Digitale Sprachübertragung wie funktioniert ein Vocoder

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1 Digitale Sprachübertragung wie funktioniert ein Vocoder Prof. Dr.-Ing. M. Hartje Fachbereich Elektrotechnik & Informatik HamRadio/Dr. Ha, /1 Sprachübertragung HamRadio/Dr. Ha, /2

2 Digitale Sprachübertragung Am Anfang war die analoge Übertragung Mikrophon TX Antenne RX - Lautsprecher Einschleifen eines Digitalisierungsweges mit ADU-DAU erfordert Bandbegrenzung Quantisierung Vorführung! HamRadio/Dr. Ha, /3 Günstige Bedingungen Sprachverständlichkeit als Ziel: Erkennen der Phoneme Worterkennung Satzerkennung Sinnbildung Sprecher erkennen Emotionen erkennen Was können / wollen wir weglassen? HamRadio/Dr. Ha, /4

3 Verminderung der Datenrate für kleine Übertragungsbandbreiten Erreichbares Minimum bei Persönliche Stimmmerkmale entfernen mit Textübertragung dann Spracherkennung (TX) und TTS (RX) Datenreduktion (Quellencodierung) Redundanz Irrelevanz MP3, OGG-Vorbis, lineare Prediction HamRadio/Dr. Ha, /5 Vokaltrakt und Stimmlippen Aus Sataloff R.T.: die menschliche Stimme , Spektrum der Wissenschaft HamRadio/Dr. Ha, /6

4 Physikalisches Modell Tonerzeugung Artikulationstrakt (Filter) HamRadio/Dr. Ha, /7 Nach Flanaagan: Speech analysis 1965 Vorführung Vocale Stimmlose Laute HamRadio/Dr. Ha, /8

5 Beobachtungen Stimmhafte Laute mit unterschiedlichen Oberschwingungsanteilen Stimmlose Laute als Rauschspektrum HamRadio/Dr. Ha, /9 Sprache ermöglicht mehr Physikalische Stimmerzeugung mathematisch modellieren Analysieren Synthetisieren Differenz zwischen Modell und Momentanwerten Übertragung mit Fehlern möglich, da Satzverständlichkeit das Ziel ist HamRadio/Dr. Ha, /10

6 Sprachkodierung im Überblick Signalformkodierung Zeitbereich Skalare Quantisierung Vektorquantisierung (mit Codebüchern) Frequenzbereich Teilbänder (SBC) Transformationscodierung Parametrische Kodierung (Vokoder) Sinusmodellierung (20-40 Schwingungen) Vokoder Klassischer Vokoder (zb 16 Filterkanäle 2,4-3,2 kbit/s, IMBE, AMBE) Prädiktionsvokoder (Allpolfilter mit 10 Koeffizienten; CELP, auch CODEC2) HamRadio/Dr. Ha, /11 Parametrische Vocoder HamRadio/Dr. Ha, /12

7 Modell eines Vocoders Grundfrequenz Impulsgenerator stimmhaft Sprachtraktmodell (Filter) Rauschgenerator stimmlos Energie Änderung aller Parameter in kurzen Zeitscheiben: typisch 20 ms Nachteil: nur zwei Anregungszustände HamRadio/Dr. Ha, /13 Prinzip LPC-Vocoder (Details) LPC: lineare Prediction Codec HamRadio/Dr. Ha, /14

8 Einschränkungen bei Vocodern Optimiert für Sprachverständlichkeit (MELP: germanische Sprachen, Englisch) Sprache wird mit mathematischem Modell verglichen und daran angepaßt Musik, DTMF, Geräusche nicht geeignet HamRadio/Dr. Ha, /15 Vocoder (Dudley: 1939) MELP patentiert, geringe Bitraten, DoD Qualität eingeschränkt Optimiert für Sprachverständlichkeit AMBE patentiertes Verfahren CELP Codebook Exited Linear Prediction Teil vom MPEG-4 (IEC ) HamRadio/Dr. Ha, /16

9 Digitale Übertragungssysteme Informationsgehalt der Übertragung (Quelle bis Senke) bestimmen (Quellencodierung) Redundanz Irrelevanz Umwandlung mit Verlusten Datenstrom Sicherheit der Übertragung durch Forward Error Correction erhöhen (Kanalcodierung) Scrambling (Burstfehler) HamRadio/Dr. Ha, /17 Kodierung und wechselnde Redundanz Redundanz Signal Quellen- Codierung Kanal- Codierung Leitungs- Codierung Redundanz Irrelvanz Fehlerkorrektur + * Kanal Störungen Kanal Signal Quellendecodierung Kanaldecodierung Leitungsdecodierung Redundanz HamRadio/Dr. Ha, /18

10 Digital Voice Radio System A/D codec enc FEC enc mod TX Störung HF/VHF Kanal D/A codec dec FEC dec demod RX Nicht so gut bekannt bekannt HamRadio/Dr. Ha, /19 Sprachcodierung im Besonderen Abtastwerte (mit zb 16 bit bei 8 ks/s = 128 kbit/s) Aufgabe: Reduziere auf 2400 bit/s (Faktor: 50!) Frage: Was kann wegfallen? Erkennbare Sprache Natürliche Sprache mit Sprechererkennung Spracherzeugungsmodell modellieren, und Parameter übertragen HamRadio/Dr. Ha, /20

11 Sinusansatz der Sprachmodelle Amplitude (16 bit samples) Pitch Period 35 samples or 4.4ms at 8kHz sample rate Time (samples) HamRadio/Dr. Ha, /21 Sinusansatz der Sprachmodelle Amplitude (db) 1 2 Pitch 230Hz or 4.3ms 3 4 Ziffern: Oberschwingungen Harmonics of 230Hz Frequency (Hz) HamRadio/Dr. Ha, /22

12 Bit Allocation des Codec2 Alpha V0.1 codec, (noch in der Bearbeitung) 50 bits per 20ms frame, or 2500 bit/s Auch als 2 Halb-Frames 1200 bit/s Parameter Bits/frame Spectral magnitudes (LSPs) 36 Energy 5 Voicing (updated each 10ms) 2 Pitch 7 Total 50 HamRadio/Dr. Ha, /23 Vorführung SPEEX Codec2 HamRadio/Dr. Ha, /24

13 Vocoderdaten übertragen? Niedrige Datenrate niedrige Bandbreite Sicherung gegen Fehler erfordert Kanalstörungen zu untersuchen Einfache Anwendung bei Inband-ÜT SSB, oder FM Huckepack bei DSTAR-Datenkanal? Lösung aus 2007: G3PLX: FDMDV HamRadio/Dr. Ha, /25 Codec2 OpenSource Vocoder + Modem Vocoder: 1200, 1400, 2500 Bit/s FDMDV-Modem (G3PLX; N1SU-Webseite) 14 Träger, f=75hz, DQPSK, 50 Symbole/s Bandbreite: 1,1 KHz, 1 Synchronisations-Träger 1440 Bit/s Übertragen im Sprachkanal SSB oder FM VHF-Modem mit GMSK (V: ON1KRF) Bandbreite: 2 khz (< ½ DSTAR, ¼ DMR/TRBO ) Besser geeignet für nichtlineare PA HamRadio/Dr. Ha, /26

14 FDMDV - Modem Frequency Division Multiplex Digital Voice HamRadio/Dr. Ha, /27 Funktion FDMDV (G3PLX, 2007) Daten über 15 Träger verteilt Trägerabstand 75 Hz B = 1125 Hz Symbole zu 2 Bit (DQPSK) auf 14 Trägern Träger 15 für Schnelle Synchronisation (keine Ausfälle) Schnelle Frequenzkorrektor (< 200 Hz) Ohne Vorwärts-Fehlerkorrektur (FEC) Aber schnelle Synchronisation!!! Übertragung bei geringem SNR (3dB) Original: mit MELP / CELP-Coder HamRadio/Dr. Ha, /28

15 FDMDV Blockschaltbild 1400 Bps Symbolrate 50 Hz Abtastrate 8000 Hz raised root cosine M=160 f u : 600 f M :1200 f o : 1800 HamRadio/Dr. Ha, /29 Konstellationsdiagramm FDMDV Information Pilotton Pilotton HamRadio/Dr. Ha, /30

16 Wasserfall-Spektrum des FDMDV HamRadio/Dr. Ha, /31 +4dB SNR Konstellationsdiagramm HamRadio/Dr. Ha, /32

17 Vorführung Codec2 + FDMDV-Modem HamRadio/Dr. Ha, /33 FDMDV-Decoder HamRadio/Dr. Ha, /34

18 Derzeitiger Entwicklungsstand CODEC2 HamRadio/Dr. Ha, /35 Zusammenfassung Wie kann man Sprache kodieren? Welche Möglichkeit besteht, die Vokaltrakt und die Spracherzeugung mathematisch zu modellieren? Was ist ein Vocoder? Codec2 mit FDMDV-Modem für die Inband-Übertragung (FM, SSB) HamRadio/Dr. Ha, /36