REDES DE NUEVA GENERACIÓN – TRABAJO 02

REDES DE NUEVA GENERACIÓN – TRABAJO 02

Integrantes:

• Jefferson Curay
• Fernando Lara
• Marcelo Ortiz

Implementación y evaluación general del desempeño del codificador GSM AMR NB basado en CELP sobre ABE.

Resumen

En los sistemas de comunicación de hoy en día uno de los factores importantes es la calidad del habla decodificada en el receptor limitada por el espectro radioeléctrico y restricciones de potencia. Por ello los codificadores de voz de banda estrecha (NB - Narrowband) deben ser reemplazados por los codificadores de banda ancha (WB - Wideband). Por el momento se propone la tecnología ABE (Artificial Bandwith Extension) que pretende mostrar a un codificador NB como un codificador WB, se considera al codificador NB AMR (Adaptive Multi Rate) como candidato para la tecnología ABE basado en predicción lineal excitada por código (CELP).

I. Introducción

La desventaja del avance de las telecomunicaciones son el limitado ancho de banda con las que tienen que trabajar las telefónicas, esto resulta en la degradación de la calidad de la voz. Una de las soluciones son los codificadores WB, pero el cambio a este sistema representa una gran inversión, por lo que se propone una solución progresiva compatible tanto con codificadores NB y WB que es la tecnología ABE adoptando una transmisión de banda alta (HB – High Band). En la práctica los datos del habla de WB se dividen en NB y HB con una frecuencia de corte de 3.4 kHz. En NB se codifica utilizando el codificador GSM AMR 06.90 NB eligiendo un modo de tres modos de velocidad de transferencia de bits de acuerdo a las condiciones del canal. La información lateral se extrae usando LPC de la información del habla de HB incrustada y transmitida junto con el flujo de bits codificados en el NB. En el receptor se decodifica el flujo de bits NB y la información de habla HB se regenera. Finalmente, la señal WB se reproduce sumando las señales de voz de NB y HB.

II. Codificador adaptativo

Debido a que las condiciones del canal son variables e impredecibles, se utiliza la técnica AMR, en la cual se programan varias tasas de transmisión que cambian de forma dinámica dependiendo del estado del canal. AMR cuenta con dos modos de codificación: AMR de tasa completa y AMR de media tasa.  Como se observa en la Figura 1, se tiene 8 velocidad de transmisión en AMR de tasa completa que son: 12.2, 10.2, 7.95, 7.4, 6.7, 5.9, 5.15 y 4.75 kbps. Por su parte AMR de media tasa tiene 6 velocidad de transmisión que son: 7.95, 7.4, 6.7, 5.9, 5.15 y 4.75 kbps.

[pic 1]

Figura  1. Velocidades de transmisión para AMR de tasa completa y media tasa.

La función del códec AMR, se presenta en el diagrama de bloques de la figura 2. Su funcionamiento tiene dos canales, un canal de enlace ascendente y un canal de enlace descendente. En el canal de enlace ascendente, la estación móvil (MS – Movile Station) envía información a la Estación base transceptora (BTS – Base Transceiver Station) que contiene los datos de voz, indicador del modo de códec para uplink (MIu – codec mode indicator uplink) y solicitud del modo de códec para downlink (MRd – códec mode request dowlink). El proceso comienza con el envió de información de voz con tasas de bits por parte del MS al BTS, adjuntando el MIu y el MRd. Este proceso se repite para las posteriores tramas de información. Se debe tomar en cuenta que el MIu proviene del mando de uplink (MCU – command uplink) determinando la tasa de transmisión que se utilizara en el enlace ascendente de MS a BTS, por su parte el MRd proviene del cálculo del error en el canal de downlink de BTS a MS.  Inicialmente, la MCU está dado por el cálculo de error en la transmisión de uplink, que es procesada por el modo control del uplink para generar el MCU. Al llegar hasta el MS, la MCU genera el orden de tasa de transmisión de uplink de MS a BTS. MId proviene del mando de dowlink (MCD - command dowlink) para conocer el códec que se utilizara en las transmisiones de dowlink de BTS a MS.

[pic 2]

Figura  2. Diagrama de bloques del códec AMR.

El cálculo de la calidad del error en el canal de enlace uplink y downlink proviene por la relación de la portadora de señal (C) y la interferencia (I) expresada en dB. El comportamiento del códec está determinado por la calidad de la condición del canal, es decir, si el canal está en buenas condiciones no existirán correcciones de error significativas, teniendo tasas de transmisión elevadas. Por otra parte, si la condición del canal es mala, se necesitará una elevada corrección de error significativa y las tasas de transmisión bajaran significativamente.

1. Códec CELP

El diagrama de bloques de CELP se presenta en la Figura 3, la entrada al diagrama resulta de una conversión análoga a digital de la voz a través de un conversor análogo digital (ADC – Analog to Digital Converter). El proceso intermedio de almacenamiento y el análisis de predicción lineal (LP – Linear Prediction), son usados para determinar el sistema de respuesta de impulso vocal en cada trama, que luego produce un retardo de tono y coeficiente de LP. El retardo de tono es utilizado por el filtro de síntesis de tono y el coeficiente (ai) en el filtro de síntesis LP. Antes del filtro, el coeficiente (b) de filtro de tono se produce por el calculo usado en el retardo de tono (P).  Cuando se obtienen todos los datos, se realiza el proceso de compresión de voz, adaptándose al modo códec de AMR.

[pic 3]

Figura  3. Diagrama de bloques de CELP.

1. Códec AMR basado en CELP

Se utiliza la codificación de voz CELP y se sincroniza las velocidades de bits utilizadas en AMR según los estándares ETSI para comparar el rendimiento de cada nivel del códec AMR usando MATLAB. La simulación considera la configuración estándar del sistema celular GSM, con un marco principal de 20 ms, con cuatro subtramas dentro del marco principal, con cada subtrama con 5 ms de longitud.

Como se puede observar en la Figura 4, la señal de habla Si y la relación C/I son entradas en la simulación del códec AMR basado en CELP. Dependiendo de la señal C/I se selección el modo de funcionamiento del códec AMR de tasa completa. Una vez obtenida el modo de funcionamiento del códec se realiza el análisis de predicción lineal para obtener los parámetros de longitud de trama (N), longitud de bloque (L), orden del filtro (M), parámetro LP (c), índice de libro de códigos (Cb) y el índice de paso (Pidx) que se conmutan y proporcionan al análisis CELP. Los parámetros correspondientes al códec AMR son: coeficiente de predicción lineal (a), retardo de tono (P), índice de libro de códigos (K), ganancia ()  y coeficiente de filtro de tono (B). Esta simulación da como resultado la implementación de un codificador AMR GSM de tasa completa basado en CELP. [pic 4]

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