Modulation sur les canaux vocodés, Modulation over speech coded channels

Toufic Chmayssani

Description

Sous la direction de Geneviève Baudoin
Thèse soutenue le 03 mai 2010: Paris Est
Les canaux vocodés sont les canaux de communications dédiés à la voix et dans lesquels le signal traverse divers équipements destinés au transport de la voix tels que des codeurs de parole, des détecteurs d’activité vocale (VAD), des systèmes de transmission discontinue (DTX). Il peut s’agir de systèmes de communications téléphoniques filaires ou mobiles (réseaux cellulaires 2G/3G, satellites INMARSAT…) ou de voix sur IP. Les codeurs de parole dans les normes récentes pour les réseaux de téléphonie mobiles ou de voix sur IP font appel à des algorithmes de compression dérivés de la technique CELP (Code Excited Linear Prediction) qui permettent d’atteindre des débits de l’ordre de la dizaine de Kb/s bien inférieurs aux codeurs des réseaux téléphoniques filaires (typiquement 64 ou 32 Kb/s). Ces codeurs tirent leur efficacité de l’utilisation de caractéristiques spécifiques aux signaux de parole et à l’audition humaine. Aussi les signaux autres que la parole sont-ils généralement fortement distordus par ces codeurs. La transmission de données sur les canaux vocodés peut être intéressante pour des raisons liées à la grande disponibilité des canaux dédiés à la voix et pour des raisons de discrétion de la communication (sécurité). Mais le signal modulé transmis sur ces canaux vocodés est soumis aux dégradations causées par les codeurs de parole, ce qui impose des contraintes sur le type de modulation utilisé. Cette thèse a porté sur la conception et l’évaluation de modulations permettant la transmission de données sur les canaux vocodés. Deux approches de modulations ont été proposées pour des applications correspondant à des débits de transmission possibles assez différents. La principale application visée par la thèse concerne la transmission de parole chiffrée, transmission pour laquelle le signal de parole est numérisé, comprimé à bas débit par un codeur de parole puis sécurisé par un algorithme de cryptage. Pour cette application, nous nous sommes focalisés sur les réseaux de communications utilisant des codeurs CELP de débits supérieurs à la dizaine de Kb/s typiquement les canaux de communication mobiles de deuxième ou troisième génération. La première approche de modulation proposée concerne cette application. Elle consiste à utiliser des modulations numériques après optimisation de leurs paramètres de façon à prendre en compte les contraintes imposées par le canal et à permettre des débits et des performances en probabilité d’erreur compatibles avec la transmission de parole chiffrée (typiquement un débit supérieur à 1200 b/s avec un BER de l’ordre de 10-3). Nous avons montré que la modulation QPSK optimisée permet d’atteindre ces performances. Un système de synchronisation est aussi étudié et adapté aux besoins et aux contraintes du canal vocodé. Les performances atteintes par la modulation QPSK avec le système de synchronisation proposé, ainsi que la qualité de la parole sécurisée transmise ont été évalués par simulation et validés expérimentalement sur un canal GSM réel grâce à un banc de test développé dans la thèse.La deuxième approche de modulation a privilégié la robustesse du signal modulé lors de la transmission à travers un codeur de parole quelconque, même un codeur à bas débit tels que les codeurs MELP à 2400 ou 1200 b/s. Dans ce but, nous avons proposé une modulation effectuée par concaténation de segments de parole naturelle associée à une technique de démodulation qui segmente le signal reçu et identifie les segments de parole par programmation dynamique avec taux de reconnaissance élevé. Cette modulation a été évaluée par simulation sur différents codeurs de parole. Elle a aussi été testée sur des canaux GSM réels. Les résultats obtenus montrent une probabilité d’erreur très faible quelque soit le canal vocodé et le débit des codeurs de parole utilisés mais pour des débits possibles relativement faibles. Les applications envisageables sont restreintes à des débits typiquement inférieurs à 200 b/s.Enfin nous nous sommes intéressés aux détecteurs d’activité vocale dont l’effet peut-être très dommageable pour les signaux de données. Nous avons proposé une méthode permettant de contrer les VAD utilisés dans les réseaux GSM. Son principe consiste à rompre la stationnarité du spectre du signal modulé, stationnarité sur laquelle s’appuie le VAD pour décider que le signal n’est pas de la parole
-Vocodeurs
-Communication vocale sécurisée
-Gsm
-Efr
-Dtx
-VAD MELPmodulation numériques QPSKsynchronisation feedforwardconcaténation segmentation diphone
Pas de résumé
-Vocoders
-Secure speech communication
-Gsm
-Efr
-Dtx
-Vad
-Melp
-Digital modulations
-Qpsk
-Feedforward synchronization
-Diphone concatenation segmentation
Source: http://www.theses.fr/2010PEST1013/document

Sujets

• GSM (homonymie)

Informations

• Publié par: Thesee
• Nombre de lectures: 30
• Langue: Français
• Poids de l'ouvrage: 3 Mo

Extrait

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Remerciement
Je tiens à remercier tout particulièrement mon directeur de thèse, Geneviève Baudoin,
directeur de la recherche à l’ESIEE, pour tout l’effort qu’elle a consacré au suivi de mon
travail pendant plus de trois années de thèse et à l’amélioration de ce rapport. Ce sont ses
précieux conseils, remarques, contributions, sa grande attention et son écoute qui m’ont
permis d’effectuer ce travail.

Je remercie également Gaël Hendryckx, mon encadrant à SAGEM Défense et Sécurité,
pour son soutien, ses conseils et pour l’accompagnement qu’il a assuré pour les travaux
jusqu’aux derniers jours.

Je tiens à remercier Régine Le Bouquin Jeannès, Professeur à l’Université de Rennes 1 et
Dominique Pastor, Professeur à Telecom Bretagne pour m’avoir fait l’honneur d’être
rapporteur de ma thèse. Je remercie également Jan Cernocky, Professeur à l’Université de
Brno en république tchéque et Martine Villegas, Professeur à l’ESIEE d’avoir accepté de
participer au jury.

Un grand merci va à mes collègues, ceux avec lesquels j’ai eu la chance de partager
entièrement ou partiellement le séjour au laboratoire ESYCOM à l’ESIEE. Ils ont rendu la
thèse de doctorat une expérience très agréable.

Enfin, ma gratitude va à mes très chers parents et sœurs pour leur support, leur amour et
leur foi.


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Résumé
Titre : Modulation sur les canaux vocodés

Les canaux vocodés sont les canaux de communications dédiés à la voix et dans lesquels
le signal traverse divers équipements destinés au transport de la voix tels que des codeurs de
parole, des détecteurs d’activité vocale (VAD), des systèmes de transmission discontinue
(DTX). Il peut s’agir de systèmes de communications téléphoniques filaires ou mobiles
(réseaux cellulaires 2G/3G, satellites INMARSAT …) ou de voix sur IP. Les codeurs de
parole dans les normes récentes pour les réseaux de téléphonie mobiles ou de voix sur IP font
appel à des algorithmes de compression dérivés de la technique CELP (Code Excited Linear
Prediction) qui permettent d’atteindre des débits de l’ordre de la dizaine de Kb/s bien
inférieurs aux codeurs des réseaux téléphoniques filaires (typiquement 64 ou 32 Kb/s). Ces
codeurs tirent leur efficacité de l’utilisation de caractéristiques spécifiques aux signaux de
parole et à l’audition humaine. Aussi les signaux autres que la parole sont-ils généralement
fortement distordus par ces codeurs.
La transmission de données sur les canaux vocodés peut être intéressante pour des
raisons liées à la grande disponibilité des canaux dédiés à la voix et pour des raisons de
discrétion de la communication (sécurité). Mais le signal modulé transmis sur ces canaux
vocodés est soumis aux dégradations causées par les codeurs de parole, ce qui impose des
contraintes sur le type de modulation utilisé.
Cette thèse a porté sur la conception et l’évaluation de modulations permettant la
transmission de données sur les canaux vocodés. Deux approches de modulations ont été
proposées pour des applications correspondant à des débits de transmission possibles assez
différents.
La principale application visée par la thèse concerne la transmission de parole chiffrée,
transmission pour laquelle le signal de parole est numérisé, comprimé à bas débit par un
codeur de parole puis sécurisé par un algorithme de cryptage. Pour cette application, nous
nous sommes focalisés sur les réseaux de communications utilisant des codeurs CELP de
débits supérieurs à la dizaine de Kb/s, typiquement les canaux de communication mobiles de
deuxième ou troisième génération. La première approche de modulation proposée concerne
cette application. Elle consiste à utiliser des modulations numériques après optimisation de
leurs paramètres de façon à prendre en compte les contraintes imposées par le canal et à
permettre des débits et des performances en probabilité d’erreur compatibles avec la
transmission de parole chiffrée (typiquement un débit supérieur à 1200 b/s avec un BER de
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l’ordre de 10 ). Nous avons montré que la modulation QPSK optimisée permet d’atteindre
ces performances. Un système de synchronisation est aussi étudié et adapté aux besoins et aux


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contraintes du canal vocodé. Les performances atteintes par la modulation QPSK avec le
système de synchronisation proposé, ainsi que la qualité de la parole sécurisée transmise ont
été évaluées par simulation et validées expérimentalement sur un canal GSM réel grâce à un
banc de test développé dans la thèse.
La deuxième approche de modulation a privilégié la robustesse du signal modulé lors de
la transmission à travers un codeur de parole quelconque, même un codeur à bas débit tels
que les codeurs MELP à 2400 ou 1200 b/s. Dans ce but, nous avons proposé une modulation
effectuée par concaténation de segments de parole naturelle, associée à une technique de
démodulation qui segmente le signal reçu et identifie les segments de parole par
programmation dynamique avec taux de reconnaissance élevé. Cette modulation a été évaluée
par simulation sur différents codeurs de parole. Elle a aussi été testée sur des canaux GSM
réels. Les résultats obtenus montrent une probabilité d’erreur très faible quels que soient le
canal vocodé et le débit des codeurs de parole utilisés mais pour des débits possibles
relativement faibles. Les applications envisageables sont restreintes à des débits typiquement
inférieurs à 200 b/s.
Enfin nous nous sommes intéressés aux détecteurs d’activité vocale dont l’effet peut-être
très dommageable pour les signaux de données. Nous avons proposé une méthode permettant
de contrer les VAD utilisés dans les réseaux GSM. Son principe consiste à rompre la
stationnarité du spectre du signal modulé, stationnarité sur laquelle s’appuie le VAD pour
décider que le signal n’est pas de la parole.

Mots-clés : vocodeurs, communications vocales sécurisées, modulations numériques,
QPSK, synchronisation feedforward, EFR, VAD, DTX, segmentation de parole, diphones.






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Abstract
Title: Modulation over speech coded channels.

Speech coded channels are communication channels dedicated for voice, in which the
signal goes through several equipments intended to transport voice, such as speech coders,
voice activity detectors (VAD), discontinuous transmission systems (DTX). This may consist
in wired or mobile phone communication systems (cellular mobile networks 2G/3G, satellite
INMARSAT …) or voice over IP. Speech coders in recent standards for mobile phone
networks or voice over IP call on compression algorithms derived from the CELP (Code
Excited Linear Prediction) technique that allows reaching coding bit rates close to 10 Kb/s,
which is much lower than wired phone networks (typically 64 or 32 Kb/s). These coders draw
their effectiveness from the manipulation of speech signal and human audition specific
characteristics. To such extent, signals other than speech are generally distorted by these
coders.
Data transmission over speech coded channels could be interesting for several reasons,
such as the wide availability of these channels and for communication discretion purposes
(security). But the modulated signal transmitted over speech coded channels is subjected to
deterioration caused by speech coders; which imposes several constraints over the used
modulation type.
This thesis deals with the conception and the evaluation of modulations that allow data
transmission over speech coded channels. Two modulation approaches were proposed for
applications corresponding to different transmission bit rates.
The major application aimed by this thesis concerns the transmission of secure speech,
where the speech is digitalized, compressed by a low bit rate speech coder then secured by an
encryption algorithm. For this application, we were focused on communication networks
using CELP coders with coding bit rates higher than 10 Kb/s, typically communication
channels of mobile networks of second or third generation. The first proposed modulatio