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Vuln6rabilit6 aux erreurs de transmission de signaux sonores de haute qualit6

et m6thodes de protection

Miche l M A T H I E U *

Ana lyse

Le present article traite des mdthodes de protection centre les erreurs de transmission de signaux sonores num$riques de haute qualitY. Celles-ci ddpendent fortement des techniques de codage et de rdduction de d~bit employees dans le traitement num~rique des sons. C'est pourquoi, la premibre partie de l'article leur est consacr~e. La seconde partie fait une description de la mdthodologie d'dvaluation subjective utilisde lors de tests r~alisds au CCETT sur la vulndrabilit~ des signaux sonores num~riques aux erreurs de trans- mission. Une troisibme partie rdsume les principaux r~sultats obtenus et propose une stratdgie de protection assurant un compromis satisfaisant entre les objectifs de qualitd et de simplicitd.

Mnts cl~s : Transmission son, Transmission num6rique, Qualit6 sonore, Evaluation subjective, Compression signal, Erreur transmission, Protection.

of these tests and proposes a strategy for the protection which ensures a satisfying compromise between quality and simplicity.

Key words : Sound transmission, Digital transmission, Sound quality, Subjective evaluation, Signal compression, Transmission error, Protection.

Sommaire

1. G$n(ralitds.

2. Organisation des sdances de tests.

3. R$sultats.

4. Stratdgies de protection contre les erreurs.

5. Conclusion.

1. G ] ~ N ~ R A L I T ~ S

V U L N E R A B I L I T Y O F H I G H Q U A L I T Y D I G I T A L S O U N D

I N P R E S E N C E O F T R A N S M I S S I O N E R R O R S A N D P R O T E C T I O N M E T H O D S

Abstract

The present paper deals with protection methods of high quality digital sound signals in presence of transmission errors. They are strongly related to the coding and the bit rate reduction methods used in the digital treatment of sound signals. Therefore, the first part is assigned to these aspects. Part 2 describes a procedure for a subjective evaluation of the impair- ments caused on digital sound signals by transmission errors. This procedure was used during tests realised in the CCETT. Part 3 summarizes the main results

Le c o d a g e num6r ique des divers s ignaux sonores c o u r a m m e n t uti l is6s :

- - s ignal t616phonique,

- - s i g n a l m o n o p h o n i q u e ou st6r6ophonique de haute qualit6,

- - c o m m e n t a i r e ou signal - - m o y e n n e qualit6,

- - son enregis t r6 sur s u p p o r t m a g n 6 t i q u e ou sur disque,

- - s o n t ra i t6 cn p r o d u c t i o n ,

e t l eur p r o t e c t i o n c o n t r e les erreurs pr6sentent des aspects n6ccssairement diff6rents car les contraintes sur les d6bi t s p a r voie , su r la n a t u r e des s u p p o r t s et sur la statistique des erreurs, sont tr6s diff6rentes. Aussi , doi t -on rester tr6s prudent sur toute extra- polat ion des r6sultats pr6sent6s dans cet article

* Chef du laboratoire SNT-T616diffusion de France. ccerr , 2, rue de la Mabilais, B.P. 1266, 35013 Rennes Cedex.

|/5 ANN. TI~LECOMMUN., 37, n ~ 5-6, 1982

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des signaux autres que les signaux sonores de haute qualit6 transmis ou diffus6s suivant les proc6dures d6crites.

Un signal monophonique dit de haute qualit6 est un signal dont le spectre s'6tend de 40 Hz h 15 000 Hz. Les administrations fran~aises de T616- communications et de T616diffusion pr6conisent pour les transmissions sur les r6seaux num6riques Ies caract6ristiques suivantes :

- - f r 6 q u e n c e d'6chantillonnage 32 kHz,

- -convers ion analogique-num6rique suivant une loi lin6aire h 14 bits.

dans un bloc impose le segment de codage utilis6 pour chaque 6chantillon de ce bloc. Cette infor- mation est appel6e facteur d'6chelle du bloc.

Lors des tests, a 6t6 utilis6e une loi de compression quasi instantan6e de 14 b. 10 616ments binaires par bloc de 32 6chantillons et suivant cinq segments.

Les deux m&hodes de codage pr6-cit6es fournissent une qualit6 sensiblement 6quivalente comme Font montr6 de nombreuses exp6riences tant en France qu'~t l '&ranger.

Le d6bit brut obtenu (448 kbit/s) est en g6n6ral t rop important . En effet, il est envisag6 de trans- mettre cinq ~t six voies son monophonique de haute qualit6 dans un multiplex de 2,048 Mbit/s corres- pondant au niveau hi6rarchique 616mentaire ren- contr6 sur les r6seaux num6riques europ6ens. Le d6bit global affect6 h une voie est donc limit6 h u n d6bit de 338 kbit/s.

Pour atteindre cet objectif, une r6duction du nombre d'616ments binaires par 6chantillon est n6cessaire : cette op6ration est appel6e une compression.

Deux techniques sont actuellement propos6es :

- - Compression instantande par quantification semi- logarithmique.

Cette m6thode consiste ~t quantifier les 6chantillons suivant une pr6cision variable en fonction du niveau du signal afin d 'obtenir un rapport signal sur bruit de quantification approximativement ind6pendant de l 'ampli tude du signal, la loi couramment utilis6e en Europe est la loi dite A d6finie par :

.47~ V s - pour 0 <~ Ve <~ l lA,

I + logo A

1 + loge A V, Vs = pour I /A <~ V, <~ 1.

1 + logo A

Darts la pratique, cette fonction est approxim6e par un ensemble de segments de droite dont le nombre est un param&re de codage.

Lors des tests pr6sent6s dans cet article, a &6 utilis6e une loi de compression instantan6e de 14 /t 11 61~ments binaires ~t 11 segments. Le mot repr$- sentant chaque 6chantillon est form6 d ' un bit de signe, de 3 bits servant /~ coder le segment auquel il appart ient et de 7 bits servant / t coder l 'amplitude du signal dans ce segment.

Compression quasi instantande.

Cette m&hode s'inspire de la pr6c6dente mais tient compte du fait que le niveau d 'un signal musical 6volue en g6n6ral relativement lentement de telle sorte que l ' information caract&isant le segment utilis6 lors du codage peut &re transmis moins fr& quemment. Pour cela, les 6chantillons sont group6s en blocs et l '$chantillon de valeur absolue maximale

2. ORGANISATION DES S~ANCES DE TESTS

Chaque s6ance de tests regroupe six auditeurs non sp6cialistes, c'est-h-dire ne poss6dant pas une exp~.rience r6cente et 6tendue de l '6valuation de la qualit6 ou de la d6gradation test6e. Chaque s6ance d'6coute dure 12 min et comprend 22 sdquences de tests de structure identique, ~t savoir : l '6mission quatre fois de suite du mSme extrait musical suivant la chronologic :

4 s l s 4 s 2 s 4 s l s 4 s I q t ] I- t I I S6quence A S6quence B S6quence C S6quence D

A l'issue de ces quatre s6quences, l 'auditeur a 15 s pour voter et se pr6parer ~ l'essai suivant.

Dans toutes les s6ries de tests effectu6es, le mSme extrait musical a 6t6 utilis& I1 s'agit d 'une s6quence g6n6rge glectroniquement et form6e de quatre signaux sinuso~daux respectivement aux fr6quences de 700, 800, 900 et 700 Hz et avec un niveau de cr~te de + 8 dBm (voir Fig. 1) ; le temps de mont6e est de 50 ms et le temps de descente de 300 ms. Une telle s6quence est exempte de bruit et facile ~t reproduire. Son caract6re artificiel n 'est pas apparu g~nant ou fatiguant.

Le niveau sonore moyen de signal utile a 6t6 fix6 ~t 83 dB et mesur6 /t l 'aide d 'un sonom6tre avec la pond&ation A et la constante de temps dite lente normalis6es par lqEc. L'6cart maximal mesur6 un emplacement d '6coute rut de -~ 3 dB. Le niveau de bruit ambiant mesur6 en pr6sence des six audi- teurs, en pond6rat ion A avec la constante de temps dite lente, n ' a jamais d6pass6 32 dB.

Dans toutes les s~ries de test, il a ~t~ demand6 aux auditeurs de comparer les qualit6s respectives des couples de s6quences (A et C) et ( B e t D). Plu- sieurs m&hodes peuvent &re utilis6es :

1) Echelle de ddgradation d 5 notes.

Les s6quences A et C constituent la s6quence de r6f6rence sans d6gradation due au processus qui fait l 'objet du test. Les s6quences B e t D subissent le traitement /t tester et l 'auditeur dolt pr6ciser si

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M. MATHIEU. -- VULNERABILIT~ AUX ERREURS DE TRANSMISSION DE SIGNAUX SONORF.S 269

l 'auditeur s'il a per~u un d6faut et si oui, dans quel couple de s6quences. Le d6pouillement consiste /l chiffrer le pourcentage de s6quences d6grad6es per~ues pour chaque 616ment binaire de l '6chantillon.

3. R]gSULTATS

3.1. Loi quasi iastantan6e.

I1 n ' a pas 6t6 n6cessaire d'effectuer de nombreux essais sur l 'effet des erreurs sur l ' informat ion de facteur d'6chelle car il s'est av6r6 que toute erreur simple sur celle-ci provoque un << claquement , tr6s audible et tr6s g~nant.

Le code d6crivant un 6chantillon est le suivant. A chaque vote, un seul poids des 6chantillons est affect6 d'erreurs.

s x8 x~ x~ x~ .Y4 x3 x~ x~ Xo.

Poids fort Poids faible

Le tableau I pr6sente le pourcentage de s6quences d6grad6es pereues pour chaque type d 'erreurs (soit

FIG. 1. - - S6quence de programme utilis6e.

Program sequence used.

l '6cart de qualit6 est :

5 - - Imperceptible

4 - Perceptible mais non g~nant

3 - - L6g6rement g~nant

2 - - G~nant

1 - - Tr6s g~nant

Pour utiliser une telle m6thode, le ph6nom6ne /t tester doit pouvoir , suivant son ampleur, cr6er des d6fauts plus ou moins importants (notion fonda- mentale d'6chelle de d6gradation).

2) lndice de perception.

Dans le cas des erreurs de transmission, la m6thode pr6c6dente est ditticile/t utiliser. En effet, les d6fauts pereus correspondent /t des craquements dans la modulat ion (appel6s clics), d'ampli tude plus ou moins 61ev6e suivant l'616ment binaire erron6. I1 est ditticile dans ce cas, de porter un jugement gradud sur le ph6nom6ne pergu. I1 est pr6f6rable de d6finir les seuils de percept ion de ces d6fauts. Pour ce faire, la r6f6rence sans erreur est al6atoirement le couple A-C ou le couple B-D. L 'au t re couple comporte des erreurs /L un taux sp6cifi6 et uniquement sur un certain poids de l '6chantillon. I1 est demand6 /L

TABL. I. - - Seuil de perception des erreurs sur un signal sonore cod6 suivant la loi quasi instantan6e.

Perceptibility threshold o f errors applied on a near instantaneous coding sound signal

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

bit de signe S

X8 X7 X8 X, X, X~ X~ Xl X0

10 4 10-6

100% 100% 100% 100% 100% 100% 100% 100% 88% 6O%

42,5 % 47,5 % 15% 5% 0% 0% 0% 0% 0% 0%

Nombre de votes Remarques exprim6s

6 Note 1

6 Note 1

6 Note I

6 Note 1

16

16

6 Note 3

6 Note 2

6 Note 2

6 Note 2

Note 1. Le pourcentage 100 % signifie clue pour l 'unanimi t6 des auditeurs la d6gradation apport6e est nette et tr6s g6nante.

Note 2. Le pourcentage 0 % signifie que pour l 'unanimi t6 des auditeurs la d6gradation apport~e sur le type de S&:luence pr~sent~e n ' es t pas facilement perceptible vis-a-vis de la d6gra- dat ion provenant de la loi de compression proprement dite.

Note 3. Ces r6sultats ont 6t6 obtenus par 6valuation grossi6re aupr6s des six auditeurs. L 'o rdre de grandeur est n6anmoins significatif.

une erreur dans la s6quence de programme pour un taux de 10 -5 et 10 erreurs en moyenne pour un taux de 10-4).

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270 M. MATHIEU. - VULNI~RABILITI~ AUX ERREURS DE TRANSMISSION DE SIGNAUX SONORES

On peut en d6duire que seuls les six 616ments binaires de poids forts de chaque 6chantillon apportent une d6gradation perceptible lorsqu' i ls sont erron6s.

3 . 2 . L o i d e c o m p r e s s i o n i n s t a n t a n ~ e .

Le code d6crivant l '6chanti l lon est le suivant :

s ~ ~ .~ x~ x~ x , x~ x2 x , Xo.

Signe Facteur P s Poids faible d'6chelle fort

A chaque vote, un seul poids est entfich6 d'erreurs. Le tableau I I pr6sente les r6sultats obtenus.

On peut en d6duire que seuls les sept 616ments binaires de poids forts de chaque 6chantillon appor- tent une d6gradation perceptible lorsqu' i ls sont erron6s.

On notera l '6cart d ' un 616ment binaire entre ces r6sultats et ceux du paragraphe 4.2. La loi de com- pression quasi instantan6e appara l t done plus per- formante en terme de protect ion contre les erreurs.

TABL. II. - - Seuil de perception des erreurs sur un signal sonore cod6 suivant la loi instantan6e.

Perceptibility threshoM o f errors applied on an instantaneous coding sound signal

I

2 3 4 5 6 7 8 9

10 11

10-~ 10-~

s lOO% ~oo% 100% 100% 100% 100%

,: lOO% lOO% x~ lOO% ioo% x5 lOO% loo% X, 36,5 % X a 34,7 ~o 14~o x~ 0% 0% x~ 0% 0% Xo 0% 0%

Nombre de votes Remarques exprim6s

6 Note 1 6 Notes 1 et 3 6 Notes 1 et 3 6 Notes 1 et 3 6 Note 1 6 Note 1

12 12 6 Note 2 6 Note 2 6 Note 2

Note 1. Le pourcentage loo ~o signifie que pour l'unanimit6 des auditeurs la d6gradation apport6e est nette et tr~s g~nante.

Note 2. Le pourcentage 0 ~0 signifie que pour l'unanimit6 des auditeurs la d6gradation apport6e sur le type de s6quence pr6sent6e n'est pas facilement perceptible vis-a-vis de la d6gra- dation provenant de la loi de compression proprement dite.

Note 3. La d6gradation produite par une erreur sur le facteur d'6chelle n'affecte qu'un 6chantillon, ce qui en limite la g~ne.

4. STRATI~GIES D E P R O T E C T I O N C O N T R E LES ER REURS

Les hypoth6ses faites sur la qualit6 des voies num6riques utilis6es conduisent h des conceptions diff6rentes des syst6mes de protect ion �9

- - ou le canal de transmission est un canal bruit6 dont la qualit6 moyenne est basse. Dans ce cas, la statistique des erreurs doit ~tre connue avec pr6ci- sion pour adapter au mieux le code de protection. Le choix optimal ne peut &re que sp6cifique au canal utilis~ ;

- - ou le canal de transmission est de bonne qualit6 mais pr6sente des erreurs tr~s regroup6es dans le temps (bruit impulsif). Dans ce eas, la statistique des erreurs est de deux natures : erreurs isol6es avee un taux faible, erreurs group6es en paquets.

I1 apparal t done diflicile de t rouver un codage unique qui satisfasse ~t ces eas mentionn6s. Vouloir imposer ~t l 'un des cas, l ' o p t i m u m de l 'autre risque soit de p6naliser inutilement la qualit6 finale du service offert, soit d ' augmen te r le cofit et la com- plexit6 des 6quipements.

Aussi, l ' ing6nieur responsable de la conception des syst&mes aura ~t choisir une m6thode de protection parmi un 6ventail relat ivement large de possibilit6s.

Tout l 'arsenal math6mat ique Ii6 aux m~thodes de protection contre les erreurs est ~t sa disposition. Dans le cadre de cet article, nous nous limiterons

exposer une m6thode de protect ion qui, par sa simplicit6, peut r6pondre ~ un certain nombre de situations r~elles. II s 'agit d ' une re&bode de d&ection d'6chantillons errongs et de dissimulation de ceux-ci.

Le prineipe de eette m6thode est simple : tester par un code d&ecteur d 'er reurs les ~chantillons erron6s et substituer ~t ceux-ei une estimation faite grfice aux 6chantillons adjacents.

Deux procedures d 'es t imat ion ont ~t6 test6es :

remplaeement par l '6chantil lon pr6c6dent,

- - r e m p l a c e m e n t par une moyenne des 6chantil- Ions adjacents.

La premiere solution a l ' avantage d '&re tr~s simple, mais d6grade la qualit6 du signal sonore de faqon notable.

La seconde solution bien que 16g6rement plus complexe (n6cessit6 de deux &ages de m6moire et d ' un additionneur) donne des r6sultats beaucoup plus int6ressants.

Des tests subjectifs ont 6t6 r6alis6s en utilisant la m6thode d'6chelle de d6gradat ion ~t einq notes. Le couple de s6quences (A, C) eonstituait le signal de r6f6rence et le couple de s6quences (B, D) &ait le m~me extrait musical ayant subi un traitement de dissimulation par interpolat ion h un taux donn6. Trois taux ont 6t6 choisis : 10 - I , 10 -2, 10 -a , le taux 10 -n signifie qu ' un 6chantillon parmi 10" en moyenne, et de faqon pseudo-al6atoire, a 6t6 remplae6 par la moyenne des 6chantillons adjaeents.

Les r6sultats de ces tests figurent au tableau I I I et montrent tout l 'int6rSt d ' une telle m&hode.

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TABL. IlL - - Echelle de d6gradation h 5 notes. Evaluation subjective des techniques de dissimulation.

Subjective evaluation on concealment methods.

Original

Moyenne 4,66 Ecart-type 0,21

Taux de r6p6tition de la dissimulation

10-1 10-2 10-a

1,77 0,50

3,13 0,40

4,13 0,63

5. C O N C L U S I O N

Cet article a tent6 de met t re en lumi6re certains aspects sp6cifiques des techniques de protec t ion

cont re les erreurs de s ignaux sonores de haute qualit6, savoir :

- - i m p o r t a n c e de la d6grada t ion en fonc t ion du poids des 616ments binaires erron~s dans un ~chantil- Ion ;

- - difficult6 de t rouver une technique de p ro tec t ion adapt6e ~t t o u s l e s suppor t s de t ransmiss ion ,

- - efficacit6 des techniques de d6tection d ' e r r eu r s et de masquage dans la mesure oft celles-ci utilisent des m6thodes d ' in te rpo la t ion .

De telles solutions assurent un e o m p r o m i s satis- fa isant entre d ' u n e pa r t les objectifs de qualit~ d6sir~s et d ' a u t r e par t une certaine simplicit6 assurant un coo t mod6r~ des 6quipements .

Manuscr i t r e f u l e 21 aot~t 1980,

accept~ le 11 mars 1982.

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