Voice and Audio Compression for Wireless Communications, Second Edition

857 Pages·2007·14.558 MB·English

by  Lajos Hanzo, F. Clare Somerville, Dr Jason Woodard(auth.)

Voice and Audio Compression
for Wireless Communications
Voice and Audio Compression for Wireless Communications , Second Edition. L. Hanzo, F. C. A. Somerville and
J. P. Woodard © 2007 John Wiley & Sons, Ltd. ISBN: 978-0-470-51581-5
Voice and Audio Compression
for Wireless Communications
Second Edition
Lajos Hanzo
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F. Clare Somerville
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Jason Woodard
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Hanzo,Lajos,1952-
VoiceandAudioCompressionforWirelessCommunications/L.Hanzo,
F.C.A.SomervilleandJ.P.Woodard–2nded.
p.cm.
Rev.ed.of:VoiceandAudioCompressionforWirelessCommunications.c2001
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I.Somerville,F.ClareA.II.Woodard,JasonP.III.Hanzo,Lajos,
1952-Voicecompressionandcommunications.IV.Title.
TK7882.S65H352007
621.384–dc22
2007011025
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Contents
AbouttheAuthors xxi
OtherWileyandIEEEPressBooksonRelatedTopics xxiii
PrefaceandMotivation xxv
Acknowledgements xxxv
I Speech Signals andWaveformCoding 1
1 SpeechSignalsandanIntroductiontoSpeechCoding 3
1.1 MotivationofSpeechCompression . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
1.2 BasicCharacterisationofSpeechSignals . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
1.3 ClassificationofSpeechCodecs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
1.3.1 WaveformCoding . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
1.3.1.1 Time-domainWaveformCoding . . . . . . . . . . . . . . 9
1.3.1.2 Frequency-domainWaveformCoding. . . . . . . . . . . . 10
1.3.2 Vocoders . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
1.3.3 HybridCoding . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
1.4 WaveformCoding . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
1.4.1 DigitisationofSpeech . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
1.4.2 QuantisationCharacteristics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
1.4.3 QuantisationNoiseandRate-distortionTheory . . . . . . . . . . . 14
1.4.4 Non-uniformQuantisationforaknownPDF:Companding . . . . . 16
1.4.5 PDF-independentQuantisationusingLogarithmicCompression . . 18
1.4.5.1 Theµ-lawCompander. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
1.4.5.2 TheA-lawCompander. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
1.4.6 OptimumNon-uniformQuantisation . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
1.5 ChapterSummary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
v
vi CONTENTS
2 PredictiveCoding 29
2.1 Forward-PredictiveCoding . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
2.2 DPCMCodecSchematic . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
2.3 PredictorDesign . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
2.3.1 ProblemFormulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
2.3.2 CovarianceCoefficientComputation . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
2.3.3 PredictorCoefficientComputation . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
2.4 AdaptiveOne-word-memoryQuantisation . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
2.5 DPCMPerformance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
2.6 Backward-adaptivePrediction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
2.6.1 Background . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
2.6.2 StochasticModelProcesses . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
2.7 The32kbpsG.721ADPCMCodec . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
2.7.1 FunctionalDescriptionoftheG.721Codec . . . . . . . . . . . . . 47
2.7.2 AdaptiveQuantiser . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
2.7.3 G.721QuantiserScaleFactorAdaptation . . . . . . . . . . . . . . 48
2.7.4 G.721AdaptationSpeedControl . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
2.7.5 G.721AdaptivePredictionandSignalReconstruction. . . . . . . . 51
2.8 SubjectiveandObjectiveSpeechQuality . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
2.9 Variable-rateG.726andEmbeddedG.727ADPCM. . . . . . . . . . . . . . 54
2.9.1 Motivation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54
2.9.2 EmbeddedG.727ADPCMCoding. . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
2.9.3 PerformanceoftheEmbeddedG.727ADPCMCodec. . . . . . . . 56
2.10 Rate-distortioninPredictiveCoding . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62
2.11 ChapterSummary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67
II Analysis-by-Synthesis Coding 69
3 Analysis-by-SynthesisPrinciples 71
3.1 Motivation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71
3.2 Analysis-by-SynthesisCodecStructure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72
3.3 TheShort-termSynthesisFilter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73
3.4 Long-termPrediction. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76
3.4.1 Open-loopOptimisationofLTPParameters . . . . . . . . . . . . . 76
3.4.2 Closed-loopOptimisationofLTPParameters . . . . . . . . . . . . 80
3.5 ExcitationModels . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85
3.6 AdaptiveShort-termandLong-termPost-Filtering . . . . . . . . . . . . . . 88
3.7 Lattice-basedLinearPrediction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90
3.8 ChapterSummary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97
4 SpeechSpectralQuantisation 99
4.1 Log-areaRatios . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99
4.2 LineSpectralFrequencies . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103
4.2.1 DerivationoftheLineSpectralFrequencies . . . . . . . . . . . . . 103
4.2.2 ComputationoftheLineSpectralFrequencies . . . . . . . . . . . . 107
CONTENTS vii
4.2.3 ChebyshevDescriptionofLineSpectralFrequencies . . . . . . . . 109
4.3 VectorQuantisationofSpectralParameters . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115
4.3.1 Background . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115
4.3.2 Speaker-adaptiveVectorQuantisationofLSFs. . . . . . . . . . . . 115
4.3.3 StochasticVQofLPCParameters . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117
4.3.3.1 Background . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117
4.3.3.2 TheStochasticVQAlgorithm . . . . . . . . . . . . . . . . 118
4.3.4 RobustVectorQuantisationSchemesforLSFs . . . . . . . . . . . 121
4.3.5 LSFVQsinStandardCodecs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122
4.4 SpectralQuantisersforWidebandSpeechCoding. . . . . . . . . . . . . . . 123
4.4.1 IntroductiontoWidebandSpectralQuantisation . . . . . . . . . . . 123
4.4.1.1 StatisticalPropertiesofWidebandLSFs . . . . . . . . . . 125
4.4.1.2 SpeechCodecSpecifications . . . . . . . . . . . . . . . . 127
4.4.2 WidebandLSFVQs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 128
4.4.2.1 MemorylessVectorQuantisation . . . . . . . . . . . . . . 128
4.4.2.2 PredictiveVectorQuantisation . . . . . . . . . . . . . . . 132
4.4.2.3 MultimodeVectorQuantisation . . . . . . . . . . . . . . . 133
4.4.3 SimulationResultsandSubjectiveEvaluations . . . . . . . . . . . 136
4.4.4 ConclusionsonWidebandSpectralQuantisation . . . . . . . . . . 137
4.5 ChapterSummary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 138
5 RegularPulseExcitedCoding 139
5.1 TheoreticalBackground . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 139
5.2 The13kbpsRPE-LTPGSMSpeechEncoder . . . . . . . . . . . . . . . . . 146
5.2.1 Pre-processing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 146
5.2.2 STPAnalysisFiltering . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 148
5.2.3 LTPAnalysisFiltering . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 148
5.2.4 RegularExcitationPulseComputation . . . . . . . . . . . . . . . . 149
5.3 The13kbpsRPE-LTPGSMSpeechDecoder . . . . . . . . . . . . . . . . . 151
5.4 Bit-sensitivityofthe13kbpsGSMRPE-LTPCodec . . . . . . . . . . . . . 153
5.5 ApplicationExample:ATool-boxBasedSpeechTransceiver. . . . . . . . . 154
5.6 ChapterSummary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 157
6 Forward-AdaptiveCodeExcitedLinearPrediction 159
6.1 Background. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 159
6.2 TheOriginalCELPApproach . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 160
6.3 FixedCodebookSearch . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 163
6.4 CELPExcitationModels . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 165
6.4.1 Binary-pulseExcitation. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 165
6.4.2 TransformedBinary-pulseExcitation . . . . . . . . . . . . . . . . 166
6.4.2.1 ExcitationGeneration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 166
6.4.2.2 Bit-sensitivityAnalysisofthe4.8KbpsTBPESpeech
Codec . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 168
6.4.3 Dual-rateAlgebraicCELPCoding . . . . . . . . . . . . . . . . . . 170
6.4.3.1 ACELPCodebookStructure . . . . . . . . . . . . . . . . 170
6.4.3.2 Dual-rateACELPBitAllocation . . . . . . . . . . . . . . 172
viii CONTENTS
6.4.3.3 Dual-rateACELPCodecPerformance . . . . . . . . . . . 173
6.5 OptimisationoftheCELPCodecParameters . . . . . . . . . . . . . . . . . 174
6.5.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 174
6.5.2 CalculationoftheExcitationParameters . . . . . . . . . . . . . . . 175
6.5.2.1 FullCodebookSearchTheory. . . . . . . . . . . . . . . . 175
6.5.2.2 SequentialSearchProcedure . . . . . . . . . . . . . . . . 177
6.5.2.3 FullSearchProcedure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 178
6.5.2.4 Sub-optimalSearchProcedures . . . . . . . . . . . . . . . 180
6.5.2.5 QuantisationoftheCodebookGains . . . . . . . . . . . . 181
6.5.3 CalculationoftheSynthesisFilterParameters . . . . . . . . . . . . 183
6.5.3.1 BandwidthExpansion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 184
6.5.3.2 LeastSquaresTechniques . . . . . . . . . . . . . . . . . . 184
6.5.3.3 OptimisationviaPowell’sMethod . . . . . . . . . . . . . 187
6.5.3.4 SimulatedAnnealingandtheEffectsofQuantisation. . . . 188
6.6 TheErrorSensitivityofCELPCodecs. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 192
6.6.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 192
6.6.2 ImprovingtheSpectralInformationErrorSensitivity . . . . . . . . 192
6.6.2.1 LSFOrderingPolicies . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 192
6.6.2.2 TheEffectofFEContheSpectralParameters . . . . . . . 195
6.6.2.3 TheEffectofInterpolation . . . . . . . . . . . . . . . . . 195
6.6.3 ImprovingtheErrorSensitivityoftheExcitationParameters . . . . 196
6.6.3.1 TheFixedCodebookIndex . . . . . . . . . . . . . . . . . 197
6.6.3.2 TheFixedCodebookGain. . . . . . . . . . . . . . . . . . 197
6.6.3.3 AdaptiveCodebookDelay. . . . . . . . . . . . . . . . . . 198
6.6.3.4 AdaptiveCodebookGain . . . . . . . . . . . . . . . . . . 199
6.6.4 MatchingChannelCodecstotheSpeechCodec . . . . . . . . . . . 199
6.6.5 ErrorResilienceConclusions. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 203
6.7 ApplicationExample:ADual-mode3.1kBdSpeechTransceiver. . . . . . . 204
6.7.1 TheTransceiverScheme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 204
6.7.2 Re-configurableModulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 205
6.7.3 Source-matchedErrorProtection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 206
6.7.3.1 Low-quality3.1kBdMode . . . . . . . . . . . . . . . . . 206
6.7.3.2 High-quality3.1kBdMode . . . . . . . . . . . . . . . . . 210
6.7.4 VoiceActivityDetectionandPacketReservationMultipleAccess . 211
6.7.5 3.1kBdSystemPerformance. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 214
6.7.6 3.1kBdSystemSummary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 217
6.8 Multi-slotPRMATransceiver . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 218
6.8.1 BackgroundandMotivation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 218
6.8.2 PRMA-assistedMulti-slotAdaptiveModulation . . . . . . . . . . 219
6.8.3 AdaptiveGSM-likeSchemes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 220
6.8.4 AdaptiveDECT-likeSchemes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 222
6.8.5 SummaryofAdaptiveMulti-slotPRMA . . . . . . . . . . . . . . . 223
6.9 ChapterSummary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 223
CONTENTS ix
7 StandardSpeechCodecs 225
7.1 Background. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 225
7.2 TheUSDoDFS-10164.8kbpsCELPCodec . . . . . . . . . . . . . . . . . 225
7.2.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 225
7.2.2 LPCAnalysisandQuantisation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 227
7.2.3 TheAdaptiveCodebook . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 228
7.2.4 TheFixedCodebook . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 229
7.2.5 ErrorConcealmentTechniques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 230
7.2.6 DecoderPost-filtering . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 231
7.2.7 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 231
7.3 The7.95kbpsPan-AmericanSpeechCodec–KnownasIS-54DAMPS
Codec . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 231
7.4 The6.7kbpsJapaneseDigitalCellularSystem’sSpeechCodec . . . . . . . 235
7.5 TheQualcommVariableRateCELPCodec . . . . . . . . . . . . . . . . . . 237
7.5.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 237
7.5.2 CodecSchematicandBitAllocation . . . . . . . . . . . . . . . . . 238
7.5.3 CodecRateSelection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 239
7.5.4 LPCAnalysisandQuantisation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 240
7.5.5 ThePitchFilter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 241
7.5.6 TheFixedCodebook . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 242
7.5.7 Rate1/8FilterExcitation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 243
7.5.8 DecoderPost-filtering . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 243
7.5.9 ErrorProtectionandConcealmentTechniques. . . . . . . . . . . . 244
7.5.10 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 244
7.6 JapaneseHalf-rateSpeechCodec . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 245
7.6.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 245
7.6.2 CodecSchematicandBitAllocation . . . . . . . . . . . . . . . . . 245
7.6.3 EncoderPre-processing. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 247
7.6.4 LPCAnalysisandQuantisation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 248
7.6.5 TheWeightingFilter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 248
7.6.6 ExcitationVector1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 249
7.6.7 ExcitationVector2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 250
7.6.8 ChannelCoding. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 251
7.6.9 DecoderPost-processing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 252
7.7 TheHalf-rateGSMSpeechCodec . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 253
7.7.1 Half-rateGSMCodecOutlineandBitAllocation . . . . . . . . . . 253
7.7.2 SpectralQuantisationintheHalf-rateGSMCodec . . . . . . . . . 255
7.7.3 ErrorProtection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 256
7.8 The8kbpsG.729Codec . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 257
7.8.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 257
7.8.2 CodecSchematicandBitAllocation . . . . . . . . . . . . . . . . . 257
7.8.3 EncoderPre-processing. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 258
7.8.4 LPCAnalysisandQuantisation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 259
7.8.5 TheWeightingFilter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 262
7.8.6 TheAdaptiveCodebook . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 262
7.8.7 TheFixedAlgebraicCodebook . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 263
x CONTENTS
7.8.8 QuantisationoftheGains. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 266
7.8.9 DecoderPost-processing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 267
7.8.10 G.729Error-concealmentTechniques . . . . . . . . . . . . . . . . 269
7.8.11 G.729Bit-sensitivity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 270
7.8.12 Turbo-codedOrthogonalFrequencyDivisionMultiplex
TransmissionofG.729EncodedSpeech . . . . . . . . . . . . . . . 271
7.8.12.1 Background . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 271
7.8.12.2 SystemOverview . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 272
7.8.12.3 TurboChannelEncoding . . . . . . . . . . . . . . . . . . 273
7.8.12.4 OFDMintheFRAMESSpeech/DataSub-burst . . . . . . 274
7.8.12.5 ChannelModel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 275
7.8.12.6 Turbo-codedG.729OFDMParameters . . . . . . . . . . . 275
7.8.12.7 Turbo-codedG.729OFDMPerformance . . . . . . . . . . 276
7.8.12.8 Turbo-codedG.729OFDMSummary. . . . . . . . . . . . 277
7.8.13 G.729Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 278
7.9 TheReducedComplexityG.729AnnexACodec . . . . . . . . . . . . . . . 278
7.9.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 278
7.9.2 ThePerceptualWeightingFilter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 279
7.9.3 TheOpen-loopPitchSearch . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 280
7.9.4 TheClosed-loopPitchSearch . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 280
7.9.5 TheAlgebraicCodebookSearch . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 280
7.9.6 TheDecoderPost-processing. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 281
7.9.7 Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 281
7.10 The12.2kbpsEnhancedFull-rateGSMSpeechCodec . . . . . . . . . . . . 282
7.10.1 EnhancedFull-rateGSMCodecOutline . . . . . . . . . . . . . . . 282
7.10.2 EnhancedFull-rateGSMEncoder . . . . . . . . . . . . . . . . . . 284
7.10.2.1 Spectral Quantisation and Windowing in the Enhanced
Full-rateGSMCodec . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 284
7.10.2.2 AdaptiveCodebookSearch . . . . . . . . . . . . . . . . . 286
7.10.2.3 FixedCodebookSearch . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 286
7.11 TheEnhancedFull-rate7.4kbpsIS-136SpeechCodec . . . . . . . . . . . . 287
7.11.1 IS-136CodecOutline. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 287
7.11.2 IS-136Bit-allocationScheme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 289
7.11.3 FixedCodebookSearch . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 290
7.11.4 IS-136ChannelCoding. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 291
7.12 TheITUG.723.1Dual-rateCodec . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 292
7.12.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 292
7.12.2 G.723.1EncodingPrinciple . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 292
7.12.3 Vector-quantisationoftheLSPs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 294
7.12.4 Formant-basedWeightingFilter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 295
7.12.5 The6.3kbpsHigh-rateG.723.1Excitation. . . . . . . . . . . . . . 296
7.12.6 The5.3kbpsLow-rateG.723.1Excitation . . . . . . . . . . . . . . 297
7.12.7 G.723.1BitAllocation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 298
7.12.8 G.723.1ErrorSensitivity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 300
7.13 AdvancedMultirateJD-CDMATransceiver. . . . . . . . . . . . . . . . . . 302
7.13.1 MultirateCodecsandSystems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 302
CONTENTS xi
7.13.2 SystemOverview . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 305
7.13.3 TheAdaptiveMultirateSpeechCodec . . . . . . . . . . . . . . . . 306
7.13.3.1 AMRCodecOverview . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 306
7.13.3.2 LinearPredictionAnalysis . . . . . . . . . . . . . . . . . 307
7.13.3.3 LSFQuantisation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 308
7.13.3.4 PitchAnalysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 308
7.13.3.5 FixedCodebookwithAlgebraicStructure . . . . . . . . . 308
7.13.3.6 Post-processing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 310
7.13.3.7 TheAMRCodec’sBitAllocation . . . . . . . . . . . . . . 311
7.13.3.8 CodecModeSwitchingPhilosophy . . . . . . . . . . . . . 311
7.13.4 TheAMRSpeechCodec’sErrorSensitivity . . . . . . . . . . . . . 312
7.13.5 RRNS-basedChannelCoding . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 315
7.13.5.1 RRNSOverview . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 315
7.13.5.2 Source-matchedErrorProtection . . . . . . . . . . . . . . 316
7.13.6 JointDetectionCodeDivisionMultipleAccess . . . . . . . . . . . 318
7.13.6.1 Overview . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 318
7.13.6.2 Joint Detection Based Adaptive Code Division Multiple
Access . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 319
7.13.7 SystemPerformance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 319
7.13.7.1 SubjectiveTesting . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 326
7.13.8 Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 327
7.14 ChapterSummary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 327
8 Backward-adaptiveCodeExcitedLinearPrediction 331
8.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 331
8.2 MotivationandBackground . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 331
8.3 Backward-adaptiveG728CodecSchematic . . . . . . . . . . . . . . . . . . 334
8.4 Backward-adaptiveG728CodingAlgorithm . . . . . . . . . . . . . . . . . 336
8.4.1 G728ErrorWeighting . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 336
8.4.2 G728Windowing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 337
8.4.3 CodebookGainAdaption. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 341
8.4.4 G728CodebookSearch . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 343
8.4.5 G728ExcitationVectorQuantisation . . . . . . . . . . . . . . . . 345
8.4.6 G728AdaptivePost-filtering . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 347
8.4.6.1 AdaptiveLong-termPost-filtering. . . . . . . . . . . . . . 348
8.4.6.2 G.728AdaptiveShort-termPost-filtering . . . . . . . . . . 350
8.4.7 ComplexityandPerformanceoftheG728Codec . . . . . . . . . . 351
8.5 Reduced-rateG728-likeCodec:Variable-lengthExcitationVector . . . . . . 351
8.6 TheEffectsofLong-termPrediction. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 354
8.7 Closed-loopCodebookTraining . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 359
8.8 Reduced-rateG728-likeCodec:Constant-lengthExcitationVector . . . . . . 364
8.9 Programmable-rate8–4kbpsLow-delayCELPCodecs . . . . . . . . . . . . 365
8.9.1 Motivation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 365
8.9.2 8–4kbpsCodecImprovementsDuetoIncreasingCodebookSizes . 366
8.9.3 8–4kbpsCodecs–ForwardAdaptionoftheShort-termSynthesis
Filter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 367