QCELP, EVRC

QCELP(qualcomm code excited linear prediction)

퀄컴 코드 여기 선형 예측 부호화 [-勵起線形豫測符號化, qualcomm code excited linear prediction]  
  
IS-95A 표준인 부호 분할 다중 접속(CDMA) 방식 디지털 이동 통신 시스템의 음성 부호화 방식. 미국 퀄컴 제안으로 CDMA 음성 부호화기는 음성의 속도와 음량에 따라 전송 속도가 가변된다. 즉, 빨리 말할 때는 높은 음성 부호화율, 말이 없을 때는 낮은 부호화율을 적용하여 개인의 채널 사용량을 절약하며, 비교적 낮은 전송률에서도 우수한 음질을 내는 반면에 복잡한 계산량이 요구된다.

EVRC(Enhanced Variable Rate Codec)

(1) EVRC 란?
: 발신자의 음성이 디지털로 전환될때, 필요없는 잡음을 제거하여 원하는 소리만 전달하는 통화음질의 최적화 기술.

- IS-127 에 규정된 8Kbps Vocoder 규격
- 주변의 잡음을 줄이고 통화자의 음성을 더 깨끗하게 전달하기 위해 음성의 정보량에 따라 가변적으로 음성 정보를 부호화하는 방식.
- 통화자가 말을 하지 않는 무음 구간에는 정보량이 낮은 비율로 음성 부호화를 하고, 정보량이 많은 경우에는 높은 속도로 부호화.
- 항상 일정한 속도로 부호화를 하는 이전 방식에 비하여 효율적인 방식.
- 부호 분할 다중 접속(CDMA) 이동 통신 시스템의 시스템 용량을 증가시키는 동시에 소비 전력도 절약.


(2) EVRC의 등장배경
: PCS가 처음으로 이동통신 시장에 소개되었을때 기존 서비스와 차이점을 두기위해 8K 보코딩 방식을 사용하지 않고 13K 보코딩 방식을 사용하여 뛰어난 음성품질을 서비스의 장점으로 내세웠다. 반면, 기존 셀룰러 사업자들은 8K 방식은 그대로 사용하되 EVRC라는 일종의 소프트웨어를 도입하여 음성품질을 높이게 된다.


(3) EVRC의 장점

- 기존의 셀룰러 망을 그대로 사용하면서 통화음질을 PCS 수준으로 높일수 있다.
- 단말기의 배터리 소모량을 줄일수 있다.
- 잡음이 심한 지역 내에서 통화하는 경우 사람의 음성을 제외한 잡음을 최소화함으로써 음질을 크게 개선할수 있다.
- PCS QCELP(13Kbps) 방식보다 용랑면에서 30~40% 우수하다.


(4) 보코더 (Vocoder)
: 디지털 이동통신 시스템에서는 아날로그 음성신호를 디지털로 바꾸기 위해 PCM과 보코더 라는 것을 사용하는데, PCM은 일반 유선전화에서 주로 사용되는 것으로 사람의 음성신호를 64Kbps의 데이터 전송률로 바꾸어 주고. 음성신호를 디지털로 바꿀 때 가능하면 낮은 데이터 전송률로 변환하여야 주파수 사용 효율을 높일 수 있다.

보코더에서는 PCM에서 만들어진 64Kbps의 데이터에서 목소리의 특징만을 뽑아내어 8.6Kbps, 4.0Kbps, 2.0Kbps, 0.8Kbps의 4가지 데이터 전송률 중 선택적으로 변환한다.


(5) EVRC 음성 부호화기
: EVRC 부호화 알고리듬은 1994년 Bell Labs에서 제안한 RCELP 알고리듬에 기반하고 제한된 채널을 효과적으로 사용하기 위해 세 가지의 전송률을 가변적으로 사용.

- IS-95 Multiplex Option 1에 의해 4가지의 기본적인 전송 패킷 유형 중에서 3가지를 사용. (8.55 Kbps / 4 Kbps / 0.8 Kbps)
- 외부에서 전송률 명령이 없다면 패킷 유형은 입력 신호에 따라 부호화기의 전송률 결정 알고리듬(RDA)에 의해 이루어진다.
- 입력 음성 신호는 먼저 전처리단을 통과하게 된다.

○ 전처리 과정
: 입력단의 전처리 과정에서는 은 코덱의 음질을 저하시킬수 있는 매우 낮은 저주파 성분과 주변 잡음에 대해 입력 신호를 조절한다. 이 과정은 DC 성분을 제거하기 위해 120Hz의 차단 주파수를 갖는 고역 통과 필터링과 스펙트럼 차감법을 이용한 잡음 억제 과정으로 이루어진다.

① 20ms의 프레임 단위로 선형 예측 계수를 구하고 양자화 과정과 전송 과정에서 효과적인 LSP(Line Spectrum Pairs) 주파수로 변환.
② 전처리된 음성신호를 현재와 이전 프레임에서 얻은 LSP 파라미터를 보간하여 얻은 역필터에 통과시켜 잔차 신호를 얻는다.
③ 개회로 검색으로 지연을 추정하고 장구간 예측 이득을 구한다.
④ RDA는 앞의 과정에서 구한 17개의 자기 상관계수와 장구간 예측 이득을 이용하여 세가지 전송률 중에서 하나를 선택한다.
⑤ 음성은 최대 전송률(Rate 1)과 중간 전송률(Rate ½)로 부호화되고, 배경 잡음은 최소 전송률(Rate 1/8)로 부호화 된다


(6) QCELP 13K 와 EVRC의 음질비교
: Ideal 환경에서는 QCELP 13K의 음질이 우수하다. 하지만 실제 사용 환경에서의 Vocoder 음질은 주변 잡음, 데이터 전달 Error등에 의하여 변화가 많고, EVRC는 이동통신 환경에 강하도록 설계되었다.

- 실제 상황에서는 EVRC와 QCELP 13K의 성능이 거의 비슷하다.