Übertragungssysteme

WS 2011/2012

Vorlesung 7

Prof. Dr.-Ing. Karlheinz BrandenburgKarlheinz.Brandenburg@tu-ilmenau.de

Kontakt:Dipl.-Ing.(FH) Sara Kepplinger / Dipl.-Inf. Thomas Köllmer

vorname.nachname@tu-ilmenau.de

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Audiocodierung – Wdhlg. Sprachcodierung / spezielle Coder – Beispiele Audiocodierung und Entwicklung – MPEG Audio – Surroundverfahren

Bisher: Gehör nd gehörangepasste Codier ng• Gehör und gehörangepasste Codierung

• Sprachcodierung• Spezielle CoderSpezielle Coder

Heute:• Beispiele Audiocodierung u. Entwicklung• MPEG Audio

Surroundverfahren• Surroundverfahren

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Hybride CoderAudiocodierung – Wdhlg. Sprachcodierung / spezielle Coder – Beispiele Audiocodierung und Entwicklung – MPEG Audio – Surroundverfahren

„Waveform“ Coder:

y

Gute Sprachqualität, aber relativ hohe Datenraten

„Vocoder“:Sehr niedrige Datenraten aber nnatürlicher Klang Gr nd Beschreib ng des Sehr niedrige Datenraten, aber unnatürlicher Klang. Grund: Beschreibung des LPC-Restsignals durch Rauschen und regelmäßige Impulsfolgen ist zu simplistisch. Das LPC-Restsignal enthält einen großen Teil der sprechertypischen Signaleigen-schaften. (Anm.: Modellierung des Sprachtrakts durch Filter ist ausreichend gut)

Kompromiss: „Hybride Coder“W it h d P t t kti d h LPC A l (i l L it ädikti ) Weitgehende Parameterextraktion durch LPC-Analyse (incl. Langzeitprädiktion)

Sehr kompakte Darstellung des Restsignals (Erregung) durch Vektorquantisierung

Minimierung des Fehlers durch "Analysis-by-Synthesis"

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g y y y

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Hybride CoderAudiocodierung – Wdhlg. Sprachcodierung / spezielle Coder – Beispiele Audiocodierung und Entwicklung – MPEG Audio – Surroundverfahren

Die "Analysis-by-Synthesis"-Technik (AbS):

y

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Hybride CoderAudiocodierung – Wdhlg. Sprachcodierung / spezielle Coder – Beispiele Audiocodierung und Entwicklung – MPEG Audio – Surroundverfahren

Codierung mit Hilfe von "Analysis-by-Synthesis":

Generiere Erregungssignal x(n) für Parametersatz

y

Generiere Erregungssignal x(n) für Parametersatz

Synthetisiere Sprachsignal s(n) durch Filterung

Errechne Fehlersignal e(n)Errechne Fehlersignal e(n)

Wichte Fehlersignal durch Bewertungsfilter ew(n)

Errechne Fehlermaß

Wiederhole Schritte mit neuem Parametersatz bis optimale Lösung gefunden

A l i b S th i Analysis-by-Synthesis ...

ermöglicht das Finden der besten Lösung auch bei Problemen, die nicht analytisch lösbar sind

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y

erlaubt das Einbeziehen wahrnehmungsbedingter Effekte mittels des Bewertungsfilters Nutzung von Irrelevanz

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Hybride CoderAudiocodierung – Wdhlg. Sprachcodierung / spezielle Coder – Beispiele Audiocodierung und Entwicklung – MPEG Audio – Surroundverfahren

Arten der Generierung des Erregungssignals:

y

Multi Pulse Excitation (MPE)

Erregungssignal besteht aus Impulsen variabler Position und Amplitude

B i P i i & A li d fü j d I l Bestimmung von Position & Amplitude für jeden Impuls

Regular Pulse Excitation (RPE)

Erregung besteht aus regelmäßig angeordneten Impulsen variabler Erregung besteht aus regelmäßig angeordneten Impulsen variabler Amplitude

Bestimmung von Startposition, Impulsabstand und Amplituden

Code Excited Linear Prediction (CELP)

Erregungssequenzen werden als Vektoren in einem Codebuch abgespeichert (Vektorquantisierung VQ) Gesendet wird der am

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abgespeichert (Vektorquantisierung, VQ). Gesendet wird der am besten passendste Eintrag im Codebuch Suchalgorithmus

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Funktionsdiagramm eines CELP Coders:Audiocodierung – Wdhlg. Sprachcodierung / spezielle Coder – Beispiele Audiocodierung und Entwicklung – MPEG Audio – Surroundverfahren

g

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Charakteristika von CELP Codern:Audiocodierung – Wdhlg. Sprachcodierung / spezielle Coder – Beispiele Audiocodierung und Entwicklung – MPEG Audio – Surroundverfahren

Außerordentlich erfolgreich im Bereich der Telekommunikation (G 723 1 G 728 G 729 )(G.723.1, G.728, G.729 ...)

Niedrige Bitraten möglich (4.8 ... 16 kbit/s)

Gute Sprachverständlichkeit und NatürlichkeitGute Sprachverständlichkeit und Natürlichkeit

Aufwendige Codebuchsuche (erste Implementierungen: 125s Rechenzeit für 1s Sprache auf CRAY-1 Rechner !)

etliche Variationen verfügbar

Orthogonalisierung der Vektoren (z.B. VSELP)

N il i b C d b h i ä Nur teilweise besetzte Codebucheinträge

Strukturierte Codebücher

Berechnung im Frequenzbereich

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Berechnung im Frequenzbereich

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ÜbersichtAudiocodierung – Wdhlg. Sprachcodierung / spezielle Coder – Beispiele Audiocodierung und Entwicklung – MPEG Audio – Surroundverfahren

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Gehörangepasste CodierungAudiocodierung – Wdhlg. Sprachcodierung / spezielle Coder – Beispiele Audiocodierung und Entwicklung – MPEG Audio – Surroundverfahren

Beschreibung der Teilblöcke eines perceptual coders

g p g

Analyse-Filterbank Aufgabe:

Aufteilung in Spektralbereiche

K iß Z i flö d F flö i di Kompromiß zw. Zeitauflösung und Frequenzauflösung ist notwendig

Schätzung der aktuellen Hörschwelle: je besser das verwendete Modell, desto geringere Datenrate kann erreicht werden, g g

Quantisierung und Codierung:

abhängig von der Filterbank, notwendig sind flexible Anpassung an di S i ik d Ei d d R d d d k idie Statistik der Eingangsdaten und gute Redundanzreduktion

Zusammensetzung des Bitstroms: weitgehend abhängig von den anderen Blöcken, hier können Maßnahmen zur Verbesserung der

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, gRobustheit gegen Kanalstörungen ergriffen werden

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Struktur eines typischen "Perceptual Coders"Audiocodierung – Wdhlg. Sprachcodierung / spezielle Coder – Beispiele Audiocodierung und Entwicklung – MPEG Audio – Surroundverfahren

yp p

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Audiocodierung – Wdhlg. Sprachcodierung / spezielle Coder – Beispiele Audiocodierung und Entwicklung – MPEG Audio – Surroundverfahren

Bisher: Gehör nd gehörangepasste Codier ng• Gehör und gehörangepasste Codierung

• Sprachcodierung• Spezielle CoderSpezielle Coder

Heute:• Beispiele Audiocodierung u. Entwicklung• MPEG Audio

Surroundverfahren• Surroundverfahren

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Subband-Codierung (auch Transform Coding)Audiocodierung – Wdhlg. Sprachcodierung / spezielle Coder – Beispiele Audiocodierung und Entwicklung – MPEG Audio – Surroundverfahren

Zeitbereichsverfahren (nicht Subband-Codierung)

g ( g)

Behandlung des Eingangssignals als einzelnes breitbandiges Signal. Verringerung der Redundanz durch Prädiktion und inverse Filterung im Empfänger. p g

Frequenzbereichsverfahren

Aufteilung des Signals in spektrale Komponenten, getrennte CodierungAufteilung des Signals in spektrale Komponenten, getrennte Codierung dieser Komponenten. Ziel: unkorrelierte Komponenten quantisieren und codieren. Vorteil: die Zahl der Bits, mit denen jede Komponente codiert wird, ist variabel.,

Vorteile von Subband-Codern:

Einfache Kontrolle über Genauigkeit der Quantisierung

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Einfache Ausnutzung von Maskierungseffekten möglich

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Block diagram of sub-band coding (SBC)Audiocodierung – Wdhlg. Sprachcodierung / spezielle Coder – Beispiele Audiocodierung und Entwicklung – MPEG Audio – Surroundverfahren

( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( )

g g ( )

MDEM

Decoder 1Encoder 1 BPF 1BPF 1

X1(t) X1(t) u1(n) v1(n) y1(n) y1(t)

fST = 2Wf ULTIP

MULTI y(t)

fST = 2Wf

PLEXE

IPLEX

y( )

X(t)

f = 2W

+

ER

XER Decoder MEncoder M BPF MBPF M

fSM = 2WM

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Transmitter Channel Receiver

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QMF-FilterbänkeAudiocodierung – Wdhlg. Sprachcodierung / spezielle Coder – Beispiele Audiocodierung und Entwicklung – MPEG Audio – Surroundverfahren

QMF: Quadrature Mirror Filter

Beispiel für alias Cancellation (Auslöschung von Überfaltungsfehlern):

Spiegeleigenschaften:

E ü h ( b i h k li i b ) Erwünscht (aber nicht exakt realisierbar):

Erweiterungen: Verallgemeinerte QFM-Filter (GQMF), QMF mit IIR-Filtern

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Analyse/Synthese mit HalbbandfilternAudiocodierung – Wdhlg. Sprachcodierung / spezielle Coder – Beispiele Audiocodierung und Entwicklung – MPEG Audio – Surroundverfahren

y y

2:1 Unter- 1:2 Inter-abtastung polation h1(n)h1(n)

+TiefpassTiefpass

2:1 Unter-abtastung

1:2 Inter-polation h2(n)h2(n)

HochpassHochpass

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Filterbaum aus Halbbandfiltern mit Unterabtastung (´HB`)Audiocodierung – Wdhlg. Sprachcodierung / spezielle Coder – Beispiele Audiocodierung und Entwicklung – MPEG Audio – Surroundverfahren

g ( )

HB

HB

HB

HB

HB

HB

HB

HB

HB

HB

HB

HB

HB

HB

HB

HB

HB

HB

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Berechnung von

8 Teilbändern

Rekonstruktion des Signals

aus 8 Teilbändern

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SB-ADPCM, G722 Audiocodierung – Wdhlg. Sprachcodierung / spezielle Coder – Beispiele Audiocodierung und Entwicklung – MPEG Audio – Surroundverfahren

,

Johnston (Bell Labs) 1979, CCITT 1986

Ziel: Übertragung hochwertiger Sprachsignale über das Telefonnetz

Qualitätsbezeichnung: commentary grade

Ab 16 kH Abtastrate: 16 kHz

Datenrate: 64 kbps

Halbbandfilter (QMF) Halbbandfilter (QMF)

feste Bitzuteilung

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Der Critical Band CoderAudiocodierung – Wdhlg. Sprachcodierung / spezielle Coder – Beispiele Audiocodierung und Entwicklung – MPEG Audio – Surroundverfahren

M.A. Krasner, MIT Lincoln Laboratories, 1979

erste gehörangepasste Codierung von Musiksignalen

Abtastfrequenz: 32kHz

Analyse/Synthese: QMF-Filterbaum der Tiefe 2 bis 7 Bandbreite 117 Hz bis 3.75 kHz (entsprechend den Frequenzgruppen)

k i f tl f d B h d Hö h ll b t keine fortlaufende Berechnung der Hörschwellen, aber worst-case-Betrachtung

Quantisierung mit Block-Kompandierung, feste Bitordnung nachQuantisierung mit Block Kompandierung, feste Bitordnung nach psychoakustischen Kriterien

Datenrate 123.8 kbps

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MSCAudiocodierung – Wdhlg. Sprachcodierung / spezielle Coder – Beispiele Audiocodierung und Entwicklung – MPEG Audio – Surroundverfahren

Krahé und andere, Universität Duisburg, 1985

erste gehörangepasste Transformations-codierung

Analyse/Synthese: FFT mit Umrechnung in Betrag/Phase Fensterlänge: 1024 ATWFensterlänge: 1024 ATW

Fensterform: sine-taper, Überlappung 64 ATW

threshold estimation: nur in-Band-Verdeckung berücksichtigtg g

Quantisierung: Block-KompandierungGrobquantisierung: 2 bit je Betragswert

Feinquantisierung: Betrag und Phase, nach psychoakustischen Kriterien

preecho control: Zusätzliche Kompandierung im Zeitbereich

Datenrate: 2 5 bis 3 bit/ATW

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Datenrate: 2.5 bis 3 bit/ATW

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PXFMAudiocodierung – Wdhlg. Sprachcodierung / spezielle Coder – Beispiele Audiocodierung und Entwicklung – MPEG Audio – Surroundverfahren

J.D. Johnston, AT&T Bell Labs, 1988,1990F lt it di f ti K kt DC i Faltung mit spreading function, Korrektur um DC-gain

bit packing, Anpassung der Quantisierungsstufen in einer Iterationsschleife erste explizite Berücksichtung p g

der Tonalität Fensterlänge 2048, 1/16

overlap

13,5 kHz Tiefpass, ADC

Fensterungp noise allocation lineare Quantisierung

Fensterung

Transformation

(2048 Pkt. FFT)Berechnung der

Maskierungsschwelle joint stereo coding (s.u.)( 0 8 t )

Quantisierer

Maskierungsschwelle

Anpassung der

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bit packing

Quantisierungsstufen

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OCFAudiocodierung – Wdhlg. Sprachcodierung / spezielle Coder – Beispiele Audiocodierung und Entwicklung – MPEG Audio – Surroundverfahren

Brandenburg, Universität Erlangen, 1987, 1988 Grundidee: ein weißes Störspektrum (Optimum im Sinn des kleinsten p ( p

quadratischen Fehlers) kann auch durch Verwendung eines Quantisierers für das ganze Spektrum erreicht werden. Dann ist die Verwendung eines Entropie-Coders notwendig, um Datenreduktion zu erreichen.

Zur Einhaltung der erlaubten Störung kann nach der Quantisierung die Störung je Frequenz-gruppe überprüft werden (analysis-by-synthesis)

Ausführung (Version von 1988): MDCT-Filterbank mit Fensterlänge 1024 oder 512 explizite Berechnung der erlaubten Störung mit vereinfachtem Modell

B h j F Berechnung je Frequenzgruppe keine Beachtung der Tonalität Maximums-Rechnung statt Faltung

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g g nichtlineare Quantisierung (Quantisierungsfehler abhängig von Amplitude) Huffman-Codierung von Paaren von Spektral-werten

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Block diagram of the OCF-Coder: iteration loopsAudiocodierung – Wdhlg. Sprachcodierung / spezielle Coder – Beispiele Audiocodierung und Entwicklung – MPEG Audio – Surroundverfahren

Loop 1W

g p

QuantizerEntropy

CoderOutput

L 2

W

Psychoacustic Weightingside information

Loop 2

W = Weighting factors

Bl k di f th OCF D dBlock diagram of the OCF-DecoderTransform

synthesis windowdemultiplex

huffman

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overlap and addhuffman

decode

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Block diagram of the OCF-CoderAudiocodierung – Wdhlg. Sprachcodierung / spezielle Coder – Beispiele Audiocodierung und Entwicklung – MPEG Audio – Surroundverfahren

available bits

g

Input Calculation It ti

available bits

p

overlap

Calculation

of

masking

threshold MPX

Iteration

until

bit count < avail. Bits

andanalysis

window

and

quantization

noise lower

than maskingtransform

than masking

threshold

Quantizer (nonlinear)

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Quantizer (nonlinear)

entropy coderMPX = Multiplex of side

information and main data

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Low-Complexity-ATCAudiocodierung – Wdhlg. Sprachcodierung / spezielle Coder – Beispiele Audiocodierung und Entwicklung – MPEG Audio – Surroundverfahren

Brandenburg, Universität Erlangen, 1987, ähnlich bei Dolby Labs, 1989

p y

(AC-2)

abgeleitet aus der klassischen ATC

Blockkompandierung dadurch keine Übersteuerung Blockkompandierung, dadurch keine Übersteuerung

Bitzuteilung je Band und nicht je Linie/Teilband

Einteilung der Bänder nach PsychoakustikEinteilung der Bänder nach Psychoakustik

Bitzuteilung:

Minimalwerte zur Sicherstellung der Maskierungg g

Beachtung der Tonalität durch Energie-proportionale Aufteilung der Rest-Bits

i f ht Bit t il fü T ilbit

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vereinfachte Bitzuteilung für Teilbits

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MUSICAMAudiocodierung – Wdhlg. Sprachcodierung / spezielle Coder – Beispiele Audiocodierung und Entwicklung – MPEG Audio – Surroundverfahren

MASCAM: Theile, Stoll, Link, Institut für Rundfunktechnik, 1986

MUSICAM IRT CCETT Phili M t hit 1990 MUSICAM: IRT, CCETT, Philips, Matsushita 1990

Subband-Codierung, d.h. gute Zeitauflösung, schlechte requenzauflösung

erste Versionen: QMF-Baum als Filterbank erste Versionen: QMF-Baum als Filterbank

letzte Version (1990): Polyphasen-Filterbank, 32 Kanäle

Parallel-FFT zur feineren Berechnung der Maskierungg g

Tonalitätsberechnung durch lokalen Größenvergleich der Spektralwerte

Blockkompandierung der Teilbänder

Direkte Übertragung der Bitzuteilung

Datenreduktion bei den Skalenfaktoren durch «skale factor select information»

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information»

Anordnung der Daten im Bitstrom ermöglicht Decodierung von der vollständigen Übertragung eines Datenblockes

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MUSICAM EncoderAudiocodierung – Wdhlg. Sprachcodierung / spezielle Coder – Beispiele Audiocodierung und Entwicklung – MPEG Audio – Surroundverfahren

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MUSICAM DecoderAudiocodierung – Wdhlg. Sprachcodierung / spezielle Coder – Beispiele Audiocodierung und Entwicklung – MPEG Audio – Surroundverfahren

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Joint stereo codingAudiocodierung – Wdhlg. Sprachcodierung / spezielle Coder – Beispiele Audiocodierung und Entwicklung – MPEG Audio – Surroundverfahren

g

Statistische Beobachtungen: Korrelationen im Zeitbereich nicht vorhanden Korrelationen im Frequenzbereich nur für BetragswerteKorrelationen im Frequenzbereich nur für Betragswerte

Psychakustik von Stereosignalen:d P t ff kt ( t ki ) der «Party-effekt» (stereo unmasking)

hohe Frequenzen sind weniger wichtig für den Raumeindruck

Vorgeschlagene Verfahren: MS-Stereophonie: Matrizierung, angepasste Psychoakustik intensity stereo: nur ein Signal bei hohen Frequenzen Richtung steuerbar

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intensity-stereo: nur ein Signal bei hohen Frequenzen, Richtung steuerbar über Skalenfaktoren

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ASPECAudiocodierung – Wdhlg. Sprachcodierung / spezielle Coder – Beispiele Audiocodierung und Entwicklung – MPEG Audio – Surroundverfahren

Uni Erlangen, FhG, AT&T Bell Labs, Deutsche Thomson-Brandt, CNET, 1990

Analyse/Synthese: MDCT mit geschalteten Blocklängen

Berechnung der erlaubten Störung: 2 Modelle Berechnung der erlaubten Störung: 2 Modelle

einfache Psychoakustik: wie OCF

verbesserte Psychoakustik: wie PXFM + 1/3-Frequenzgruppe Auflösungverbesserte Psychoakustik: wie PXFM 1/3 Frequenzgruppe Auflösung + lokale Tonalität (wie Hybrid)

Quantisierung/Codierung: wie OCF, aber Ergänzungen

zusätzliche Auswahl von Huffman-Code-Tab.

weitere Unterteilung des Spektrums (bessere Anpassung der Tabellen)

St d F t h lt d h Z itb i h k it i

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Steuerung der Fensterumschaltung: durch Zeitbereichskriterium

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ASPECAudiocodierung – Wdhlg. Sprachcodierung / spezielle Coder – Beispiele Audiocodierung und Entwicklung – MPEG Audio – Surroundverfahren

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Time/Frequency Breakdown of Hybrid Analysis StructureAudiocodierung – Wdhlg. Sprachcodierung / spezielle Coder – Beispiele Audiocodierung und Entwicklung – MPEG Audio – Surroundverfahren

24 kHz

q y y y

64

frequency

lines

64

frequency

lines

64

frequency

lines

64

frequency

lines

64

frequency

lines

64

frequency

lines

64

frequency

lines

64

frequency

lines

12 kHz

24 kHz

64 frequency lines 64 frequency lines 64 frequency lines 64 frequency lines

6 kHz

64 frequency lines 64 frequency lines

128 frequency linesfrequency

3 kHz

1024 time domain samples

Time

q y

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OrganisatorischesAudiocodierung – Organisatorisches

Nächste Vorlesung: Montag 28 11 2011 17:00 Uhr SrHU129

g

Montag, 28.11. 2011, 17:00 Uhr, SrHU129

Nächstes Seminar:Nächstes Seminar: Montag, 12.12. 2011, 17:00 Uhr Curie HS

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