O processo de Digitalização da Voz

Para entender melhor a razão técnica da adopção do VoIP é necessário perceber bem o processo de Digitalização da Voz, até chegar ao VoIP. Comunicações analógicas, sempre foram usadas nas transmissões. No entanto por causa da sua falta de eficiência, sentiu-se a necessidade de se adoptar outra técnica de transmissão.

Um dos motivos que levou a isso foi os demasiados erros de transmissão que as transmissões analógicas comportam. Com o aumento da distância na transmissão de informação, a amplitude do sinal degrada, tornando difícil, separa-lo do ruído de transmissão. Quando o sinal é amplificado, o ruído também é amplificado, tornando a informação irreconhecível.

A forma de onda da comunicação digital foi modulada de tal forma que existam apenas dois estados binários, o Zero e o Um. Dessa forma é mais simples separa-lo do ruído de comunicação.

A conversão do sinal analógico para o digital, comummente usada em ambientes tradicionais de voz é a Modulação Codificada por Pulsos o PCM (i.e. Pulse Code Modulation) definido pela ITU-T G.711.

Faixa de frequências

O domínio das frequências de voz está situado entre os 8 Hz a 12kHz. Na banda entre os 150 Hz e 8kHz o espectro é mais concentrado. A ITU-T na recomendação G.132 e G.151 determina que em sistemas telefónicos a faixa de frequência utilizada esteja entre os 300 Hz e os 3.4kHz.

Amostragem

Para a digitalização do sinal e realizada a amostragem do sinal filtrado usando a Modulação PAM (i.e. Pulse Amplitude Modulation) que converte o sinal analógico original num trem de pulsos com amplitude e frequência constantes. Este trem de pulsos move-se a uma frequência constate conhecida como frequência de amostragem.

O sinal de voz pode ser amostrado a milhões de ciclos por segundo ou a pequenos ciclos por segundo. O sinal analógico de voz é recriado usando o teorema de Nyquist[1], segundo o qual, a frequência necessária para recriar o sinal original de voz, ou seja a frequência de amostragem, tem de ser maior que duas vezes a mais alta frequência do sinal original de voz. A frequência de amostragem pode ser determinada pela expressão abaixo:

Onde:

Fa – É a frequência de amostragem.
BW – É a largura de banda do sinal original de voz.

Como a frequência mais alta do sinal são 3.4kHz então o sinal original pode ser reconstruído sem distorção a frequência de 8kHz.

Quantificação

A quantificação tem por objectivo atribuir valores discretos de amplitude ao sinal amostrado. Esta operação introduz distorção no sinal, que é geralmente conhecido como ruído de quantificação. O erro de quantificação, está associado ao intervalo de quantificação. O intervalo de quantificação q possui um determinado número de amostras e representa-as pelo centro do seu intervalo Xi. Se for retirada uma amostra do sinal X(t) no instante X(ti) cujo centro do intervalo de quantificação é definido por Xi. A figura abaixo ilustra isso:

Quantificação no processo de amostragem do sinal

Considere-se uma amostra do sinal X(t) tirada no instante ti a qual se encontra no intervalo Xi+q/2>X(ti)>Xi-q/2. Esta amostra irá ser quantificada pelo nível Xi. O erro de quantificação será definido por Eq = Xi – X. Onde X= X(ti).

Codificação

O processo de codificação, consiste em transmitir os níveis de quantificação usando-se códigos binários, a fim de aproveitar a imunidade ao ruído das transmissões digitais, conforme a figura a seguir:

Codificação no Processo de amostragem do sinal

O número de bits necessários para representar cada amostra é dado pela equação abaixo:

Expressao para determinar Numero de bits

Onde L é o numero dos níveis de quantificação. Como a cada amostra são atribuídos 8 bits e a frequência de amostragem é igual a 8kHz, então temos um débito de 64kbps (i.e. 8 bits x 8kHz=64kbps).

Fontes:

1 – Joao J. O. Pires [Sistemas e Redes de Telecomunicações, Departamento de Engenharia Electrotécnica e de Computadores
Instituto Superior Técnico]

2 – BAIÃO, Nataniel [Implementação duma rede Voz sobre IP num ambiente Multi-Serviços: Usando ambiente de simulação por computador para projectar Qualidade de Serviço, UCAN]

 


[1] Engenheiro. Contribuiu para a teoria da informação

2 pensamentos sobre “O processo de Digitalização da Voz

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