Дифференциальные методы кодовой модуляции

Речевой сигнал характеризуется сильной автокорреляцией. Это означает, что две соседних выборки не могут сильно отличаться друг от друга. Соответственно, если кодировать только разность между ними, то можно снизить скорость передачи двоичных данных. Знание нескольких последовательных отсчетов позволяет предсказать последующий отсчет. Т.о. можно кодировать разность между текущим и предсказанным значением. Кодер дифференциальной импулъсно-кодовой модуляции (ДИКМ)реализует эту идею.

Рисунок 7.4 - Структурная схема системы ДИКМ

В дифференциальных кодеках квантованию и передаче по цифровому каналу подвергается разность между текущим отсчетом (выборкой) РС х _n и его предсказанным значением т.е. ошибка предсказания

Предсказываемое значение формируется из восстановленного сигнала

Здесь – квантованная ошибка предсказания.

В качестве предсказываемого значения РС в простейшем случае может быть использовано предыдущее отсчетное значение, хотя в общем случае используется выражение

где a_i и Р - коэффициенты и порядок предсказания

Дельта-модуляция (ДМ) считается частным случаем ДИКМ-кодирования. В методе ДМ вычисляется разница между теку­щим и предыдущим отсчетами. Затем эта разница подвергается квантованию в одноразрядном (двухуровневом) квантователе. Этот единственный разряд просто показывает полярность отсчета разностного сигнала и посредством этого указывает на то, уве­личился или уменьшился сигнал за время, прошедшее после последнего отсчета. За упрощение схемы кодирова­ния приходится платить необходимостью увеличения частоты дискретизации по сравнению с минимально возможной частотой дискретизации, используемой в ИКМ-кодере. В простейшем ДМ-кодере частота дискретизации представляет со­бой компромисс между скоростью выходного потока данных и приемлемым уровнем ошибок квантования. Наиболее значительные ошибки дискретизации сигнала вызываются двумя явлениями - перегрузкой по крутизне и шумом дроб­ления. Суть первого явления заключается в том, что при кодировании быстро из­меняющегося сигнала возникают ошибки, обусловленные невозможностью из­менения аппроксимирующего сигнала более чем на один шаг квантования.

В простейшем случае линейной ДМ-квантователь имеет только два уровня (+ D и – D) и фиксированный шаг квантования, а предсказатель представля­ет собой цифровое интегрирующее устройство, в котором сигнал x`(k) задерживается на время dt и умножается на коэффициент a, где 0 < a £ 1. На выходе интегратора образуется сту­пенчатое напряжение, крутизна которого не может превышать значение F_д D = D/dt, при котором кодированный сигнал отстоит от входного сиг­нала не более, чем на размер шага. Если дельта-модулятор не в состоянии отслеживать быстрые изменения во входном сигнале, то возникает "отставание" восстановленного сигнала от исходно­го (рисунок 7.5), характеризуемое как искажение перегрузки по крутизне.

Рисунок 7.5 Искажение перегрузки по крутизне при дельта-модуляции

Фак­тически, ДМ-кодер не успевает отслеживать быстрые изменения уровня сигнала и генерирует линейно изменяющийся квантованный сигнал. Шум дробления или гранулярный шум возникает при квантовании квазистационарного сигнала. При ДМ-кодировании постоянного сигнала результат представляет собой неравномерно чередующиеся положительные и отрицательные двоичные импульсы. Как показано на рис. 8.2, для медленно меняющихся сигналов основное значение имеет гранулярный шум, в то время как для быстро меняющихся сигналов - шум перегрузки по крутизне. Последний достигает пиковых значений непос­редственно перед тем, как достигает максимумов кодируемый сигнал. Поэ­тому шум перегрузки по крутизне эффективно маскируется энергией речи, вследствие чего он менее заметен, чем шумы дробления.

Перегрузка по крутизне является не только ограничивающим факто­ром для системы с дельта-модуляцией, но и проблемой, присущей любой системе, когда кодируется разность значений соседних отсчетов. Систе­ма, оперирующая разностью, кодирует крутизну входного сигнала конечным числом разрядов и имеет, следовательно, конечный диапазон. Если кру­тизна превышает этот диапазон, происходит перегрузка по крутизне. В противоположность этому в обычной системе с ИКМ ограничена не скорость изменения входного сигнала, а максимальная кодируемая амплитуда. А дифференциальная система может кодировать сигналы с произвольно боль­шими амплитудами, лишь бы эти большие амплитуды достигались постепенно.

Рисунок 7.6 – Схема дельта-кодера (а), кодера с переменной крутизной (б) и накопителя, используемого в кодере и декодере(в)

Расчеты ОСШК при дельта-модуляции показывают, что последняя уступает ИКМ при больших скоростях передачи и превосходит ее при скоростях около 40 кбит/с. Так, для получения ОСШК, равного 35 дБ при частоте Найквиста (т.е. F_в) 3 кГц, требуется скорость передачи 200 кбит/с. Для улучшения эффективности ДМ применяют адаптацию - изменение шага D в соответствии с нестационарными свойствами сигнала и прежде всего - в зависимости от усредненного за короткое время значения крутизны входного сигнала.

Системы с ДИКМ обеспе­чивают такое качество восстановления сигнала, которое сопоставимо с качеством ИКМ-кодирования, и на порядок более высокую помехоустойчивость. Для снижения погрешности передачи при ДИКМ и по­вышения эффективности ДМ параметры квантователя и предсказателя должны быть согласованы со статистическими характеристиками сигнала, а посколь­ку последние изменяются во времени - алгоритмы должны быть адаптивными.

Дата добавления: 2013-12-13