Aufgabe 3.4: Verschiedene Sprach–Codecs

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Audiosignale von „Narrow–Band”
und „Wide–Band”

Mit der Entwicklung des GSM–Standards nach 1990 ging die Standardisierung verschiedener Sprach–Codecs einher:

  • Mit dem ersten Full–Rate–Codec  $\rm (FR)$  aus dem Jahr 1991 erreichte man eine Reduktion auf die Datenrate  $13 \ \rm kbit/s$, ausreichend gering, um ein Sprachsignal über einen einzigen Verkehrskanal übertragen zu können.
  • 1994 wurde der Half–Rate–Codec  $\rm (HR)$  mit der Bitrate  $5.6 \ \rm kbit/s$  entwickelt mit dem Ziel, bei Bedarf in einem Verkehrskanal zwei Gespräche gleichzeitig übertragen zu können.  Die Qualität erreicht allerdings nicht ganz diejenige des Full–Rate–Codecs.
  • Der Enhanced Full–Rate Codec  $\rm (EFR)$  von 1995 stellte eine erhebliche Weiterentwicklung dar, die auf dem Datenreduktionsverfahren ACELP (Algebraic Code Excited Linear Prediction) basiert.  Der EFR–Codec liefert eine Datenrate von  $12.2 \ \rm kbit/s$  und steht für den mittlerweile üblichen Qualitätsstandard im Mobilfunk.
  • 1999 wurde von der ETSI der Adaptive Multi–Rate Codec  $\rm (AMR)$  für GSM standardisiert.  Dieser stellt acht verschiedene Modi mit Datenraten zwischen  $4.75 \ \rm kbit/s$  und  $12.2 \ \rm kbit/s$  bereit.  Der AMR–Codec verwendet wie der EFR–Codec das ACELP–Verfahren.
  • Der Wideband–AMR  $\rm (WB–AMR)$  ist eine Weiterentwicklung des ursprünglichen AMR.  Er wurde 2001 vom 3GPP–Konsortium und 2002 von der ITU–T standardisiert und nutzt den Frequenzbereich von  $50 \ \rm Hz$  bis  $7 \ \rm kHz$.  Hier liegt also ein „WideBand–Signal” zugrunde.






Hinweise:


Fragebogen

1

Welche Aufgaben erfüllt ein Sprachcodec?

Er dient zur Ratenreduzierung von digitalisierter Sprache.
Er ist aus Gründen der Fehlerkorrektur erforderlich.
Er wird zur Codierung und auch zur Decodierung verwendet.

2

Welche Vorteile bietet der EFR–Codec gegenüber dem FR–Codec?

Er ist für breitbandige Signale $($Frequenzbereich:   $200 \ \rm Hz$  bis  $7 \ \rm kHz)$  ausgelegt.
Er bietet eine bessere Klangqualität.
Die Verbesserung geht auf das ACELP–Verfahren zurück.

3

Welche Vorteile bietet der AMR–Codec gegenüber dem EFR–Codec?

Er liefert eine bessere Sprachqualität.
Er stellt verschiedene Modi bereit und ist damit flexibler.
Der niedrigste Modus ist identisch mit dem EFR–Standard.

4

Welche Eigenschaften weist der WB–AMR auf?

Der Audio–Frequenzbereich beträgt  $50 \ \rm Hz$  bis  $7 \ \rm kHz$.
Er stellt Modi zwischen  $6.60 \ \rm kHz$  und  $23.85 \ \rm kHz$  bereit.
Für die höherratigen Modi ist GSM nicht ausreichend.


Musterlösung

(1)  Richtig sind die Lösungsvorschläge 1 und 3:

  • Die erforderliche Datenrate wird reduziert, indem Redundanz und Irrelevanz aus dem Datensignal entfernt wird.
  • Das Kunstwort „Codec” weist darauf hin, dass die gleiche Funktionseinheit sowohl für die Codierung als auch für die Decodierung verwendet wird.


(2)  Richtig sind die Antworten 2 und 3:

  • Der EFR–Codec aus dem Jahre 1995 ist eine erhebliche Weiterentwicklung des Full–Rate Codecs aus dem Jahr 1991, wobei unter anderem die Sprachqualität durch Hintergrundgeräusch weniger beeinträchtigt wird.
  • Der EFR–Codec basiert ebenso wie der AMR auf dem Datenreduktionsverfahren ACELP (Algebraic Code Excited Linear Prediction).
  • Der erste Lösungsvorschlag ist dagegen falsch.  Der EFR–Codec ist wie der FR– und der AMR–Codec nur für den Telefonkanal (300 Hz bis 3.4 kHz) ausgelegt.
  • Zur besseren Verständlichkeit und Vermeidung eines dumpfen Klangs erfolgt zusätzlich eine Mittenanhebung und eine Tiefenabsenkung.


(3)  Richtig ist nur der Lösungsvorschlag 2:

  • Der Vorteil des AMR–Codecs gegenüber dem EFR liegt in seiner größeren Flexibilität.
  • Wenn sich die Kanalqualität signifikant verschlechtert, kann fließend zu einem niederratigen Modus umgeschaltet werden, bei dem sich Übertragungsfehler weniger störend auswirken.
  • Man kann zudem wie beim Half–Rate Codec zwei Gespräche in einem Verkehrskanal führen.
  • Der höchste Modus mit 12.2 kbit/s – und nicht der niedrigste – ist identisch mit dem EFR–Codec. 
  • Damit ist offensichtlich, dass der AMR keine bessere Sprachqualität als der EFR liefern kann.


(4)  Hier sind alle Antworten richtig:

  • Im Wideband–AMR werden neun Modi bereitgestellt, von denen allerdings für den Mobilfunk nur fünf genutzt werden, nämlich diejenigen mit den Datenraten 6.60, 8.85, 12.65, 15.85 und 23.65 kbit/s.
  • Die Modi bis 12.65 kbit/s haben den Vorteil, dass ein so codiertes Sprachsignal in einem einzigen GSM–Verkehrskanal untergebracht werden kann.  Für die höherratigen Modi benötigt man GSM/EDGE oder UMTS.
  • Die höherratigen Modi (15.85 und 23.65 kbit/s) liefern zwar bei Sprache nur noch eine geringe Verbesserung, allerdings aufgrund des größeren Frequenzbereichs eine merkliche Verbesserung bei der Übertragung von Musik.
  • Sowohl der WB–AMR 12.65 als auch die höheren Modi von (Narrowband–) AMR zeigen hier Schwächen.  Eine noch niedrigere Datenrate liefert bei Musiksignalen äußerst dürftige Ergebnisse.
  • Der WB–AMR hat auch bei vergleichbarer Datenrate (12.65 kbit/s) eine bessere Sprachqualität als der NB–AMR mit 12.2 kbit/s.  Durch die größere Bandbreite klingt die Sprache natürlicher und Zischlaute wie „s”, „f” und „sch” werden besser verständlich.