Excitação multi-taxa usando quantização vetorial estruturada em árvore para o codificador CS-ACELP com aplicação em VoIP

Dissertação (mestrado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico. Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica.Este trabalho apresenta um estudo sobre codificação multi-taxa estruturada sobre o algoritmo CS-ACELP (Conjugate-Structure Algebraic-Code-Excited Linear-Prediction) e a especificação G.729, cujo objetivo é propor um codificador com taxa variável, através da busca da melhor excitação fixa usando codebook estruturado em árvore, para aplicações VoIP (Voice-over-IP). A mudança progressiva do transporte de voz das redes de circuito para as redes IP (Internet Protocol), apesar dos diversos aspectos positivos, tem exposto algumas deficiências intrínsecas destas, mais apropriadas ao tráfego de #melhor esforço# do que ao tráfego com requisitos de tempo. Esta proposta está inserida no conjunto das iniciativas, no âmbito do transmissor, que procuram minimizar os efeitos danosos da rede sobre a qualidade da voz reconstruída. O codebook proposto tem estrutura em árvore binária, concebida a partir de uma heurística onde os vetores CS-ACELP são ordenados por valor de forma decrescente. Uma estratégia particular de armazenamento dos nós, envolvendo simplificação nos centróides, codificação diferencial e geração automática dos dois últimos níveis da árvore, permite reduzir o espaço de armazenamento de 640 para apenas 7 kwords. Através deste modelo chega-se a 13 taxas de codificação, de 5,6 a 8,0 kbit/s, com passo de 0,2 kbit/s. A relação sinal ruído fica em 1,5 dB abaixo da mesma medida na especificação G.729 para a taxa de 5,6 kbit/s, e apenas 0,6 dB abaixo quando na taxa 8,0 kbit/s. Testes subjetivos mostraram uma qualidade bastante aceitável para a taxa mínima e praticamente indistinguível do codec original na taxa máxima. Além disso, a busca da melhor excitação é 2,4 vezes mais rápida em comparação ao codec G.729 e pode ser totalmente compatível com este se a taxa for fixa em 8,0 kbit/s. This work presents a study about multi-rate coding structured over CS-ACELP (Conjugate-Structure Algebraic-Code-Excited Linear-Prediction) algorithm and G.729 standard, whose purpose is to come up with a variable rate codec by means of best fixed excitation search using a tree structured codebook, for VoIP (Voice-over-IP) applications. The progressive change of voice transmission from circuit switched to IP (Internet orks, besides its many positive aspects, has exposed some natural deficiencies of the latter, better suited to best effort traffics than traffics with time requirements. This proposition can be inserted in the bunch of efforts, related to the sender, that seek to reduce the network impairments over the quality of reconstructed voice. The suggested codebook has a binary tree structure heuristically conceived where algebraic CSACELP vectors are disposed by value in a decreasing order. Additionally, a particular approach to store the tree nodes are considered, which involves centroid implification, differential coding and automatic generation of the last two layers of the tree, squeezing the storing space from 640 down to 7 kwords. Through this model we reach 13 coding rates, ranging from 5.6 to 8.0 kbit/s, with 0.2 kbit/s step. The signal-to-noise ratio is 1.5 dB below the same measure for G.729 standard at the rate 5.6 kbit/s, and just 0.6 dB lower at 8.0 kbit/s. Subjective tests pointed to an acceptable quality at minimum rate and virtually indistinguishable quality from the original codec at the maximum one. Also, searching for the best fixed excitation is 2.4 times faster than G.729 and can be truly compatible with it if the rate is fixed in 8 kbit/s