spectrum.
  
  
  
'''(5)'''&nbsp; Richtig sind die <u>die Aussagen 1 und 3</u>, nicht jedoch die zweite:  
+
'''(5)'''&nbsp; Correct are the <u>the statements 1 and 3</u>, but not the second:  
 
*Die LTP&ndash;Analyse und &ndash;Filterung erfolgt blockweise alle $5 \ \rm ms$ (40 Abtastwerte), also viermal pro Sprachrahmen.  
 
*Die LTP&ndash;Analyse und &ndash;Filterung erfolgt blockweise alle $5 \ \rm ms$ (40 Abtastwerte), also viermal pro Sprachrahmen.  
 
*Man bildet hierzu die Kreuzkorrelationsfunktion (KKF) zwischen dem aktuellen und den drei vorangegangenen Subblöcken.  
 
*Man bildet hierzu die Kreuzkorrelationsfunktion (KKF) zwischen dem aktuellen und den drei vorangegangenen Subblöcken.  

Revision as of 20:16, 28 June 2020


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

This codec called GSM Fullrate Vocoder  (which was standardized for the GSM system in 1991) stands for a joint realization of coder and decoder and combines three methods for the compression of speech signals:

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


The numbers shown in the graph indicate the number of bits generated by the three units of this FR speech codec per frame of  $20$  millisecond duration each.

It should be noted that LTP and RPE, unlike LPC, do not work frame by frame, but with sub-blocks of  $5$  milliseconds. However, this has no influence on solving the task.

The input signal in the above graphic is the digitalized speech signal  $s_{\rm R}(n)$.

This results from the analog speech signal  $s(t)$  by

  • a suitable limitation to the bandwidth  $B$,
  • sampling at the sampling rate  $f_{\rm A} = 8 \ \rm kHz$,
  • quantization with  $13 \ \rm Bit$,
  • following segmentation into blocks of each $20 \ \rm ms$.

The further tasks of preprocessing will not be discussed in detail here.




Notes:



Questionnaire

1

To which bandwidth  $B$  must the speech signal be limited?

$B \ = \ $

$\ \rm kHz$

2

Of How many samples  $(N_{\rm R})$  is there a language frame? How large is the input data rate  $R_{\rm In}$?

$N_{\rm R} \hspace{0.18cm} = \ $

$\ \rm samples$
$R_{\rm In} \hspace{0.15cm} = \ $

$\ \rm kbit/s$

3

What is the output data rate  $R_{\rm Out}$ of the GSM full rate codec?

$R_{\rm Out} \ = \ $

$\ \rm kbit/s$

4

Which statements apply to the block "LPC"?

LPC makes a short-term prediction over one millisecond.
The  $36$  LPC bits specify coefficients that the receiver uses to undo the LPC filtering.
The filter for short-term prediction is recursive.
The LPC output signal is identical to the input  $s_{\rm R}(t)$.

5

Which statements regarding the block „LTP” are true?

LTP removes periodic structures of the speech signal.
The long-term prediction is performed once per frame.
The memory of the LTP predictor is up to  $15 \ \rm ms$.

6

Which statements apply to the block "RPE"?

RPE delivers fewer bits than LPC and LTP.
RPE removes unimportant parts for the subjective impression.
RPE subdivides each sub-block into four sub-sequences.
RPE selects the subsequence with the minimum energy.


Sample solution

(1)  To satisfy the sampling theorem, the bandwidth $B$ must not exceed $ f_{\rm A}/2 \hspace{0.15cm}\underline{= 4 \ \ \rm kHz}$.


(2)  The given sampling rate $f_{\rm A} = 8 \ \rm kHz$ results in a distance between individual samples of $T_{\rm A} = 0.125 \ \rm ms$.

  • Thus a speech frame of $(20 {\rm ms})$ consists of $N_{\rm R} = 20/0.125 = \underline{160 \ \rm samples}$, each quantized with $13 \ \rm Bit$.
  • The data rate is thus
$$R_{\rm In} = \frac{160 \cdot 13}{20 \,{\rm ms}} \hspace{0.15cm} \underline {= 104\,{\rm kbit/s}}\hspace{0.05cm}.$$


(3)  The graph shows that per speech frame $36 \ {\rm (LPC)} + 36 \ {\rm (LTP)} + 188 \ {\rm (RPE)} = 260 \ \ \rm Bit$ are output.

  • From this the output data rate is calculated as
$$R_{\rm Out} = \frac{260}{20 \,{\rm ms}} \hspace{0.15cm} \underline {= 13\,{\rm kbit/s}}\hspace{0.05cm}.$$
  • The compression factor achieved by the full rate speech codec is thus $104/13 = $8.


(4)  Only the first two statements are true:

  • The 36 LPC–bits describe a total of eight filter coefficients of a non-recursive filter, whereby eight acf–values are determined from the short-term analysis and where these are converted into reflection factors $r_{k}$ after the so-called Schur recursion.
  • From these the eight LAR–coefficients are calculated according to the function ${\rm ln}[(1 - r_{k})/(1 + r_{k})]$, quantized with a different number of bits and sent to the receiver.
  • The LPC output signal has a significantly lower amplitude than its input $s_{\rm R}(n)$, and it has a significantly reduced dynamic range and a flatter spectrum.


(5)  Correct are the the statements 1 and 3, but not the second:

  • Die LTP–Analyse und –Filterung erfolgt blockweise alle $5 \ \rm ms$ (40 Abtastwerte), also viermal pro Sprachrahmen.
  • Man bildet hierzu die Kreuzkorrelationsfunktion (KKF) zwischen dem aktuellen und den drei vorangegangenen Subblöcken.
  • Für jeden Subblock werden dabei eine LTP–Verzögerung und eine LTP–Verstärkung ermittelt, die am besten zum Subblock passen.
  • Berücksichtigt wird hierbei auch ein Korrektursignal der nachfolgenden Komponente „RPE”.
  • Bei der Langzeitprädiktion ist wie bei der LPC der Ausgang gegenüber dem Eingang redundanzvermindert.


(6)  Richtig sind die Aussagen 2 und 3:

  • Dass die Aussage 1 falsch ist, erkennt man schon aus der Grafik auf der Angabenseite, da $188$ der $260$ Ausgabebits von der RPE stammen. Sprache wäre schon allein mit RPE (ohne LPC und LTP) verständlich.
  • Zur letzten Aussage: Die RPE sucht natürlich die Teilfolge mit der maximalen Energie. Die RPE–Pulse sind eine Teilfolge (13 von 40 Abtastwerte) zu je drei Bit pro Teilrahmen von $5 \ \rm ms$ und dementsprechend $12 \ \rm Bit$ pro $20 \ \rm ms$–Rahmen.
  • Der „RPE–Pulse” belegt somit $13 \cdot 12 = 156$ der $260$ Ausgabebits.


Genaueres zum RPE–Block finden Sie auf der Seite RPE–Codierung des Buches „Beispiele von Nachrichtensystemen”.