Akwizycja sygnału cyfrowego jest procesem zamiany (konwersji)

sygnału analogowego (

określonego dla każdej chwili czasowej w przedziale

obserwacji

) na sygnał cyfrowy (

ciąg liczb których wartości są (w przybliżeniu)

wartościami sygnału analogowego w pewnych stałych odstępach czasowych

).

Proces zamiany sygnału analogowego na cyfrowy nosi nazwę

konwersji analogowo-cyfrowej (konwersja A/C). Proces odwrotny jest
nazywany konwersją cyfrowo-analogową (konwersja C/A).

Proces akwizycji , ze względu na istotę stosowanego podejścia jest też

nazywany modulacją.

Akwizycja sygnału obejmuje następujące procesy: próbkowanie,

kwantyzację, kodowanie (kodowanie z kompresją).

Akwizycja sygnału może być prowadzona na potrzeby transmisji

cyfrowej lub przetwarzania (archiwizacji).

Akwizycja sygnału cyfrowego

Akwizycja sygnału cyfrowego

W dalszej części wykładu zostaną omówione następujące
metody akwizycji sygnałów:

Modulacja PCM

Modulacja DPCM

Modulacja Delta

Liniowe kodowanie predykcyjne (kodowanie LPC)

Modulacja PCM

Kwantyzacja amplitudy –

pojęcia podstawowe

Ilustracja procesu modulacji PCM

Układ z kwantyzacją logarytmiczną

Układ modulacji z kwantyzacją logarytmiczną

Modulacja DPCM

Idea modulacji DPCM– zmniejszenie zakresu dynamiki (zawężenie zakresu roboczego)

Modulacja DPCM

Modulacja Delta (DM)

Modulacja Delta (DM)

a) nadajnik , b) odbiornik

Modulacja Delta (DM)

Ilustracja błędu kwantyzacji w
modulacji Delta

Liniowe kodowanie predykcyjne LPC

Podstawową przesłanką do stworzenia modelu kodowania LPC było zasadne założenie
ż

e są próbki sygnału ( np. dźwiękowego są skorelowane, zależne).

Liniowe kodowanie predykcyjne

Liniowe Kodowanie Predykcyjne

Liniowe kodowanie predykcyjne

Liniowe kodowanie predykcyjne

Porównanie metod DPCM i LPC

Modulacja DPCM jest szczególnym przypadkiem kodowania LPC, dla rzędu
predykcji p=1 i wartości współczynnika .

Liniowe kodowanie predykcyjne

Przykładowe sygnały szczątkowe (linia ciągła) na tle sygnałów
analizowanych (linia przerywana) wyznaczone metodą najmniejszych
kwadratów, częstotliwość próbkowania 11kHz, kwantyzacja 8-bitowa

Liniowe kodowanie predykcyjne

0

200

400

600

800

-1

-0.5

0

0.5

1

t[ms]

t [ms]

n

r

w

s

p

ó

łc

z

y

n

n

ik

a

0

200

400

600

2

4

6

8

10

12

0

200

400

600

800

-0.5

0

0.5

t[ms]

n

r

w

s

p

ó

łc

z

y

n

n

ik

a

0

200

400

600

2

4

6

8

10

12

Przebiegi czasowe i odpowiadające im mapy wspó

ł

czynników LPC s

ł

owa

szczęście dwóch osób

Liniowe kodowanie predykcyjne

Wyznaczanie współczynników predykcji

Współczynniki predykcji można wyznaczać następującymi metodami:

kowariancyjną

korelacyjną

najmniejszych kwadratów

Durbina

Punktem wyjścia wszystkich metod jest warunek minimalizacji błędu
predykcji:

Liniowe kodowanie predykcyjne

Ocena dokładności aproksymacji

Przyjmijmy 2 wskaźniki:

Liniowe kodowanie predykcyjne

0,06

0,08

0,1

0,12

0,14

0,16

0,18

0,2

0,22

4

6

9 12 15 18 25 45

p

e

0,46

0,51

0,56

0,61

0,66

0,71

4

6

9

12 15 18 25 45

p

d

Wykresy zależności wskaźników e oraz d w funkcji rzędu predykcji p

Liniowe kodowanie predykcyjne

Standardy kodowania oparte na LPC stosowane w telefonii GSM

Standard LPC-10

Pierwszy opis metody pojawił się w 1979 r., a za standard została uznana w 1984

r. pod nazwą “US federal standard 1015” (standard amerykański).
Do transmisji mowy w tym standardzie wystarcza przepustowość 2,4 Kb/s. Dyskretny sygnał
mowy poddawany jest analizie w tzw. ramkach. Próbkowanie sygnału mowy odbywa się z
częstotliwością 8 kHz.
Każda ramka zawiera 180 próbek, (44,4 ramki na sekundę).

Transmisji podlegają:

Po stronie odbiornika następuje odtworzenie sygnału. Stosuje się dwa typy filtracji:
długoterminową i krótkoterminową. W ramach filtracji krótkoterminowej (rys) odbywa się
rekonstrukcja pojedynczej ramki. Na wejście filtru syntezującego podawany jest sztucznie
wygenerowany sygnał, pobudzenie, przeskalowany zgodnie z częstotliwością tonu podstawowego
oraz wzmocnieniem dla danej ramki. W przypadku generowania faz bezdźwięcznych na wejście
układu podawany jest szum. Filtracja długoterminowa pozwala na wygładzanie sygnału.

Liniowe kodowanie predykcyjne

Standardy kodowania oparte na LPC stosowane w telefonii GSM

Standard LPC-10

Liniowe kodowanie predykcyjne

Standardy kodowania oparte na LPC stosowane w telefonii GSM

0

5

10

15

20

25

-1000

-500

0

500

1000

Pobudzenie wykorzystywane do generowania mowy dźwięcznej w standardzie

LPC-10

Liniowe kodowanie predykcyjne

Standardy kodowania oparte na LPC stosowane w telefonii GSM

Standard CELP

Metoda CELP dzia

ł

a na podobnej zasadzie jak metoda LPC-10, z tą

różnicą, że w standardzie CELP wykorzystuje się nie sztucznie generowany sygna

ł

pobudzenia lecz jeden ze zgromadzonych w banku sygna

ł

ów.

Transmitowany jest jedynie kod sygna

ł

u najlepiej dopasowanego do

danej ramki. Stąd jego nazwa Code Excited Linear Prediction Standard CELP zosta

ł

przyjęty w 1991 roku (figuruje pod nazwą „US federal standard 1016”).

Wymagana przepustowość kana

ł

u transmisji dlatego standardu wynosi 4,8

Kb/s. Na wejściu uk

ł

adu sygna

ł

mowy jest próbkowany z częstotliwością 8kHz.

D

ł

ugość ramki wynosi 240 próbek (30ms).

Część parametrów jest transmitowana częściej i wyróżnia się dodatkowo 4

krótsze ramki (ang. subframe) w ramach ramki 30 ms. Zarówno ten jak inne bardziej
szczegó

ł

owe zabiegi w czasie analizy i syntezy sygna

ł

u mowy mają na celu jak

najwierniejsze odtworzenie sygna

ł

u wejściowego podczas syntezy w odbiorniku.

Liniowe kodowanie predykcyjne

Standardy kodowania oparte na LPC stosowane w telefonii GSM

Standard CELP

Struktura ramki

Liniowe kodowanie predykcyjne

Standardy kodowania oparte na LPC stosowane w telefonii GSM

Standard CELP