Дельта-модуляция с плавным изменением наклона - Continuously variable slope delta modulation

Дельта-модуляция с непрерывным изменяющимся наклоном ( CVSD или CVSDM ) - это метод кодирования речи . Это дельта-модуляция с переменным размером шага (то есть частный случай адаптивной дельта-модуляции ), впервые предложенная Грефкесом и Рименсом в 1970 году.

CVSD кодирует 1 бит на выборку, поэтому звук, дискретизированный с частотой 16 кГц, кодируется со скоростью 16 кбит / с.

Кодировщик поддерживает эталонную выборку и размер шага. Каждый входной образец сравнивается с эталонным образцом. Если входная выборка больше, кодировщик выдает 1 бит и добавляет размер шага к эталонной выборке. Если образец входного сигнала меньше, кодер выдает 0 бит и вычитает размер шага от эталонного образца. Кодер также сохраняет предыдущие N битов вывода ( очень часто N = 3 или N = 4) для определения корректировок размера шага; если все предыдущие N битов равны 1 или 0, размер шага увеличивается. В противном случае размер шага уменьшается (обычно экспоненциально, в пределах 5 мс). Размер шага регулируется для каждой обрабатываемой входной выборки.

Чтобы позволить битовым ошибкам исчезнуть и разрешить (повторную) синхронизацию с текущим битовым потоком, выходной регистр (который хранит эталонную выборку) обычно реализуется как интегратор с утечками с постоянной времени ( ) около 1 мс.

Декодер меняет этот процесс, начиная с эталонной выборки и добавляя или вычитая размер шага в соответствии с битовым потоком. Последовательность скорректированных эталонных отсчетов представляет собой восстановленную форму сигнала, а размер шага регулируется в соответствии с той же логикой «все единицы или нули», что и в кодере.

Адаптация размера шага позволяет избежать перегрузки по наклону (шаг квантования увеличивается при быстром изменении сигнала) и уменьшает гранулярный шум, когда сигнал постоянен (уменьшение шага квантования).

CVSD иногда называют компромиссом между простотой, низким битрейтом и качеством. Обычные битрейты составляют 9,6–128 кбит / с.

Как и другие методы дельта-модуляции, выходной сигнал декодера не совсем соответствует исходному входному сигналу кодера.

Приложения

CVSD 12 кбит / с используется компанией Motorola SECURENET линейкой продуктов двусторонней радиосвязи с цифровым шифрованием.

CVSD 16 и 32 кбит / с использовались военными цифровыми телефонами TRI-TAC (DNVT, DSVT) для использования в развернутых областях для обеспечения звука качества распознавания голоса. Скорость 16 кбит / с обычно использовалась войсками США для сохранения пропускной способности тактических каналов. Скорость 32 кбит / с обычно использовалась ВВС США для улучшения качества передачи речи.

CVSD со скоростью 64 кбит / с - это один из вариантов кодирования голосовых сигналов в профилях услуг Bluetooth, связанных с телефонией ; например, между мобильными телефонами и беспроводными гарнитурами. Другие варианты - PCM с логарифмическим a-законом или μ-законом квантования.

Многочисленные аркадные игры, такие как Sinistar и Smash TV , и автоматы для игры в пинбол, такие как Gorgar или Space Shuttle , воспроизводят предварительно записанную речь через декодер CVSD HC-55516.

Приложение SBS, дельта-модуляция 24 кбит / с

Дельта-модуляция использовалась Satellite Business Systems или SBS для своих голосовых портов для предоставления услуг междугородной телефонной связи крупным национальным корпорациям, которым требуется значительная связь между корпорациями (например, IBM). Эта система находилась в эксплуатации на протяжении 1980-х годов. Голосовые порты использовали цифровую дельта-модуляцию 24 кбит / с со сжатием речевой активности (VAC) и подавители эха для управления полусекундным трактом эха через спутник. Были проведены тесты на прослушивание, чтобы убедиться, что дельта-модулятор 24 кбит / с обеспечивает «полное качество голоса» без заметного ухудшения по сравнению с высококачественной телефонной линией или стандартным PCM с компандировкой по μ-закону 64 кбит / с . Это обеспечило улучшение пропускной способности спутникового канала до 8: 3. IBM разработала контроллер спутниковой связи и функции голосового порта.

В первоначальном предложении 1974 года использовался современный дельта-модулятор 24 кбит / с с одним интегратором и компандер Шиндлера, модифицированный для восстановления ошибок усиления. Это оказалось хуже, чем качество речи на телефонной линии. В 1977 году один инженер с двумя помощниками в лаборатории IBM Research Triangle Park , Северная Каролина, был назначен для повышения качества.

В окончательной реализации интегратор был заменен на предсказатель, реализованный с помощью двухполюсного фильтра нижних частот с комплексной парой, предназначенного для аппроксимации долгосрочного среднего речевого спектра. Теория заключалась в том, что в идеале интегратор должен быть предсказателем, предназначенным для согласования спектра сигнала. Почти идеальный компандер Шиндлера заменил модифицированную версию. Было обнаружено, что модифицированный компандер привел к менее чем идеальному размеру шага на большинстве уровней сигнала, а быстрое восстановление ошибки усиления увеличило шум, как определено в реальных тестах прослушивания, по сравнению с простыми измерениями отношения сигнал / шум. Последний компандер добился очень небольшого восстановления ошибки усиления из-за ошибки округления естественного усечения, вызванной 12-разрядной арифметикой.

Полная функция дельта-модуляции, VAC и управления эхом для 6 портов была реализована в одной микросхеме цифровой интегральной схемы с 12-битной арифметикой. Один ЦАП использовался всеми 6 портами, обеспечивая функции сравнения напряжений для модуляторов и питающие схемы выборки и хранения для выходов демодулятора. Одна карта содержала микросхему, ЦАП и все аналоговые схемы для интерфейса телефонной линии, включая трансформаторы.

Смотрите также

Ссылки

  • JA Greefkes и K. Riemens, "Модуляция кода с цифровым управлением компандированием для передачи речи", Philips Tech. Ред., Стр. 335-353, 1970.
  • NS Jayant, "Цифровое кодирование сигналов речи: квантователи PCM, DPCM и DM", Proc. IEEE, т. 62, нет. 5, pp. 61 1-632, май 1974 г.
  • Р. Стил, Системы дельта-модуляции , Pentech Press, Лондон, Англия, 1975.
  • Н. С. Джаянт и П. Нолл, Цифровое кодирование форм сигналов: принципы и приложения к речи и видео , Прентис-Холл, Энглвуд Клиффс, Нью-Джерси, 1984.
  • Описание алгоритма плюс образцы речи
  • Спецификация системы Bluetooth 2.0 + EDR, пакет базовой системы, часть B «Спецификация основной полосы частот», раздел 9 «Аудио», ноябрь 2004 г.