Sprachcodierung Analog zu Digital

Prinzip

• Ein Mensch spricht in ein Analog Telefon.
• Die Wellen werden in analoge elektrische Wellen umgewandelt
• Diese werden vom Analog-Digital-Wandler in ein binäres Format umgewandelt.

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Analoges Telfon an einer VoIP Anlage

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IP Telfon an einer VoIP Anlage

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Konversion

Abtastung (Sampling)

• Das kontinuierliche Signal wird in diskrete Abtastwerte umgewandelt, die zu bestimmten Zeitpunkten gemessen werden.

Quantisierung

• Die diskreten Abtastwerte werden auf eine begrenzte Anzahl von diskreten Werten abgebildet, um die Auflösung des digitalen Signals zu bestimmen.

Codierung

• Die quantisierten Werte werden in eine geeignete digitale Darstellungsform codiert, normalerweise durch die Verwendung des binären Zahlensystems.

Kompression

• Optional kann eine Datenkompression angewendet werden, um die Größe der digitalen Daten weiter zu reduzieren.
• Hierbei werden verschiedene Kompressionsalgorithmen verwendet, um redundante oder nicht wesentliche Informationen zu entfernen.

Encoding

Dekompression

• Wenn die Daten zuvor komprimiert wurden, muss der erste Schritt bei der Encodierung die Dekompression sein.
• Hierbei werden die komprimierten Daten wiederhergestellt und in ihre ursprüngliche Form gebracht, um alle entfernten Informationen zurückzugewinnen.

Decodierung

• Nach der Dekompression werden die codierten Daten in die ursprünglichen quantisierten Werte umgewandelt.
• Dieser Schritt erfolgt durch die Umkehrung des Codierungsschritts, bei dem die binären Codes in diskrete Werte zurückübersetzt werden.

Invers-Quantisierung

• Nach der Decodierung werden die quantisierten Werte in ihre ursprünglichen kontinuierlichen Werte zurückgewandelt.
• Dieser Schritt beinhaltet die Zuordnung der quantisierten Werte zu den entsprechenden Wertebereichen und die Wiederherstellung der Feinheit der ursprünglichen Abtastwerte.

Rekonstruktion

• Schließlich wird das kontinuierliche Signal durch die Zusammenfügung der invers-quantisierten Werte wiederhergestellt.
• Hierbei werden die diskreten Werte zu ihren ursprünglichen Zeitpunkten zusammengefügt, um das rekonstruierte kontinuierliche Signal zu erhalten.

Sampling des Signals

• Das analoge Signal wird bei jedem T-Signal abgetastet
• Die Qualität wird durch die Rate der Abtastung bestimmt.
• Gemäs Nyquist Theorem sollt die Abtastrate das doppelte der höchsten Frequenz sein.

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Auswirkung der Samplingrate auf das Signal

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Festlegen der Samplerate

• Die menschliche Sprache hat eine typische Frequenz von 9000 Hz.
• Um gemäß dem Nyquist-Shannon-Abtasttheorem zu arbeiten, sollten wir die Abtastrate verdoppeln.
• Die würdezu einer Abtastfrequenz von 18000 Samples pro Sekunde führen.
• Jedoch würde dies ein zu hohen Bandbreitenbedarf pro Anruf bedeuten.
• Aufgrund der technischen Beschränkungen der damaligen Telefonie konnte die Übertragung nur Frequenzen im Bereich von 300 Hz bis 3400 Hz wiedergeben.
• Aus diesem Grund hat Nyquist den Wert für das Sampling auf 4000 Hz oder 8000 Samples pro Sekunde festgelegt.
• Durch diese Begrenzung wurde sichergestellt, dass die relevanten Frequenzkomponenten der menschlichen Sprache erfasst und übertragen werden konnten, ohne unnötigen Bandbreitenbedarf zu verursachen.

Frequenzen

• Menschliche Sprache: 200 – 9000 Hz
• Menschliches Gehöre: 20 – 20.000 Hz
• Traditionen Telefonie: 300 – 3400 Hz
• Nyquist: 4000 Hz und eine Sampling Rate von 8000 per Sekunde.

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Quantifizierung des Signals

• Bei der Quantisierung wird die Y-Achse in 256 Schritte aufgeteilt, um die kontinuierlichen Werte diskret darzustellen.
• Die Abtastwerte werden auf den nächstgelegenen Schritt gerundet, da die diskrete Darstellung nur eine begrenzte Anzahl von Werten zulässt.
• Dieses Runden führt jedoch zu einer Ungenauigkeit der Abtastwerte, da die kontinuierlichen Werte auf diskrete Werte abgebildet werden und somit eine gewisse Abweichung entsteht.

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