معلومات

برنامج ترميز الصوت GSM / Vocoder

برنامج ترميز الصوت GSM / Vocoder

تتوفر مجموعة متنوعة من الأشكال المختلفة لبرنامج ترميز الصوت أو المشفر الصوتي للاستخدام العام ، كما يدعم نظام GSM عددًا من برامج ترميز الصوت المحددة. تتضمن هذه البرامج ترميز RPE-LPC ونصف المعدل و AMR. يختلف أداء كل برنامج ترميز صوتي ويمكن استخدامه في ظل ظروف مختلفة ، على الرغم من أن برنامج ترميز AMR هو الأكثر استخدامًا الآن. كما يتم إدخال برنامج الترميز الأحدث AMR واسع النطاق (AMR-WB) في العديد من المجالات ، بما في ذلك GSM

تطورت تقنية ترميز الصوت بدرجات كبيرة في السنوات الأخيرة نتيجة لزيادة قوة المعالجة المتاحة. وهذا يعني أن برامج الترميز الصوتية المستخدمة في نظام GSM لها تحسينات كبيرة منذ طرح هواتف GSM الأولى.

أساسيات المشفر الصوتي / برنامج الترميز

تُستخدم مشفرات الصوت أو برامج ترميز الكلام في العديد من مجالات الاتصالات الصوتية. من الواضح أن التركيز هنا ينصب على برامج ترميز الصوت أو مشفر الصوت GSM ، ولكن نفس المبادئ تنطبق على أي شكل من أشكال الترميز.

إذا تم رقمنة الكلام بطريقة خطية ، فسيتطلب ذلك معدل بيانات مرتفعًا يشغل نطاقًا تردديًا عريضًا جدًا. نظرًا لأن النطاق الترددي يكون عادةً محدودًا في أي نظام اتصالات ، فمن الضروري ضغط البيانات لإرسالها عبر القناة المتاحة. بمجرد المرور عبر القناة ، يمكن توسيعها بعد ذلك لإعادة إنشاء الصوت بطريقة قريبة من الأصل قدر الإمكان.

لتلبية متطلبات نظام الترميز ، يجب التقاط الكلام بمعدل عينة مرتفع بما يكفي ودقة للسماح بإعادة إنتاج الصوت الأصلي بوضوح. يجب بعد ذلك ضغطها بطريقة تحافظ على دقة الصوت عبر قناة إرسال لاسلكية بمعدل بتات محدودة وعرضة للخطأ.

يمكن أن تستخدم برامج ترميز الصوت أو المشفرات الصوتية مجموعة متنوعة من التقنيات ، ولكن العديد من برامج ترميز الصوت الحديثة تستخدم تقنية تُعرف باسم التنبؤ الخطي. من نواحٍ عديدة ، يمكن تشبيه هذا بالنمذجة الرياضية للقناة الصوتية البشرية. ولتحقيق ذلك ، يتم تقدير الغلاف الطيفي للإشارة باستخدام تقنية التصفية. حتى في حالة استخدام الإشارات مع العديد من الإشارات غير المتوافقة ، فمن الممكن أن تعطي برامج ترميز الصوت مستويات كبيرة جدًا من الضغط.

تُستخدم مجموعة متنوعة من منهجيات الترميز المختلفة لبرامج ترميز GSM:

  • CELP: CELP أو Code Excited Linear Prediction Codec عبارة عن خوارزمية مشفر صوتي تم اقتراحها في الأصل في عام 1985 وأعطت تحسينًا كبيرًا على برامج الترميز الصوتية الأخرى في ذلك اليوم. تم تطوير المبدأ الأساسي لبرنامج ترميز CELP واستخدامه كأساس لبرامج ترميز الصوت الأخرى بما في ذلك ACELP و RCELP و VSELP وما إلى ذلك. على هذا النحو ، تعد منهجية CELP الترميز الآن أكثر خوارزمية ترميز الكلام استخدامًا. وفقًا لذلك ، يتم استخدام CELP الآن كمصطلح عام لفئة معينة من مشفرات الصوت أو برامج ترميز الكلام وليس برنامج ترميز معين.

    المبدأ الرئيسي وراء برنامج الترميز CELP هو أنه يستخدم مبدأ يعرف باسم "التحليل بالتوليف". في هذه العملية ، يتم تنفيذ الترميز عن طريق التحسين الإدراكي للإشارة المفكوكة في نظام الحلقة المغلقة. إحدى الطرق التي يمكن من خلالها تحقيق ذلك هي مقارنة مجموعة متنوعة من تدفقات البتات المتولدة واختيار تلك التي تنتج أفضل إشارة صوتية.

  • ترميز ACELP: برنامج ترميز التنبؤ الخطي المتحمس ACELP أو كود جبري. برنامج ترميز ACELP أو خوارزمية المشفر الصوتي هو تطوير لنموذج CELP. ومع ذلك ، فإن دفاتر ترميز ACELP لها بنية جبرية محددة كما هو موضح بالاسم.
  • ترميز VSELP: برنامج ترميز التنبؤ الخطي VSELP أو Vector Sum Excitation. أحد العوائق الرئيسية لبرنامج ترميز VSELP هو قدرته المحدودة على ترميز الأصوات غير الكلامية. هذا يعني أنه أداؤه ضعيف في وجود الضوضاء. نتيجة لذلك ، لم يتم استخدام برنامج ترميز الصوت هذا على نطاق واسع الآن ، حيث يتم تفضيل برامج ترميز الكلام الأحدث الأخرى والتي تقدم أداءً فائقًا.

أنظمة فك وتشفير الصوت GSM / مشفرات الصوت

يتم دعم مجموعة متنوعة من برامج ترميز الصوت / مشفر الصوت GSM. تم تقديم هذه في أوقات مختلفة ، ولها مستويات مختلفة من الأداء .. على الرغم من أن بعض برامج ترميز الصوت المبكرة لم يتم استخدامها على نطاق واسع هذه الأيام ، إلا أنها لا تزال موصوفة هنا لأنها تشكل جزءًا من نظام GSM.


ترميز الصوت GSM
اسم برنامج الترميزمعدل البت
(كيلوبت في الثانية)
تقنية الضغط
تقييم كامل13RTE-LPC
EFR12.2ACELP
معدل النصف5.6VSELP
AMR12.2 - 4.75ACELP
AMR-WB23.85 - 6.60ACELP

برنامج ترميز GSM الكامل / RPE-LPC

RPE-LPC أو النبض المنتظم متحمس - المبرمج التنبئي الخطي. كان هذا النوع من برامج ترميز الصوت هو أول برنامج ترميز للكلام يستخدم مع GSM وقد تم اختياره بعد إجراء الاختبارات لمقارنته بأنظمة الترميز الأخرى في اليوم. يعتمد برنامج ترميز الكلام على الإثارة النبضية المنتظمة LPC مع التنبؤ طويل المدى. يرتبط المخطط الأساسي ببرنامجي ترميز سابقين للكلام ، وهما: RELP والتنبؤ الخطي المثار المتبقي و MPE-LPC و Multi Pulse Excited LPC. تتمثل مزايا RELP في التعقيد المنخفض نسبيًا الناتج عن استخدام تشفير النطاق الأساسي ، لكن أداءه مقيد بالضوضاء اللونية التي ينتجها النظام. تعد MPE-LPC أكثر تعقيدًا ولكنها توفر مستوى أفضل من الأداء. قدم برنامج الترميز RPE-LPC حلاً وسطًا بين الاثنين ، حيث يوازن بين الأداء والتعقيد لتقنية ذلك الوقت.

على الرغم من العمل الذي تم القيام به لتوفير الأداء الأمثل ، مع تطور التكنولوجيا بشكل أكبر ، كان يُنظر إلى برنامج الترميز RPE-LPC على أنه يقدم مستوى ضعيفًا من جودة الصوت. مع توفر برامج الترميز الصوتية ذات المعدل الكامل الأخرى ، تم دمجها في النظام.

GSM EFR - برنامج ترميز المعدل الكامل المحسن

في وقت لاحق تمت إضافة مشفر صوتي آخر يسمى المشفر الصوتي المحسن المعدل الكامل (EFR) استجابة للجودة الرديئة التي يراها مستخدمو برنامج الترميز الأصلي RPE-LPC. قدم برنامج الترميز الجديد هذا جودة صوت أفضل بكثير وتم اعتماده من قبل GSM. باستخدام تقنية الضغط ACELP ، أعطت تحسنًا ملحوظًا في الجودة مقارنة بمشفر LPC-RPE الأصلي. أصبح ذلك ممكنًا مع زيادة قوة المعالجة التي كانت متوفرة في الهواتف المحمولة نتيجة المستويات الأعلى من طاقة المعالجة جنبًا إلى جنب مع استهلاكها الحالي المنخفض.

ترميز GSM بنصف معدل

يسمح معيار GSM بتقسيم قناة صوتية واحدة كاملة المعدل إلى قناتين فرعيتين يمكنهما الاحتفاظ بمكالمات منفصلة. من خلال القيام بذلك ، يمكن لمشغلي الشبكات مضاعفة عدد المكالمات الصوتية التي يمكن معالجتها بواسطة الشبكة باستثمارات إضافية قليلة جدًا.

لتمكين استخدام هذا المرفق ، يجب استخدام برنامج ترميز بمعدل نصف. تم تقديم برنامج الترميز بنصف معدل في السنوات الأولى من نظام GSM ولكنه أعطى جودة صوت أقل بكثير مقارنة ببرامج ترميز الكلام الأخرى. ومع ذلك ، فقد أعطت مزايا عندما كان الطلب مرتفعًا وكانت سعة الشبكة مرتفعة.

يستخدم برنامج ترميز GSM بنصف المعدل خوارزمية ترميز VSELP. يقوم بترميز البيانات حول إطارات 20 مللي ثانية تحمل كل منها 112 بتًا لإعطاء معدل بيانات يبلغ 5.6 كيلوبت في الثانية. يتضمن ذلك معدل بيانات 100 بت في الثانية لمؤشر الوضع الذي يوضح ما إذا كان النظام يعتقد أن الإطارات تحتوي على بيانات صوتية أم لا. يسمح ذلك لبرنامج ترميز الكلام بالعمل بطريقة توفر الجودة المثلى.

تم تقديم نظام الترميز بنصف المعدل في التسعينيات ، ولكن نظرًا لسوء الجودة المتصورة ، لم يتم استخدامه على نطاق واسع.

برنامج ترميز GSM AMR

يعد برنامج الترميز المتكيف متعدد المعدلات AMR الآن أكثر ترميز GSM استخدامًا. تم اعتماد برنامج الترميز AMR من قبل 3GPP في أكتوبر 1988 ويستخدم لكل من GSM والمكالمات الصوتية UMTS / WCDMA بتبديل الدائرة.

يوفر برنامج ترميز AMR مجموعة متنوعة من الخيارات لواحد من ثمانية معدلات بت مختلفة كما هو موضح في الجدول أدناه. تعتمد معدلات البت على الإطارات التي يبلغ طولها 20 مللي ثانية وتحتوي على 160 عينة. يستخدم برنامج ترميز AMR مجموعة متنوعة من الأساليب المختلفة لتوفير ضغط البيانات. يتم استخدام برنامج ترميز ACELP كأساس لبرنامج ترميز الكلام العام ، ولكن يتم استخدام تقنيات أخرى بالإضافة إلى ذلك. يتم استخدام الإرسال المتقطع بحيث يتم قطع الإرسال في حالة عدم وجود نشاط الكلام. بالإضافة إلى ذلك ، يتم استخدام اكتشاف النشاط الصوتي (VAD) للإشارة إلى وجود ضوضاء في الخلفية فقط وعدم وجود كلام. بالإضافة إلى تقديم ملاحظات للمستخدم تفيد بأن الاتصال لا يزال موجودًا ، يتم استخدام مولد ضوضاء الراحة (CNG) لتوفير بعض ضوضاء الخلفية ، حتى في حالة عدم نقل بيانات الكلام. يضاف هذا محليا في المتلقي.

يتطلب استخدام برنامج ترميز AMR أيضًا استخدام تكييف الوصلة الأمثل بحيث يتم اختيار معدل البيانات الأمثل لتلبية متطلبات ظروف القناة الراديوية الحالية بما في ذلك نسبة الإشارة إلى الضوضاء وسعتها. ويتحقق ذلك بتقليل تشفير المصدر وزيادة تشفير القناة. على الرغم من وجود انخفاض في وضوح الصوت ، إلا أن اتصال الشبكة أكثر قوة ويتم الحفاظ على الارتباط دون انقطاع. يمكن ملاحظة مستويات التحسن بين 4 و 6 ديسيبل. ومع ذلك ، يمكن لمشغلي الشبكات تحديد أولويات كل محطة من حيث الجودة أو السعة.

يحتوي برنامج ترميز AMR على ثمانية أسعار إجمالية: ثمانية منها متوفرة بسعر كامل (بالفرنسية) ، وستة منها متوفرة بنصف المعدل (HR). هذا يعطي ما مجموعه أربعة عشر وضعًا مختلفًا.


معدلات بيانات الترميز AMR
الوضعمعدل البت
(كيلوبت في الثانية)
السعر الكامل (بالفرنسية) /
معدل النصف (ساعة)
AMR 12.2.2 تحديث12.2FR
AMR 10.2.0 تحديث10.2FR
عمرو 7.95.007.95FR / HR
عمرو 7.40.007.40FR / HR
AMR 6.70.006.70FR / HR
AMR 5.90.00 ريال5.90FR / HR
AMR 5.15.0 تحديث5.15FR / HR
AMR 4.75.0 تحديث4.75FR / HR

برنامج الترميز AMR-WB

النطاق العريض المتكيف متعدد المعدلات ، AMR-WB ، المعروف أيضًا باسم الاتحاد الدولي للاتصالات G.722.2 ، يعتمد على برنامج الترميز المتكيف متعدد المعدل ، AMR. يستخدم AMR-WB أيضًا أساس ACELP لتشغيله ، ولكن تم تطويره بشكل أكبر ويوفر AMR-WB جودة كلام محسّنة نتيجة النطاق الترددي الأوسع للكلام الذي يشفره. النطاق الترددي AMR-WB يمتد من 50 إلى 7000 هرتز وهو أكبر بكثير من عرض النطاق الترددي 300-3400 هرتز الذي تستخدمه الهواتف القياسية. ومع ذلك ، يأتي ذلك على حساب تكلفة المعالجة الإضافية ، ولكن مع التقدم في تقنية IC في السنوات الأخيرة ، فإن هذا مقبول تمامًا.

يحتوي برنامج الترميز AMR-WB على عدد من المجالات الوظيفية: فهو يشتمل بشكل أساسي على مجموعة من أنماط الكلام ذات المعدل الثابت وأنماط ترميز القناة. ويشمل أيضًا وظائف الترميز الأخرى بما في ذلك: كاشف النشاط الصوتي (VAD) ؛ وظيفة النقل المتقطع (DTX) لنظام GSM ؛ ووظيفة معدل التحكم بالمصدر (SCR) لتطبيقات UMTS. وتشمل الوظائف الإضافية التشوير داخل النطاق لإرسال أسلوب التشفير ، وتكييف الوصلة للتحكم في اختيار الأسلوب.

يحتوي برنامج الترميز AMR-WB على معدل أخذ عينات يبلغ 16 كيلو هرتز ويتم تنفيذ التشفير في مجموعات تبلغ 20 مللي ثانية. هناك نوعان من نطاقات التردد المستخدمة: 50-6400 هرتز و6400-7000 هرتز. يتم ترميزها بشكل منفصل لتقليل تعقيد برنامج الترميز. يعمل هذا الانقسام أيضًا على تركيز تخصيص البتات في نطاق التردد الأكثر أهمية بشكل شخصي.

يستخدم نطاق التردد المنخفض خوارزمية ترميز ACELP ، على الرغم من تضمين عدد من الميزات الإضافية لتحسين الجودة الذاتية للصوت. يتم إجراء تحليل التنبؤ الخطي مرة واحدة لكل رتل 20 مللي ثانية. أيضًا ، يتم البحث في دفاتر رموز الإثارة الثابتة والتكيفية كل 5 مللي ثانية للحصول على قيم معلمات الترميز المثلى.

يضيف نطاق التردد العالي بعض السمات الطبيعية والشخصية إلى الصوت. يتم إعادة بناء الصوت باستخدام المعلمات من النطاق السفلي وكذلك باستخدام الإثارة العشوائية. نظرًا لأن مستوى الطاقة في هذا النطاق أقل من مستوى النطاق السفلي ، يتم تعديل الكسب بالنسبة إلى النطاق السفلي ، ولكن بناءً على معلومات التعبير. يتم إعادة بناء محتوى إشارة النطاق الأعلى باستخدام مرشح تنبؤي خطي يولد معلومات من مرشح النطاق السفلي.


AMR-WB Codec
معدل البت
(كيلوبت في الثانية)
ملاحظات
6.60هذا هو أدنى معدل لـ AMR-WB. يتم استخدامه للاتصالات بتبديل الدارات لـ GSM و UMTS ويقصد استخدامه مؤقتًا فقط أثناء ظروف قناة الراديو الشديدة أو أثناء ازدحام الشبكة.
8.85يؤدي هذا إلى تحسين الجودة فوق معدل 6.6 كيلو بت في الثانية ، ولكن مرة أخرى ، يوصى باستخدامه فقط في فترات الازدحام أو أثناء ظروف قناة الراديو القاسية.
12.65هذا هو معدل البت الرئيسي المستخدم في GSM و UMTS بتبديل الدارات ، مما يوفر أداءً فائقًا عن برنامج ترميز AMR الأصلي.
14.25يستخدم معدل البت العالي لإعطاء كلام أنظف ويكون مفيدًا بشكل خاص عندما تكون مستويات الضوضاء المحيطة عالية.
15.85يستخدم معدل البت العالي لإعطاء كلام أنظف ويكون مفيدًا بشكل خاص عندما تكون مستويات الضوضاء المحيطة عالية.
18.25يستخدم معدل البت العالي لإعطاء كلام أنظف ويكون مفيدًا بشكل خاص عندما تكون مستويات الضوضاء المحيطة عالية.
19.85يستخدم معدل البت العالي لإعطاء كلام أنظف ويكون مفيدًا بشكل خاص عندما تكون مستويات الضوضاء المحيطة عالية.
23.05لا يقترح لقنوات GSM كاملة السعر.
23.85لا يُقترح لقنوات GSM كاملة السعر ، ويوفر جودة كلام مماثلة لجودة G.722 بسرعة 64 كيلوبت في الثانية.

لن تتمكن جميع الهواتف المزودة بـ AMR-WB من الوصول إلى جميع معدلات البيانات - فقد لا تتطلب الوظائف المختلفة على الهاتف أن تكون جميعها نشطة على سبيل المثال. نتيجة لذلك ، من الضروري إبلاغ الشبكة بالمعدلات المتوفرة وبالتالي تبسيط التفاوض بين الهاتف والشبكة. لتحقيق ذلك ، تتوفر ثلاثة تكوينات مختلفة لـ AMR-WB:

  • التكوين أ: 6.6 و 8.85 و 12.65 كيلوبت / ثانية
  • التكوين ب: 6.6 و 8.85 و 12.65 و 15.85 كيلوبت / ثانية
  • التكوين ج: 6.6 و 8.85 و 12.65 و 23.85 كيلوبت / ثانية

يمكن ملاحظة أنه يتم استخدام أوضاع 23.85 و 15.85 و 12.65 و 8.85 و 6.60 كيلوبت / ثانية فقط. بناءً على اختبارات الاستماع ، تم اعتبار أن هذه الأنماط الخمسة كافية لخدمة مهاتفة كلامية عالية الجودة. تم الاحتفاظ بمعدلات البيانات الأخرى ويمكن استخدامها لأغراض أخرى بما في ذلك رسائل الوسائط المتعددة وتدفق الصوت وما إلى ذلك.

على الرغم من وصفها على أنها برامج ترميز GSM ، إلا أنها تُستخدم أيضًا في عدد من المجالات الأخرى أيضًا - بعضها يستخدم مع صوت تبديل الدائرة المستخدم في UMTS. تحسن أداء برنامج الترميز منذ تقديم أول برامج ترميز GSM: تم تحسين جودة الكلام إلى جانب النطاق الترددي المطلوب.

موضوعات الاتصال اللاسلكي والسلكي:
أساسيات الاتصالات المتنقلة
العودة إلى الاتصال اللاسلكي والسلكي


شاهد الفيديو: ماهو الصوت الرقمي - ديجيتال اوديو (شهر نوفمبر 2021).