Este documento descreve um modelo de algoritmo para compressão de áudio baseado na técnica DPCM e no algoritmo de Huffman. Ele apresenta os objetivos, teoria, projeto, desenvolvimento e validação de um codificador e decodificador de áudio que utilizam essas técnicas para comprimir arquivos de áudio com baixas perdas.

1. MODELO DE ALGORITMO PARA COMPRESSÃO DE ÁUDIO
BASEADO NA TÉCNICA DPCM E ALGORITMO DE HUFFMAN
MONOGRAFIA
Acadêmico:
Fernando Barboza da Costa
Orientador:
Prof. Marcelo Daniel Berejuck, Esp.
PALHOÇA
03/12/2007

2. 2
Estrutura
 Introdução;
 Objetivos;
 Teoria;
 Projeto;
 Desenvolvimento;
 Validação;
 Conclusão;
 Propostas Futuras;
 Referências.

3. 3
Introdução
 Digitalização de sinais;
 Compressão de dados;
 Técnica semelhante à adotada em imagens;
 Sistemas embarcados de baixo custo.

4. 4
Objetivos
 Estudo de compressores de dados;
 Sem perdas ou baixas perdas;
 Foco para descompressão “leve”;
 Uso em sistemas embarcados baixo custo;
 Redução de custo com menor demanda de memória.

5. 5
Digitalização de áudio - PCM
Ts
1.4
3.3
2.2
4.1
1.1
2.8
2.4
4.6
3.0
Sinal de voz
Amostragem
t
V
V
t
5
1
3
2
4
1
3
2
3
t
V
Quantização PCM
* Inserção de erros.

6. 6
DPCM
1
3
2
4
1
3
2
5
3
t
V
Palavra PCM
Amostras PCM DPCM
1 1 1
2 3 2
3 2 -1
4 4 2
5 1 -3
6 3 2
7 2 -1
8 5 3
9 3 -2

7. 7
Huffman
 Inicialmente desenvolvido para texto;
 Probabilidade de distribuição;
 Menos bits para símbolos mais freqüentes.

8. 8
Huffman
Amostras DPCM
1 1
2 2
3 -1
4 2
5 -3
6 2
7 -1
8 3
9 -2
Valores Incidência
-3 1
-2 1
-1 2
1 1
2 3
3 1
 Tabela de incidência.

9. 9
Huffman
Valores Incidência
2 3/9
-1 2/9
-3 1/9
-2 1/9
-1 1/9
3 1/9
Valores Incidência
-3 1
-2 1
-1 2
1 1
2 3
3 1
 Ordenação por incidência.

10. 10
Huffman
 Árvore e a codificação (borbulhar).
2
-1
-3
-2
-1
3
1/9
1/9
1/9
1/9
2/9
3/9
2/9
2/9
3/9
1/9
1/9
2/9
2/9
2/9
3/9 4/9
3/9
2/9
4/9
5/9
0
1
0
1
0
1
0
1
0
1
Valores Incidência Código
2 3/9 00
-1 2/9 11
-3 1/9 010
-2 1/9 110
-1 1/9 001
3 1/9 101
0
0

11. 11
Huffman
 Resultados.
Xi P(Xi) Código Ni NiP(Xi)
2 3/9 00 2 6/9
-1 2/9 11 2 4/9
-3 1/9 010 3 3/9
-2 1/9 110 3 3/9
-1 1/9 001 3 3/9
3 1/9 101 3 3/9
_____
Total 2,444

12. 12
Projeto
 Especificação dos algoritmos;
 Sugestão das ferramentas para o desenvolvimento;
 Detalhes do condicionamento do áudio.

13. 13
Codificador
Diagrama Macro do Codificador
Codicador
Arquivo áudio
RAW
Arquivo binário

14. 14
Decodificador
Diagrama Macro do Decodificador
Decodicador
Áudio PCM
Arquivo binário

15. 15
Desenvolvimento
 Ferramentas utilizadas;
 Detalhes da implementação;
 Hardware do decodificador;
 Simulação do hardware.

16. 16
Codificador
Codificador
Quantizador
DPCM
Truncamento
Ponderação
DPCM
Criação do
Dicionário
Codificação
em bits
Arquivo
áudio RAW
Arquivo
binário
GoldWave®

17. 17
Codificador
Codificador
Quantizador
DPCM
Truncamento
Ponderação
DPCM
Criação do
Dicionário
Codificação
em bits
Arquivo
áudio RAW
Arquivo
binário
DevC++

18. 18
Codificador
Codificador
Quantizador
DPCM
Truncamento
Ponderação
DPCM
Criação do
Dicionário
Codificação
em bits
Arquivo
áudio RAW
Arquivo
binário
WinHex

19. 19
Quantizador DPCM
Codificador
Quantizador
DPCM
Truncamento
Ponderação
DPCM
Criação do
Dicionário
Codificação
em bits
Arquivo
áudio RAW
Arquivo
binário
 Tabela de incidência dos valores DPCM encontrados.

20. 20
Ponderação DPCM
Codificador
Quantizador
DPCM
Truncamento
Ponderação
DPCM
Criação do
Dicionário
Codificação
em bits
Arquivo
áudio RAW
Arquivo
binário
 Ordenação decrescente dos valores DPCM.

21. 21
Dicionário Huffman
Codificador
Quantizador
DPCM
Truncamento
Ponderação
DPCM
Criação do
Dicionário
Codificação
em bits
Arquivo
áudio RAW
Arquivo
binário
 Vetor em ordem decrescente de incidência.

22. 22
Código de Huffman Alterado
Codificador
Quantizador
DPCM
Truncamento
Ponderação
DPCM
Criação do
Dicionário
Codificação
em bits
Arquivo
áudio RAW
Arquivo
binário
 Gera bits “1” de acordo com o número do índice no
vetor do dicionário;
 Finaliza com um bit “0”.
Índice Dicionário Código
0 X 0
1 X 10
2 X 110
3 X 1110
4 X 11110
n X (n*1)+0

23. 23
Arquivo binário
Codificador
Quantizador
DPCM
Truncamento
Ponderação
DPCM
Criação do
Dicionário
Codificação
em bits
Arquivo
áudio RAW
Arquivo
binário
 Agrupa os bits de acordo a plataforma utilizada;
 8051 = 8 bits.

24. 24
Decodificador
Hardware - Proteus®
Decodificador
Decodificador
de bits
Leitura do
Dicionário
Quantizador
DPCM
Áudio PCM
Arquivo
binário

25. 25
Decodificador
Software - Keil®
Decodificador
Decodificador
de bits
Leitura do
Dicionário
Quantizador
DPCM
Áudio PCM
Arquivo
binário

26. 26
Decodificador de Huffman
 Conta bits “1” entre bits “0”.
Decodificador
Decodificador
de bits
Leitura do
Dicionário
Quantizador
DPCM
Áudio PCM
Arquivo
binário

27. 27
 Usa o contador como índice no dicionário.
Decodificador
Decodificador
de bits
Leitura do
Dicionário
Quantizador
DPCM
Áudio PCM
Arquivo
binário
Dicionário Huffman

28. 28
 Soma o valor DPCM lido à amostra anterior.
Decodificador
Decodificador
de bits
Leitura do
Dicionário
Quantizador
DPCM
Áudio PCM
Arquivo
binário
Quantizador DPCM

29. 29
Decodificador
code_atual <<= 1;
if ( CY == 0 )
{
amostra = amostra + code_book[cont_bits];
cont_bits = 0;
}
else
{
cont_bits++;
}
Decodificador
Decodificador
de bits
Leitura do
Dicionário
Quantizador
DPCM
Áudio PCM
Arquivo
binário

30. 30
Decodificador
Decodificador
Decodificador
de bits
Leitura do
Dicionário
Quantizador
DPCM
Áudio PCM
Arquivo
binário

31. 31
Validação
 Taxa de codificação ~38%;
 Redução em espaço de memória;
 Ambiente simulado;
 Decodificador embarcado no 8051 (baixo custo);
 Baixas perdas.

32. 32
Conclusão
 Estudo de técnicas de compressão e codec’s;
 Taxas satisfatórias;
 Aplicável a produtos comerciais de baixo custo:
• Unidades Resposta Audível (URA);
• Esperas telefônicas;
• Secretária eletrônica (DTAM).
 Performace codificador x amplitude do sinal.

33. 33
Propostas futuras
 Aplicação com PCM linear 16 bits;
 Reduzir ou eliminar a dependência do codificador
com a amplitude;
 Estudar aplicação com sinais de voz dinâmicos:
• VOIP;
• Telefones sem fio digital.

34. 34
Referências
 COUCH, Leon W.. DIFFERENCIAL PULSE CODE MODULATION In: COUCH, Leon W..
Digital and Analog Communication systems: Sixth edition: Prentice Hall PTR, 2000.
p. 188-191.
 COUCH, Leon W.. PULSE CODE MODULATION In: COUCH, Leon W.. Digital and
Analog Communication systems: Sixth edition: Prentice Hall PTR, 2000. p. 137-151.
 RIBEIRO, Paulo Sérgio. Visão geral das telecomunicações: Parte II. In:
Comunicações Digitais III, 2007, Palhoça. Unisul
 RUSCHEL, Orlando T. Princípios da Comunicação Digital. Porto Alegre: EDIPUCRS,
1996
 SKLAR, Bernard. HUFFMAN CODES In: SKLAR, Bernard. Digital Communications,
Fundamentals and Applications: Second edition: Prentice Hall PTR, 2002. p. 862-866.
 WILLRICH, Roberto. Conversão A/D e D/A. In: Voz sobre IP Parte I, 2005,
Florianópolis. UFSC

35. 35
Agradecimentos
A Deus;
A família, em especial à esposa e ao filho;
Ao orientador Prof. Marcelo Daniel Berejuck, Esp.;
Aos professores da Unisul em especial ao Prof. Mauro
Pacheco Ferreira, M.sc.;
Aos colegas de trabalho da Intelbras, em especial Robson
Veronezi, Nelson Campaner, Patrick Argoud e Fernanda Argoud;
Aos esquecidos;