第7回（変調方式，音声符号化） mobcomaitkyushu u

1

通信方式＃ ₇

Ｈ _{20 11 19}

古川 浩

講義資料 記 ウン

http://mobcom.is.kyushu-u.ac.jp/~furuhiro/jp/

2

情報伝送系

情報源

伝送路 _(channel)

再生さ た 情報源 帯域制限 ＰＦ

m

m

_ω

ω

−

標本化

m

T ω^π 2 2

< 1

帯域制限 ＰＦ

m

m

_ω

ω

−

変調

復調

送信機

受信機

3

変 復 調 分類

ベ ン 変調 高周波変調

変調 _6.2節～_6.5節

変調 章

符号変調 章 高周波 変調 章

Pulse Amplitude Mod. (PAM) Pulse Width Mod. (PWM) Pulse Position Mod. (PPM)

Pulse Code Mod. (PCM) Delta Mod. (^⊿M)

Delta-Sigma Mod. (^⊿-^ΣM) Differential PCM (DPCM) Adaptive ^⊿M (A ^⊿M) Adaptive PCM (APCM) Adaptive DPCM (ADPCM)

Amplitude Mod. (AM) Frequency Mod. (FM) Phase Mod. (PM)

Single SideBand Mod. (SSB)

Amplitude Shift Keying (ASK) Frequency Shift Keying (FSK) Phase Shift Keying (PSK)

Quadrature Phase Shift Keying (QPSK) Quadrature Amplitude Modulation (QAM)

4

変調～

PAM (Pulse Amplitude Modulation ^振幅変調 )

T τ

標本化さ た離散 系 列を方形波 伝送

ン 標本化信号 方

形波を畳 込 ＝_sinc関数 周 波数伝達特性を持つフ を通

こ 等価

5

変調～

PWM (Pulse Width Modulation ^幅変調 )

T

標本化さ た振幅 大 さ 応 方形波 幅を可 変 伝送

T

6

変調～

PPM (Pulse Position Modulation ^置変調 )

T

標本化さ た振幅 大 さ

応 方形波 置を

可変 伝送

T

7

符号変調

PCM, Pulse Code Modulation)

PCM^{符号化 波形整形}

信号検出 PCM^復号 標本系列

t

復元さ た信号系列 t ..1011011..

..1011011..

t

変調

復調

雑音 ひ

8

PCM ^符号化

0 1 2 3 4 5 6 7

3.2 3.1

1.9

3.5 ^4.4

3.0

5.1

6.8

t

0 1 2 3 4 5 6 7

3 ₃

2

3 ⁴

3

5

7

t

入力 出力 値

電圧 符号ビッ 数

0 000

1 001

2 010

3 011

4 100

5 101

6 110 7 111

量子化

011 011 010 011 100 011 101 111

振幅電圧_[v]

V ^量子

化雑音 発生！

9

音声 振幅分布

不等間隔量子化

振幅電圧_[v]

疎量子化 密量子化

量子化 ベ

音声 振幅分布

0 振幅

出現確率 高い振幅値 密 量子化 出現確率 い振幅値 疎 量子化

音声 信号波形

t

10

圧縮 伸張

圧縮

波形整形

信号検出 PCM^復号 標本系列

t

復元さ た信号系列 t ..1011011..

..1011011..

t

変調

復調

雑音 ひ (^等間隔)PCM

伸張

入力 出力

圧縮

伸張

11

標準化さ た圧縮方式

• ^μ -Law

– 圧縮特性を対数関数を用い 決 そ を ₁₅ 本

折 線 近似

– ^{日本や 採用}

• A-Law

– ^{圧縮特性を振幅 小さい 線形 大 い}

対数関数を用い 決 そ を ₁₃ 本 折 線

近似

– ^{ヨ ッ 採用}

12

PCM ^{符号化 実現例}

0 1 2 3 4

-1 -2 -3 -4

標本値[v]

000 001 010 011 100 101 110 111

#1bit

#2bit

#3bit

#1bit

1/2 1

1/4 1/8

0～1規格化た標本値 0

000 001 010 011 100 101 110 111

#2bit

#3bit

>1/2? -1/2

yes

#1bit=1

>1/4? -1/4

yes

#2bit=1 no

#1bit=0

no

#2bit=0 標本値

(0~1 規格化

さ

13

PCM ^{符号化 実現例 続}

>1/2? -1/2

yes

#n bit=1 no

#n bit=0 標本値

(0~1 ^{規格化 x2}

n ^プ回数

14

Ｐ 復号化 実現例

½[v] ¼[v] 1/8[v]

#1bit #2bit #3bit

1/2 1

1/4 1/8

0～1規格化た標本値 0

000 001 010 011 100 101 110 111

#2bit

#3bit

規格化さ た標本値出力 (0[v]~7/8[v])

#1bit

[+1/16v ^{フ ッ を入} 1/16~15/16[v] ^{場合 あ} ]

15

適応Ｐ (Adaptive PCM, APCM)

• ^{適応量子化器}

– ^{信号 変化 応 動的 量子化 ップサ}

量子化粒度 を制御

• ^{振幅 大 く変動 時 量子化 ップを大 く}

• ^{振幅 小刻 変動 時 量子化 ップを小さ}

く

– ^{直近 信号変動履歴を そ 時そ 時}

最適 量子化 ップサ を決定

16

変調 Delta Modulation, ^⊿ M

振幅電圧_[v]

t 各 ン _f

r^{(t) f(t)を比較}

f_r(t)^≧f(t) 0^を出力 f_r(t)<f(t) 1^を出力

f

(t)

f (t)

δ_v

f (t)

∫_dt

1 ->^δv 0 -> - ^δv

符号化

_g(t)

f

(t)

1110001110011111 g(t)

+

≧₀

=1

=0 -

+

17

⊿ Σ変調 ⊿ Σ _M

積分 ⊿ 微分

f(t) f’(t)

( )

2 ₁

ω = ω

H

H

_{( ) ω}

_{= ω}

ω ω

高周波成分を抑制 _f(t) 早い変動を抑制

⊿ 変調 高速 信号 変化 追従性を向

18

適応⊿

• ^{信号 変化 速さ 応 動的 ⊿ 変調 量子化 ッ}

プサ を可変

⊿

適応⊿

量子化 ップサ を 倍 追従性を ップ

19

差分Ｐ

(Differential PCM, DPCM)

f (t)

∫_dt

1 ->^δv 0 -> - ^δv

ビッ 符号化

_g(t)

f

(t)

+

<0

≧₀

=1

=0 -

+

f (t)

h_p(t)

n^{ビッ 符号化}

_g(t)

f

(t)

+

-

+ 量子化

⊿ 変調

Ｐ 変調

20

Ｐ 続

f (t)

h_p(t)

n^{ビッ 符号化}

_g(t)

f

(t)

-

+

+

量子化

対⊿

n^{ビッ 符号化 量子化}

誤差 減

D²(t) ^{平均を最小 フ} 対Ｐ

f(t) ^{比 ッ ン}

狭い_D(t) 対 符号化 量子化誤差 減

( ) ( ) ( ) ^{t f t f t}

D _{= −}

21

予測フ

f (t)

h_p(t)

n^{ビッ 符号化}

_g(t)

f

(t)

+

- +

量子化

( ) ^t

f

T T

T

X X

X X

+

+

w₁ w₂

w_p-1 w_p

h_p(t)

^f

( ) ^t

f

(t)

積分 予測フ

22

Ｐ 復調

f (t)

h_p(t)

n^{ビッ 符号化}

_g(t)

f

(t)

+

量子化

( ) ( ) ( ) ^{t f t f t}

D _{= −}

( ) ( ) ( ) ^{t D t e t}

f

_{= +}

n^{ビッ 複号}

h_p(t)

+

g(t)

( ) ^t

f

f

(t)

+

+

( ) ( )

( ) ( ) ( ) [ ]

( ) ( ) ( ) ( ) ( )

( ) ( ) ^{t e t}

f

t

e

t

f

t

f

t

f

t

e

t

D

t

f

t

f

t

f

r r

r

q r

−

=

+

−

+

=

+

+

=

+

量子化誤差 量子化誤差

23

Ｐ 復調 続

n^{ビッ 複号}

h_p(t)

+

g(t)

( ) ^t

f

f

(t)

+

+

_{( ) ( )}

t

e

t

f ₋

+ h_p(t)

予測フ

n^{ビッ 複号}

₊

g(t)

_{f ( ) ( ) t − e t}

n^{ビッ 複号}

₊

g(t) _{( ) ( )}

t

e

t

f ₋

予測フ

+

簡単化

24

適応差分Ｐ

Adaptive DPCM, ADPCM

• DPCM ^{量子化 ップサ を動的 適応}

制御

25

符号変調 分類

絶対 値

符号化

差分 値

符号化

静的量子化 動的適応量子化

PCM _{A PCM}

A ^Δ M

DPCM ADPCM

Δ _M, Δ _- Σ _M

1bit

N bit

26

実際 符号化変調

• ^音楽

– 44.1kHz^{サンプ ン} 16bit^{量子化 Ｐ}

• ISDN ^音声 (ITU-T G.711)

– 8kHz^{サンプ ン} 8^{ビッ 量子化} 64kbps PCM

• PHS (ITU-T G.726)

– 8kHz^{サンプ ン} 4^{ビッ 量子化} 32kbps ADPCM

• ^携帯電話 8kHz ^{サンプ ン}

– WCDMA^： 4.75kbps~12.2kbps AMR

– PDC^： 3.45kbps PSI-CELP (Half Rate)^～8kbps CS-ACELP

– GSM^： 5.6kbps VCELP (Half Rate) ^～12.2kbps ACELP (Enhanced Full rate)

• MP3

– ^{対応サンプ ン 周波数：}32KHz 44.1KHz 48KHz ^{ビッ ：}32kbps

～_320kbps

• ^{サンプ ン 周波数}44.1KHz ^ビッ 128kbps ^い CD

並 音質を確保

27

ッ ッ プ

28

比較器 f (t)

積分

1 ->^δv 0 -> - ^δv

符号化 _g(t)

f_r(t) =1 or 0