Joint source-channel coding: application to speech ... - bmt-online.org

Aston University
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Centro de Investigación y de Estudios Avanzados del Instituto Politécnico
Nacional
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École Nationale Supérieure des Télécommunications de Bretagne Joint source-channel coding:
application to speech coding Dissertation by
Bertrand Mollinier Toublet
for the programme of
Master of Science in Telecommunications Technology Aston University Note
This is a joint research program led by the Cinvestav in Mexico and
the ENST de Bretagne in France.
It is effectively led as a scientific cooperation exchange between
France and Mexico, managed and funded by ECOS-Nord in France and
ANUIES/CONACYT in Mexico: while the responsible teachers in the respective
universities managed the project, a French student went to Mexico for four
months from April 20th to August 20th, and a corresponding Mexican student
went to the French university from September on. Summary
While mainly a Matlab and C exercise in its realisation, this project
is based on theories of both speech-optimised coding, also referred to as
vocoding, which is an optimisation of standard audio signal coding for the
specificity of speech, and joint source and channel coding, a novel theory
of general signal coding, that goes in exactly the opposite direction as
the one established by the Shannon theorem of separation.
Given the conditions of the project, I had to decide, jointly with
Arturo Veloz and Jean-Marc Boucher, the two professors responsible for this
project, and Fernando Villavicencio, the exchange student associated with
the project, on a "close-to-real-life" application. Considerations of
practicality and feasibility led us to decide to choose and include the
vocoder developed by Fernando for his MSc project, as well as the North
American CDMA standard IS-95A into our application. The application would
support experimentation on joint coding over fading channels, as required
in the project outline (refer to Appendix A).
This dissertation aims at reporting the work achieved during the
project, and the results obtained. It is organised in three chapters.
Chapter 1 will present background information and report some state-of-the-
art in speech coding and joint source-channel coding. In turn, Chapter 2
will present in greater detail the components chosen in the project:
Fernando Villavicencio's TCENLP vocoder, and the IS-95A CDMA standard.
Finally, Chapter 3 will present implementation details of the project, as
well as the results we could obtain from our study.
Unfortunately, the implementation of a working system proved to take
up most of the time resource allocated for the project so that while
implementation details are numerous, results are few. While our attempt at
a scheme of joint coding proved a failure, it taught the author a valuable
lesson. Furthermore, the project leaves a working implementation that may
be re-used later on for more ambitions projects. Résumé
Bien que ce projet soit principalement un exercice de C et de Matlab
dans sa forme, il est basé sur les deux théories du codage optimisé pour la
parole, aussi connu comme le vocodage, qui se définit comme une
optimisation du codage audio standard, adaptée aux spécificités de la
parole, et du codage conjoint source-canal, une théorie émergeante de
codage de données, qui va exactement a l'opposé de la ligne établie par le
théorème de séparation de Shannon.
Étant données les conditions du projet, il a fallu décider,
conjointement avec Arturo Veloz et Jean-Marc Boucher, les deux professeurs
responsables du projet, et Fernando Villavicencio, l'étudiant mexicain
associé au projet, d'une application proche de la réalité. Des
considérations pratiques nous ont menés à choisir d'inclure dans notre
application le vocodeur développé par Fernando dans le cadre de sa
maîtrise, ainsi que le standard CDMA nord-américain IS-95A. L'application
ainsi développée supporterait l'expérimentation de codage conjoint sur un
canal de type Rayleigh, ainsi que requis dans la définition du projet.
Le but de cette dissertation est de rapporter le travail effectué au
cours du projet, ainsi que de présenter les résultats obtenus. Elle est
organisée en trois chapitres. Le premier présente les théories et l'état de
l'art en matière de codage de parole et de codage conjoint. Le chapitre 2
présente pour sa part plus en détail les composants utilisés : le codeur
TCENLP de Fernando, et le standard IS-95A. Finalement, le chapitre 3
présentera les détails de l'implémentation de notre application, ainsi que
les résultats de nos analyses.
Malheureusement, l'implémentation d'une application qui tourne a
consommé la plupart des ressources allouées au projet, si bien que les
détails d'implémentation sont plus fournis que les résultats. Bien que
notre essai de codage conjoint se soit avéré être un échec, l'expérience a
permis à l'auteur de se débarrasser d'une idée préconçue. De plus, le
projet a permis la réalisation d'une application qui pourra être réutilisée
pour de futurs et plus ambitieux projets. Introducción
Aunque principalmente un ejercicio de C y Matlab en su realización,
este proyecto esta basado en ambas teorías de codificación optimizada para
la voz, o más bien vocoding, que consiste en una optimización de la
codificación estándar de señal audio para la especificidad de la voz, y de
codificación conjunta de fuente y canal, una teoría nueva de codificación
de señal arbitraria, que va en el rumbo opuesto del establecido por el
teorema de separación de Shannon.
En relación con las condiciones del proyecto, tuve que decidir,
conjuntamente con los profesores Arturo Veloz y Jean-Marc Boucher,
encargados del proyecto, y Fernando Villavicencio, el estudiante mexicano
asociado al proyecto, de una aplicación "realista". Decidimos elegir e
incluir el vocoder TCENLP desarrollado por Fernando para su proyecto de
Maestría, tal como el estándar CDMA Norte-Americano IS-95A en nuestra
aplicación. La aplicación soportaría la experimentación con codificación
conjunta sobre canales de tipo Rayleigh, como especificado en el proyecto
(en Appendix A.)
Está disertación tiene como objetivo presentar el trabajo hecho
durante el proyecto, y los resultados obtenidos. Esta organizada en tres
capítulos. Capítulo 1 presentara la teoría y el estado del arte en
codificación de voz y codificación conjunta. A su vez, el capítulo 2
presentara mas detalles de los componentes elegidos en el proyecto: el
vocoder TCENLP de Fernando y el estándar CDMA IS-95A. Finalmente, el
capítulo 3 presentara detalles de implementación del proyecto, como
resultados que pudimos obtener de nuestros estudios.
Desgraciadamente, la implementación de un sistema que funciona ocupó
la mayor parte de los recursos del proyecto, así que aunque detalles de
implementación son numerosos, resultados son pocos. Aunque el esquema de
codificación conjunta que intentemos implementar resultó en un fracaso, el
autor aprendió una lección valuable. Más bien, el proyecto deja una
implementación que funciona y que podrá ser reutilizada en proyectos
futuros. Acknowledgements
This project, besides my coming to the lab and doing some work from
time to time, owes much to the effort of many, that either helped me,
pushed me or supported me in one way or another before, during and after
the stay in Guadalajara. Many thanks to them all.
First of all, thank you to Jean-Marc Boucher, at ENST de Bretagne, for
accepting me into this project. I sure hope he will not be disappointed in
the work achieved during the project. I also wish to thank los doctores
Arturo Veloz y Deni Torres Román for the welcome at the Cinvestav, the
friendly support, and for making material considerations so much easier for
me.
My fellow co-workers also deserve their fair share of acknowledgement:
Fernando Villavicencio, for all the interesting insights on the Mexican way
of life - table dance not being the least of all -, Miguel Angel Alonso
Arévalo, for letting me discover the not-so-subtle taste of beef's
virility, Javier, Alex, Chuy, Edgar and Verdin at the lab for the Mexican
(and Mayan) vocabulary lessons, the nights at the pool and the
unforgettable concert at la Concha Acústica.
I also need to thank Lydie and Delphine at ECOS-Nord for their strong
and very welcome support and help in obtaining the Mexican visa, as well as
an anonymous lady at the Mexican Consulate for allowing the bending of the
- otherwise extremely impractical - opening times of the Consulate.
Maria and Manuel de Manjarrez deserve all my affection for the warm
welcome at their home during our four months stay and for giving me the
feeling of being at home ten thousand kilometres away from it.
Finally, I'd like to thank my Bebbe for the good times always. Table of contents
Note i
Summary i
Résumé ii
Introducci