Aufgaben: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:

• Die Aufgabe bezieht sich auf die  Gemeinsamkeiten von GSM und UMTS.
• Die Grafik zeigt das Betragsspektrum eines Audiosignals und definiert die Merkmale  "Narrowband"  und  "Wideband".
• Wir weisen Sie auf das interaktive SWF–Applet  Qualität verschiedener Sprachcodecs hin.

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

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.