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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
© Fraunhofer IDMT
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
P f D I K lh i B d b k lh i b d b @t il d S it 19
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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
P f D I K lh i B d b k lh i b d b @t il d S it 23
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
P f D I K lh i B d b k lh i b d b @t il d S it 25
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»
P f D I K lh i B d b k lh i b d b @t il d S it 26
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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Prof. Dr.-Ing. Karlheinz Brandenburg, karlheinz.brandenburg@tu-ilmenau.de Seite 28
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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