Informasi

Codec / Vocoder Audio GSM

Codec / Vocoder Audio GSM

Berbagai bentuk codec audio atau vocoder tersedia untuk penggunaan umum, dan sistem GSM mendukung sejumlah codec audio tertentu. Ini termasuk RPE-LPC, tarif setengah, dan codec AMR. Kinerja setiap codec suara berbeda dan dapat digunakan dalam kondisi yang berbeda, meskipun codec AMR sekarang yang paling banyak digunakan. Juga codec AMR wideband (AMR-WB) yang lebih baru sedang diperkenalkan ke banyak area, termasuk GSM

Teknologi codec suara telah berkembang pesat dalam beberapa tahun terakhir sebagai hasil dari peningkatan daya pemrosesan yang tersedia. Ini berarti bahwa codec suara yang digunakan dalam sistem GSM mengalami peningkatan besar sejak telepon GSM pertama kali diperkenalkan.

Dasar-dasar vocoder / codec

Vocoder atau codec ucapan digunakan dalam banyak bidang komunikasi suara. Jelas fokus di sini adalah pada codec audio GSM atau vocoders, tetapi prinsip yang sama berlaku untuk semua bentuk codec.

Jika pidato didigitalkan secara linier, itu akan membutuhkan kecepatan data tinggi yang akan menempati bandwidth yang sangat lebar. Karena bandwidth biasanya terbatas dalam sistem komunikasi apa pun, data perlu dikompres untuk dikirim melalui saluran yang tersedia. Setelah melalui saluran itu kemudian dapat diperluas untuk meregenerasi audio dengan cara yang sedekat mungkin dengan aslinya.

Untuk memenuhi persyaratan sistem codec, ucapan harus ditangkap pada kecepatan sampel dan resolusi yang cukup tinggi untuk memungkinkan reproduksi suara asli yang jelas. Itu kemudian harus dikompresi sedemikian rupa untuk menjaga kesetiaan audio melalui bit rate terbatas, saluran transmisi nirkabel rawan kesalahan.

Codec audio atau vocoder dapat menggunakan berbagai teknik, tetapi banyak codec audio modern menggunakan teknik yang dikenal sebagai prediksi linier. Dalam banyak hal, hal ini dapat disamakan dengan pemodelan matematis saluran suara manusia. Untuk mencapai ini, amplop spektral sinyal diperkirakan menggunakan teknik filter. Meskipun sinyal dengan banyak sinyal yang tidak terkait secara harmonis digunakan, codec suara dapat memberikan tingkat kompresi yang sangat besar.

Berbagai metodologi codec yang berbeda digunakan untuk codec GSM:

  • CELP: CELP atau Code Excited Linear Prediction codec adalah algoritme vocoder yang awalnya diusulkan pada tahun 1985 dan memberikan peningkatan yang signifikan dibandingkan codec suara lainnya pada masa itu. Prinsip dasar codec CELP telah dikembangkan dan digunakan sebagai dasar codec suara lainnya termasuk ACELP, RCELP, VSELP, dll. Dengan demikian, metodologi codec CELP sekarang menjadi algoritma pengkodean suara yang paling banyak digunakan. Oleh karena itu, CELP sekarang digunakan sebagai istilah umum untuk kelas vocoder atau codec pidato tertentu dan bukan codec tertentu.

    Prinsip utama di balik codec CELP adalah menggunakan prinsip yang dikenal sebagai "Analisis dengan Sintesis". Dalam proses ini, pengkodean dilakukan dengan mengoptimalkan sinyal yang didekodekan secara perseptual dalam sistem loop tertutup. Salah satu cara untuk mencapai hal ini adalah dengan membandingkan berbagai aliran bit yang dihasilkan dan memilih salah satu yang menghasilkan sinyal suara terbaik.

  • Codec ACELP: Kode ACELP atau Algebraic Excited Linear Prediction codec. Algoritme codec atau vocoder ACELP adalah pengembangan dari model CELP. Namun buku kode codec ACELP memiliki struktur aljabar tertentu seperti yang ditunjukkan oleh namanya.
  • Codec VSELP: Kodek Prediksi Linier Eksitasi VSELP atau Vector Sum. Salah satu kelemahan utama dari codec VSELP adalah kemampuannya yang terbatas untuk mengkodekan suara non-ucapan. Ini berarti kinerjanya buruk jika ada kebisingan. Akibatnya, codec suara ini sekarang tidak banyak digunakan, codec ucapan lain yang lebih baru lebih disukai dan menawarkan kinerja yang jauh lebih unggul.

Codec / vocoder audio GSM

Berbagai codec / vocoders audio GSM didukung. Ini telah diperkenalkan pada waktu yang berbeda, dan memiliki tingkat kinerja yang berbeda .. Meskipun beberapa codec audio awal tidak banyak digunakan saat ini, mereka masih dijelaskan di sini karena merupakan bagian dari sistem GSM.


Kodek Audio GSM
Nama codecKecepatan bit
(kbps)
Teknologi kompresi
Tarif penuh13RTE-LPC
EFR12.2ACELP
Tarif setengah5.6VSELP
AMR12.2 - 4.75ACELP
AMR-WB23.85 - 6.60ACELP

Codec Tarif Penuh GSM / RPE-LPC

RPE-LPC atau Regular Pulse Excited - Linear Predictive Coder. Bentuk codec suara ini adalah codec ucapan pertama yang digunakan dengan GSM dan dipilih setelah pengujian dilakukan untuk membandingkannya dengan skema codec lain pada hari itu. Codec bicara didasarkan pada LPC eksitasi pulsa reguler dengan prediksi jangka panjang. Skema dasar terkait dengan dua codec pidato sebelumnya, yaitu: RELP, Residual Excited Linear Prediction dan ke MPE-LPC, Multi Pulse Excited LPC. Keuntungan dari RELP adalah kompleksitas yang relatif rendah yang dihasilkan dari penggunaan pengkodean pita dasar, tetapi kinerjanya dibatasi oleh derau nada yang dihasilkan oleh sistem. MPE-LPC lebih kompleks tetapi memberikan tingkat kinerja yang lebih baik. Codec RPE-LPC memberikan kompromi antara keduanya, menyeimbangkan kinerja dan kompleksitas untuk teknologi saat itu.

Terlepas dari pekerjaan yang telah dilakukan untuk memberikan kinerja yang optimal, seiring berkembangnya teknologi, codec RPE-LPC dipandang menawarkan kualitas suara yang buruk. Saat codec audio tingkat penuh lainnya tersedia, ini dimasukkan ke dalam sistem.

GSM EFR - Codec Tingkat Penuh yang Ditingkatkan

Kemudian vocoder lain yang disebut vocoder Enhanced Full Rate (EFR) ditambahkan sebagai tanggapan atas kualitas buruk yang dirasakan oleh pengguna codec RPE-LPC asli. Codec baru ini memberikan kualitas suara yang jauh lebih baik dan diadopsi oleh GSM. Menggunakan teknologi kompresi ACELP, ini memberikan peningkatan kualitas yang signifikan dibandingkan encoder LPC-RPE asli. Ini menjadi mungkin karena daya pemrosesan yang tersedia meningkat di ponsel sebagai akibat dari tingkat daya pemrosesan yang lebih tinggi dikombinasikan dengan konsumsi arus yang lebih rendah.

Codec Tarif Setengah GSM

Standar GSM memungkinkan pemisahan satu saluran suara tingkat penuh menjadi dua sub-saluran yang dapat mempertahankan panggilan terpisah. Dengan melakukan ini, operator jaringan dapat menggandakan jumlah panggilan suara yang dapat ditangani oleh jaringan dengan investasi tambahan yang sangat sedikit.

Untuk mengaktifkan fasilitas ini untuk digunakan, codec setengah tarif harus digunakan. Codec tingkat setengah diperkenalkan pada tahun-tahun awal GSM tetapi memberikan kualitas suara yang jauh lebih rendah jika dibandingkan dengan codec ucapan lainnya. Namun, ini memberi keuntungan ketika permintaan tinggi dan kapasitas jaringan sangat tinggi.

Codec Tarif Setengah GSM menggunakan algoritma codec VSELP. Ini mengkodekan data sekitar 20 ms frame masing-masing membawa 112 bit untuk memberikan kecepatan data 5,6 kbps. Ini termasuk kecepatan data 100 bps untuk indikator mode yang merinci apakah sistem percaya bahwa bingkai berisi data suara atau tidak. Ini memungkinkan codec ucapan untuk beroperasi dengan cara yang memberikan kualitas optimal.

Sistem codec Half Rate diperkenalkan pada tahun 1990-an, tetapi mengingat kualitasnya yang dianggap buruk, sistem ini tidak digunakan secara luas.

Kodek AMR GSM

AMR, Adaptive Multi-rate codec sekarang menjadi codec GSM yang paling banyak digunakan. Codec AMR diadopsi oleh 3GPP pada bulan Oktober 1988 dan digunakan untuk panggilan suara GSM dan circuit switched UMTS / WCDMA.

Codec AMR menyediakan berbagai opsi untuk salah satu dari delapan bit rate yang berbeda seperti yang dijelaskan dalam tabel di bawah ini. Kecepatan bit didasarkan pada bingkai yang panjangnya 20 milidetik dan berisi 160 sampel. Codec AMR menggunakan berbagai teknik berbeda untuk memberikan kompresi data. Codec ACELP digunakan sebagai dasar dari keseluruhan codec bicara, tetapi teknik lain digunakan sebagai tambahan. Transmisi terputus digunakan sehingga bila tidak ada aktivitas bicara, transmisi terputus. Selain itu, Voice Activity Detection (VAD) digunakan untuk menunjukkan kapan hanya ada kebisingan latar belakang dan tidak ada ucapan. Selain itu untuk memberikan umpan balik bagi pengguna bahwa koneksi masih ada, Comfort Noise Generator (CNG) digunakan untuk memberikan beberapa kebisingan latar belakang, bahkan ketika tidak ada data ucapan yang sedang dikirim. Ini ditambahkan secara lokal di penerima.

Penggunaan codec AMR juga memerlukan adaptasi link yang dioptimalkan sehingga data rate yang optimal dipilih untuk memenuhi persyaratan kondisi saluran radio saat ini termasuk rasio dan kapasitas sinyal terhadap noise. Ini dicapai dengan mengurangi pengkodean sumber dan meningkatkan pengkodean saluran. Meskipun ada penurunan kejernihan suara, koneksi jaringan lebih kuat dan tautan dipertahankan tanpa putus. Tingkat peningkatan antara 4 dan 6 dB mungkin dialami. Namun operator jaringan dapat memprioritaskan setiap stasiun baik kualitas maupun kapasitasnya.

Codec AMR memiliki total delapan tarif: delapan tersedia dengan tarif penuh (FR), sedangkan enam tersedia dengan tarif setengah (HR). Ini memberikan total empat belas mode berbeda.


Kecepatan data codec AMR
ModeKecepatan bit
(kbps)
Tarif Penuh (FR) /
Tarif setengah (HR)
AMR 12.212.2FR
AMR 10.210.2FR
AMR 7.957.95FR / HR
AMR 7.407.40FR / HR
AMR 6.706.70FR / HR
AMR 5,905.90FR / HR
AMR 5.155.15FR / HR
AMR 4.754.75FR / HR

Codec AMR-WB

Adaptive Multi-Rate Wideband, codec AMR-WB, juga dikenal dengan sebutan ITU G.722.2, didasarkan pada codec AMR Adaptive Multi-Rate yang populer sebelumnya. AMR-WB juga menggunakan basis ACELP untuk operasinya, tetapi telah dikembangkan lebih lanjut dan AMR-WB memberikan kualitas suara yang lebih baik sebagai hasil dari lebar pita suara yang dikodekannya. AMR-WB memiliki bandwidth yang membentang dari 50 - 7000 Hz yang secara signifikan lebih luas daripada bandwidth 300 - 3400 Hz yang digunakan oleh telepon standar. Namun ini datang dengan biaya pemrosesan tambahan, tetapi dengan kemajuan teknologi IC dalam beberapa tahun terakhir, hal ini dapat diterima.

Codec AMR-WB berisi sejumlah area fungsional: ini terutama mencakup satu set mode suara dan channel codec tingkat tetap. Ini juga mencakup fungsi codec lain termasuk: Detektor Aktivitas Suara (VAD); Fungsi Transmisi Terpisah (DTX) untuk GSM; dan fungsionalitas Source Controlled Rate (SCR) untuk aplikasi UMTS. Fungsionalitas lebih lanjut mencakup sinyal in-band untuk transmisi mode codec, dan adaptasi tautan untuk kontrol pemilihan mode.

Codec AMR-WB memiliki sampling rate 16 kHz dan pengkodean dilakukan dalam blok 20 ms. Ada dua pita frekuensi yang digunakan: 50-6400 Hz dan 6400-7000 Hz. Ini dikodekan secara terpisah untuk mengurangi kompleksitas codec. Pemisahan ini juga berfungsi untuk memfokuskan alokasi bit ke dalam rentang frekuensi yang paling penting secara subyektif.

Pita frekuensi yang lebih rendah menggunakan algoritma codec ACELP, meskipun sejumlah fitur tambahan telah disertakan untuk meningkatkan kualitas subjektif audio. Analisis prediksi linier dilakukan sekali per frame 20 ms. Selain itu, buku kode eksitasi tetap dan adaptif ditelusuri setiap 5 md untuk nilai parameter kodek yang optimal.

Pita frekuensi yang lebih tinggi menambahkan beberapa fitur kealamian dan kepribadian pada suara tersebut. Audio direkonstruksi menggunakan parameter dari pita bawah serta menggunakan eksitasi acak. Karena tingkat daya di pita ini lebih kecil dari pita bawah, penguatan disesuaikan relatif ke pita bawah, tetapi berdasarkan informasi suara. Isi sinyal dari pita yang lebih tinggi direkonstruksi dengan menggunakan filter prediktif linier yang menghasilkan informasi dari filter pita bawah.


Kodek AMR-WB
Kecepatan bit
(kbps)
Catatan
6.60Ini adalah tarif terendah untuk AMR-WB. Ini digunakan untuk koneksi circuit switched untuk GSM dan UMTS dan dimaksudkan untuk digunakan hanya sementara selama kondisi saluran radio yang parah atau selama kepadatan jaringan.
8.85Ini memberikan kualitas yang lebih baik di atas kecepatan 6,6 kbps, tetapi sekali lagi, penggunaannya hanya disarankan untuk digunakan dalam periode kemacetan atau saat kondisi saluran radio parah.
12.65Ini adalah bit rate utama yang digunakan untuk circuit switched GSM dan UMTS, menawarkan kinerja yang unggul dari codec AMR asli.
14.25Kecepatan bit yang lebih tinggi digunakan untuk menghasilkan ucapan yang lebih jernih dan sangat berguna saat tingkat kebisingan audio sekitar tinggi.
15.85Kecepatan bit yang lebih tinggi digunakan untuk menghasilkan ucapan yang lebih jernih dan sangat berguna saat tingkat kebisingan audio sekitar tinggi.
18.25Kecepatan bit yang lebih tinggi digunakan untuk menghasilkan ucapan yang lebih jernih dan sangat berguna saat tingkat kebisingan audio sekitar tinggi.
19.85Kecepatan bit yang lebih tinggi digunakan untuk menghasilkan ucapan yang lebih jernih dan sangat berguna saat tingkat kebisingan audio sekitar tinggi.
23.05Tidak disarankan untuk saluran GSM tingkat penuh.
23.85Tidak disarankan untuk saluran GSM dengan kecepatan penuh, dan memberikan kualitas ucapan yang mirip dengan G.722 pada 64 kbps.

Tidak semua telepon yang dilengkapi AMR-WB dapat mengakses semua kecepatan data - fungsi yang berbeda pada telepon mungkin tidak mengharuskan semua untuk aktif misalnya. Akibatnya, jaringan perlu menginformasikan tentang tarif mana yang tersedia dan dengan demikian menyederhanakan negosiasi antara handset dan jaringan. Untuk mencapai ini, ada tiga perbedaan konfigurasi AMR-WB yang tersedia:

  • Konfigurasi A: 6,6, 8,85, dan 12,65 kbit / dtk
  • Konfigurasi B: 6,6, 8,85, 12,65, dan 15,85 kbit / dtk
  • Konfigurasi C: 6,6, 8,85, 12,65, dan 23,85 kbit / dtk

Terlihat hanya mode 23.85, 15.85, 12.65, 8.85 dan 6.60 kbit / s yang digunakan. Berdasarkan tes mendengarkan, kelima mode ini dianggap memadai untuk layanan telepon ucapan berkualitas tinggi. Kecepatan data lainnya dipertahankan dan dapat digunakan untuk tujuan lain termasuk olahpesan multimedia, audio streaming, dll.

Meskipun ini telah dijelaskan sebagai codec GSM, mereka juga digunakan di sejumlah area lain juga - beberapa digunakan dengan circuit switched voice yang digunakan di UMTS. Kinerja codec telah meningkat sejak codec GSM pertama diperkenalkan: kualitas ucapan bersama dengan bandwidth yang dibutuhkan semuanya telah ditingkatkan.

Topik Konektivitas Nirkabel & Kabel:
Dasar-dasar Komunikasi Seluler2G GSM3G UMTS4G LTE5GWiFiIEEE 802.15.4DECT telepon nirkabelNFC- Komunikasi Jarak Dekat Dasar-dasar jaringanApa itu CloudEthernetSerial dataUSBSigFoxLoRaVoIPSDNNFVSD-WAN
Kembali ke Konektivitas Nirkabel & Kabel


Tonton videonya: W Parametric coding -- Channel Vocoder and LPC Vocoder (Oktober 2021).