Artur Benneman
Rafael Henrique de Moraes Feron
Renan dos Santos Fagundes
Motivação
 Comunicações de voz permanecer o meio
predominante de comunicação humana.
 Proporciona a transmissão de sinais de fala com boa
qualidade através de canais de comunicação com
banda estreita.
 O sistema CELP é o núcleo da maioria dos sistema
celular, e sistemas de comunicação de banda
estreita(VoIP).
SINAIS DA FALA

Fala é produzido por um
sinal de excitação gerada em
nossa garganta, o que
é modificado por ressonâncias
produzidas por diferentes
formatos de nosso trato
vocal, nasal e da faringe.
Vogais e Consoantes
 Este sinal de excitação pode ser a vibração
glotal produzido pela abertura e fechamento periódico
cordas vocais o que cria voz sonora, como as vogais
 ou apenas o fluxo continuo de ar empurrado
por nossos pulmões, que cria a fala não articulada, tais
como o consoantes, ou mesmo uma combinação de
ambos ao mesmo tempo
Anatomia da voz
 As três estruturas mais importantes são os pulmões as
cordas vocais e a laringe. A fonte de energia para a
geração de sons é provida pelo diafragma e músculos
abdominais que pressionam os pulmões e geram um
fluxo de ar controlado que passa pelas cordas vocais.
 O mecanismo de produção da voz apresenta uma
resposta limitada em freqüência, com limite por volta
de 10kHz.
 95% da energia do sinal de voz esta concentrada na
faixa de freqüência entre 300 e 3400 Hz, pode se
limitar o canal a esta banda com uma perda tolerável
em qualidade.
Anatomia do voz
Quando o ar vibrante entra na glote há uma mudança na
resistência do ar (ao abrir ou fechar a continuidade da
traquéia) e isso faz o processo de modulação da voz.
Anatomia da voz
 O som é produzido quando a glote, que é uma abertura
nas cordas vocais, vibra abrindo e fechando. O fluxo de
ar é interrompido e assim se cria uma seqüência de
impulsos que possuem algumas freqüências básicas
chamadas de tom (pitch).
 Nos homens estas freqüências estão entre 80 e 160Hz
e nas mulheres entre 180 e 320Hz.
Vogais e consoantes
 Exemplos de sons do tipo VOICED são as 5 vogais, das
quais notam-se claras diferenças no pitch e na
“formant” do sinal ao comparar o som da vogal ‘A’ com
o som da vogal ‘I’ dispostas nas figuras abaixo:
Vogais e consoantes
Vogais e Consoantes
 Já os sons do tipo UNVOICED, são bem caracterizados
através do exemplo do fonema ‘S’, que consta abaixo.
Sons deste tipo são descritos através de AWGN –
Aditive White Gaussian Noise, e possui amplitude
praticamente constante em todo espectro.
Pitch e formantes
 O componente periódica da excitação glotal é
caracterizado pela sua freqüência fundamental
F0 [Hz], chamado pitch.
 As freqüências de ressonância o trato vocal, oral e da
faringe são chamados formantes.
 No espectro de um quadro de fala, o pitch aparece
como picos estreitos na fundamental e
harmônicas
 Formantes aparecem como picos largos do envelope do
espectro
Pitch e formantes
Codecs existentes
 Comparação rudimentar de alguns dos esquemas
de codec existens na atualidade em termos
de qualidade de voz e bitrate.
Evolução dos algoritmos
Linear Predictive Code
 Análise de predição linear de sinais de voz é o núcleo da
maioria dos sistemas de codificação parametricos de voz
(Celulares, VoIP, e etc).
 Um modelo simples de síntese da voz que tem sido usado
em processamento de fala para várias aplicações de
codificação.
Modelo do aparelho fonador
•Este modelo do sistema é inspirado no mecanismo humano de produção da
fala.
• Voz sonora é produzida pela exitação do filtro do trato vocal com pulsos
quasi-periódica do glote.
• A periodicidade da voz sonora é devido à vibração cordas vocais.
•Fala não articulada (não vozeada) é produzido forçando o ar através de
uma constrição no trato vocal.
Linear Predictive Coding
 O trato vocal é geralmente representado por filtro
digital de décima ordem do tipo somente pólos, como
mostrado no modelo LPC da fala.
 A fala é produzida pela excitação do filtro do trato
vocal, com pulsos quasi-periodicos pulsos da glote
 E a fala não articulada é gerada usando o estímulo
ruído aleatório ou pseudo-branco.
 Os coeficientes do filtro e os parâmetros de
excitação são geralmente determinadas a cada 20
ms ou menos .
Codificador LPC
Decodificador LPC
Comparação entre real e LPC
LINEAR PREDICTIVE CODING
 O filtro digital para aplicações do linear predictive
coding é caracterizado pela seguinte equação de
diferenças.
• Os parâmetros de ai são os coeficientes do filtro e
controlam as características de freqüência de resposta
do filtro. Estes são determinados pela analise LPC.
Analise LPC
Derivação do algoritimo LPC
 O objetivo do LPC é minimizar a informação contida no
sinal de exitação. Os parametros de predição ai são
desconhecidos e são determinadas pela minimização
Erro quadratico medio (MSE) do sinal de exitação (e(n)).
Derivação do algoritimo LPC
 O sinal de excitação (e(n)) pode ser gerado apartir de
um sinal de voz (s(n)) atraves da convolução com o
filtro LPC inverso, o qual é um filtro FIR, com
coeficientes ai (a determinar)
Derivação do algoritimo LPC
 Isto é feito tomando a deriva do sinal de energia da
exitação a cada uma dos coeficientes, e igualando a
zero.
Derivação do algoritimo LPC
 Isto gera uma Matriz Toepliz, que pode ser resolvida
usando o algoritmo recursivo Levinson-Durbin.
Fittro de sintese
 A predição dos parâmetros a(i) também são
usados para formar o filtro digital somente pólos
para síntese de voz.
 Os coeficientes do LPC são computados resolvendo o
a matriz de autorrelação, gerando o filtro:
Estruturas de Filtros ‘All-Pole’
Filtro ‘all-pole’, forma direta.
Filtro lattice – Tem a vantagem de ter maior imunidade a quantização
Estimação do ganho
 O valor do ganho a ser aplicado no sinal de exitação
escolhido é determinado pelo valor RMS do sinal de
exitação ideal.
 O qual é obtido na analise LPC, sendo o primeiro
coeficiente dá matrix de autocorrelação
Seleção de sinal vozeado não vozeado
 Apartir do sinal de autocorrelação do sinal (excluindo
o valor R(0)) é definido um limiar de decisão.
 Usualmente 0,3 do valor normalizado do vetor.
Estimação periodo do Pitch
 A fala possui uma falsa periodicidade, oque dificulta a
estimativa do pitch
 Pode ser determinado apartir do sinal de
autocorrelação do sinal, procurando os valores de pico
e reptições do sinal (na faixa de 20 a 160).
 Como visto nas figuras abaixo.
Estimativa do pitch - Sinal não vozeado
Estimativa do pitch - Sinal vozeado
Code Excited Linear Prediction
 Explora melhor a idéia de codificação análise-por-
síntese da fala, utilizando o conceito de quantização
vetorial (VQ) para a seqüência de excitação.
 O codificador seleciona uma sequência de excitação de
um codebook de seqüências pré-definidas estocásticas.
CELP
 CELP, adicionalmente, aproveita a periodicidade
de sons vozeados e melhorar a eficiência do preditor.
 O filtro do preditor de termo longo é cascateado com
o filtro de síntese, o que melhora a eficiência do
codebook
 O mais simples preditor de longo prazo consiste de um
filtro de um único polo, o qual representa um simples
atraso com ganho ajustável
 O método de escolha dos vetores do Codebook é a
analise por síntese
CELP : Analise por sintese
•O sistema varre cada um dos
possíveis candidatos a sinal de
excitação oriundos do gerador de
excitação
•Identifica o sinal que minimiza o
erro entre o correspondente sinal
sintetizado e o sinal de fala da
entrada
•O Decoder correspondente é
simplesmente o gerador de
excitação e o filtro de sintetização .
CELP : Com filtro LTP
Esta estrutura adiciona o filtro de predição longa (LTP), o qual é
utilizado para aproveitar o fato de que o sinal de exitação tem uma alta
autocorrelação na frequencia do pitch.
CELP : Estrutura Original
A estrutura do codificador CELP original tem como filtro LTP um filtro de
um pólo apenas. Essa adição aproveita o fato de que o sinal de exitação apresenta
uma alta autocorelação na frequencia do pitch. Porem esse modelo é
computacionalmente ineficiente.
CELP : Codebook Adaptativo
Cada vetor do Codebook adaptativo representa diferentes valores de
pitch. Assim a busca pelos os parâmetros do filtro de predição longa são
simplificados a busca de um vetor no codebook adaptativo.
CELP : Estrutura final
•Retirar o efeito do frame
anterior deixado nas
condições iniciais do filtro
de sintese.
•Encontrar o vetor do
codebook Adaptativo que
minimiza o Erro quadratico
do sinal sintetizado.E
retirar o efeito desta
exitação
•Encontrar o vetor do
codebook Fixo que
minimiza o Erro quadratico
do sinal sintetizado.