Avoimen formaatin äänitallennin : Kitaratallentimen toteutuksen kannattavuuspohdintaa

Työn tarkoituksena oli suunnitella yksinkertainen digitaalinen kitaratallennin piirikaaviotasolla ja tarkastella, onko laitteen toteuttaminen kannattavaa markkinoilla oleviin laitteisiin verrattuna. Työ aloitettiin tarkastelemalla markkinoilla nykyisin olevia laitteita. Työssä tarkasteltiin äänentallennuksen teoriaa ennen laitteen suunnittelua. Tutkitun tiedon perusteella valittiin sovellukseen sopiva AD-muunnintekniikka ja pakkausformaatti. Laitteen suunnittelu aloitettiin komponenttien valinnalla. Äänenkäsittelypiiriksi valittin VLSI VS8053 ja tallennusratkaisuksi SD-muistikortti. Laitteen toimintaa ohjaa Atmel ATMega328 -mikrokontrolleri SPI-väylän kautta. Laitteen ohjelmointia käsiteltiin työssä teoriatasolla, mutta työssä käytettyjen kytkentöjen toimintaa testattiin esimerkkiohjelmilla, joita voitaisiin hyödyntää myös varsinaisessa ohjelmassa. Laitteen todennäköinen hintaluokka arvioitiin käytettyjen komponenttien jälleenmyyntihintojen perusteella. Hintaluokan perusteella laitteen toteuttamista ei todettu kannattavaksi, koska laitteessa on ainoastaan perustallennusominaisuudet. Työssä esitellään parannusehdotuksia, joilla laite voitaisiin saada tuotantokelpoiseksi.The aim of the thesis is to design a simple digital guitar recorder pedal on a schematics level and to evaluate the profitability of the device compared to the recorders currently on market. A correct AD converter technology and audio compressing format have to be decided before the design process. Therefore the thesis covers the basic theories of audio recording, AD converters and audio compressing formats. The design process is started with the selection of the core components. VLSI VS8053 codec circuit was selected for audio compression and the audio data is stored on a SD memory card. The functions of the device are controlled by Atmel ATMega328 microcontroller via SPI bus. The programming of the device is covered only on a shallow theoretical level, but the designed connections are tested with sample codes, which could be utilized in the actual source code. The probable price class of the device was approximated by examining the cost of the components. The production of the device was considered not to be profitable, because the price class would be too high considering the functions of the device compared to the competitors already on the market. The thesis offers suggestions for further design to make the device more profitable

Moninopeuksinen puheenkoodaus matkapuhelinverkoissa

Puheenkoodaus on tärkeä osa matkapuhelinverkoissa tapahtuvaa puheviestintää. Puhesignaali pyritään kuudata mahdollisimman pienellä bittimäärällä säilyttäen kuitenkin puhesignaalin laatu hyväksyttävällä tasolla. Tässä diplomityössä tutkitaan adaptiivista moninopeuksista puheenkoodausta (AMR) ja sen käyttöä toisen ja kolmannen sukupolven matkapuhelinverkoissa. Aiempiin puheenkoodausmenetelmiin verrattuna AMR-puheenkoodauksella saavutetaan toisen sukupolven GSM-matkapuhelinverkoissa huomattavasti parempi virhesietoisuus ja kolmannen sukupolven matkapuhelinverkoissa vastaavasti pyritään sovittamaan samaan rajalliseen siirtokaistaan useampia puhekanavia tai vapauttamaan kaistaa muulle tiedonsiirrolle. Työssä käsitellään lyhyelti puheenkoodauksen perusteita sekä matkapuhelinverkkojen arkkitehtuuria. AMR-puheenkoodaukseen tutustutaan melko perusteellisesti. Teoreettisen osan jälkeen perehdytään AMR-puheenkoodauksen toteuttamiseen erään matkapuhelinverkkovalmistajan verkkoelementeissä

Kolmannen sukupolven mediayhdyskäytävän ohjelmiston sovittaminen GSM-verkon transkooderiin

Digitaalisissa matkapuhelinverkoissa puheen koodauksella pyritään sekä radiotien tehokkaaseen käyttöön että riittävään puheenlaatuun loppukäyttäjille. Käytettyjä puhekoodekkeja on lukuisia ja varmistaakseen niin verkon sisäinen kuin myös verkkojen välinen yhteensopivuus, on matkapuhelinverkon tarjottava DSP-pohjaista puheen transkoodausta. GSM-verkoissa kyseistä toimintoa hoitaa transkoodaus- ja nopeudensovitusyksikkö (TRAU), kun taas 3G-verkoissa puheenkoodaus tapahtuu mediayhdyskäytäväyksikössä (MGW). Kahden erillisen, mutta periaatteessa täysin samaa tehtävää tekevän yksikön valmistus ja ylläpito on tehoton ratkaisu niin laitevalmistajan kuin myös teleoperaattorin kannalta, varsinkin kun eri verkot ovat vahvasti integroitumassa yhteiseen runkoverkkoon. Tässä työssä käsitelläänkin edellä mainittujen verkkoelementtien tulevaisuuden näkymiä sekä yhdistämismahdollisuuksia laitevalmistajan näkökulmasta. Innokkaimmista ennustuksista huolimatta erillisellä GSM-transkooderilla tullee olemaan vielä pitkäaikaiset markkinat varsinkin kehittyvillä talousalueilla, joissa operaattoreilla ei ole vielä aikomustakaan investoida 3G-teknologiaan. Yksiköiden samankaltaisuutta voidaan kuitenkin hyödyntää myös ohjelmistopuolella, jolloin DSP-ohjelmistojen kehitys- ja ylläpitokulut voivat pienentyä dramaattisesti. Työ sisältää siten myös tarkemman kuvauksen mediayhdyskäytäväyksikön DSP-ohjelmiston sovittamisesta GSM-verkon transkooderiyksikköön

Monikanavainen transkooderiohjelmisto GSM järjestelmään

GSM (Global System for Mobile Communications) on maailman suosituin 2G mobiliiverkkoteknologia. GSM-käyttäjämäärän kasvu oli erittäin nopeaa 1990-luvun aikana, mutta se alkoi hidastua 2000-luvulle tultaessa. Nykyisten ennusteiden mukaan kasvu jatkuu vielä jonkin aikaa. GSM-markkinaa voidaan tarkastella kahdessa eri osassa. Kehittyneet maat muodostavat osamarkkinan, jonka käyttäjämäärä on käytännössä saturoitunut. Toisen osan markkinaa muodostavat kehittyvät maat, joissa käyttäjämäärä on vielä alhaisella tasolla. Tämä osa markkinaa kasvaa verrattain nopeasti ja koostuu erityisesti Aasian ja Tyynenmeren alueen maista. Markkinan kasvun painottuminen matalan tulotason alueelle aiheuttaa kustannuspaineita laitevalmistajille. GSM järjestelmä on puheensiirto mukaan lukien kokonaisuudessaan digitaalinen. Käytössä olevan radiotien rajallisesta kapasiteetista johtuen tarvitaan puheenkoodausmenetelmä, jonka toteuttaminen reaaliajassa edellyttää digitaalisen signaaliprosessorin käyttöä. GSM-järjestelmässä puheenkoodaus tapahtuu transkooderissa. Transkooderin kapasiteetti määräytyy suurelta osin käytettävän signaaliprosessorin ja sitä ohjaavan ohjelmiston suorituskyvystä. Markkinoiden vaatimusten seurauksena modernit digitaaliset signaaliprosessorit suunnitellaan sellaisiksi, että kustannukset, käytetty tila ja tehonkulutus puhekanavaa kohti minimoituvat. Eräs ratkaisu vaatimusten täyttämiseen on käyttää montaa ydintä yhdessä signaaliprosessorissa. Tässä diplomityössä tarkastellaan monikanavaisen transkoodausohjelmiston toteutusta moniydinarkkitehtuurin perustuvalle signaaliprosessorille

Puhelinkaistan keinotekoisten laajennusmenetelmien kehittäminen ja evaluointi

Telephone systems commonly transmit narrowband speech with an audio bandwidth limited to the traditional telephone band of 300–3400 Hz. The narrow bandwidth degrades the quality and intelligibility of speech. A significant improvement is provided by the transmission of wideband speech, which typically covers the frequency range of 50–7000 Hz. Currently, wideband speech services are increasingly deployed in cellular telephone networks, but the transition from narrowband to wideband speech transmission is expected to take a long time. The quality of narrowband speech can be improved by artificial bandwidth extension (ABE) that attempts to reconstruct the missing frequency content artificially from the narrowband speech signal. ABE can be implemented in the receiving terminal device and used with the existing narrowband speech coding and transmission techniques. ABE is expected to gain importance during the transition to wideband telephony as a means to reduce the perceived quality difference between narrowband and wideband speech. This thesis contributes to the development and evaluation of ABE, especially for the application in mobile phones. Two new ABE methods are proposed: the filter bank-based ABE (FB-ABE) for the high-frequency range above the traditional telephone band and the lowband ABE (LB-ABE) for the low-frequency range below the telephone band. The feasibility of implementation in mobile devices is taken into account in the design of the methods. The methods were evaluated primarily by subjective listening tests that simulated realistic telephone speech including the use of speech codecs. A subjective evaluation of ABE in three languages was also organized and ABE was found to improve the speech quality in all the evaluated languages. Furthermore, conversational evaluations were arranged for simulated telephone connections involving real-time ABE processing. The ABE methods presented in this thesis are shown to improve, in general, the perceived quality and preference over narrowband speech.Useimmat puhelinjärjestelmät välittävät puheen kapeakaistaisena eli rajoittavat äänitaajuuskaistan perinteiseen puhelinkaistaan 300–3400 Hz. Kapea taajuuskaista heikentää puheen laatua ja ymmärrettävyyttä. Molempia voidaan parantaa merkittävästi siirtämällä puhe laajakaistaisena, mikä yleensä tarkoittaa äänitaajuusaluetta 50–7000 Hz. Laajakaistaiset puhelut alkavat olla mahdollisia yhä useammissa matkapuhelinverkoissa, mutta siirtymävaihe kapeakaistaisesta puheensiirrosta laajakaistaiseen kestänee pitkään. Kapeakaistaisen puheen laatua voidaan parantaa keinotekoisen kaistanlaajennuksen (artificial bandwidth extension, ABE) avulla. Keinotekoinen kaistanlaajennus muodostaa puuttuvan taajuussisällön pelkästään kapeakaistaisen puhesignaalin perusteella. Kaistanlaajennus voidaan toteuttaa vastaanottopään päätelaitteessa, ja sitä voidaan käyttää nykyisten kapeakaistaisten puheenkoodaus- ja puheensiirtomenetelmien yhteydessä. Kaistanlaajennuksen avulla voidaan vähentää kapea- ja laajakaistaisen puheen välistä laatueroa, ja siksi kaistanlaajennuksen merkityksen odotetaan kasvavan siirtymävaiheessa kapeakaistaisesta puheensiirrosta laajakaistaiseen. Tämä väitöskirja käsittelee keinotekoisen kaistanlaajennuksen kehittämistä ja evaluointia erityisesti matkapuhelimia varten. Työssä esitellään kaksi uutta kaistanlaajennusmenetelmää: suodinpankkiin perustuva FB-ABE-menetelmä puhelinkaistan yläpuoliselle taajuusalueelle ja LB-ABE-menetelmä puhelinkaistan alapuoliselle taajuusalueelle. Menetelmien suunnittelussa otettiin huomioon niiden toteutettavuus mobiililaitteissa. Menetelmiä evaluoitiin pääasiassa subjektiivisilla kuuntelukokeilla, joissa jäljiteltiin todellista matkapuhelinten puheensiirtoa muun muassa käyttämällä puhekoodereita. Työssä myös testattiin keinotekoista kaistanlaajennusta kuuntelukokeiden avulla kolmella eri kielellä, ja kaistanlaajennuksen todettiin keskimäärin parantavan puheen laatua kaikilla näillä kielillä. Lisäksi järjestettiin keskustelutestejä, joissa arvioitiin reaaliaikaista kaistanlaajennusta simuloidun puhelinyhteyden osana. Väitöskirjassa osoitetaan puheen laadun keskimäärin paranevan, kun kapeakaistainen puhesignaali muunnetaan laajakaistaiseksi työssä esitetyillä menetelmillä