636_Nosov_V.I._Seti_radiodostupa_CH.1_
.pdf
изменения и несет информацию о знаке сигнала. Определитель сегмента С (XYZ) может быть определен как 7 минус число ведущих нулей, а определитель шага квантования К (ABCD) получается как четыре разряда, непосредственно следующие за ведущей единицей, за исключением случая, когда С = 0, когда К заключается в четырех разрядах, следующих за семью ведущими нулями. Всеми остальными разрядами 12–ти разрядной кодовой комбинации следующими за разрядами ABCD ( от E до I ) просто пренебрегают ввиду их малости.
В процессе нелинейного декодирования, т.е. формирования АИМ отсчета по структуре кодовой комбинации (PXYZABCD) определяются знак отсчета и номер сегмента, после чего суммируются все эталонные напряжения с учетом того, что к этой сумме с целью уменьшения ошибки квантования, т.е. для получения КВ < i / 2, добавляется напряжение равное половине шага
квантования в данном сегменте
UАИМ |
(Uэтi |
A8 i |
B4 i |
C2 i D i |
0.5 i ), |
||
где Uэтi – эталонное напряжение, соответствующее нижней границе i-го |
|||||||
сегмента; i |
– шаг квантования в i-м сегменте. |
|
|||||
Если, например, на вход декодера поступила кодовая комбинация |
|||||||
11101110 (т.е. Nс = 6, |
i = 32 0 , Uэтi = 512 |
0 ), то на выходе декодера будет |
|||||
сформирован АИМ отсчет с амплитудой UАИМ = + ( 512 |
0 + 1 8 32 0 + 1 4 32 |
||||||
0 + 1 2 32 |
0 + 0 32 |
0 + 0.5 32 |
0 ) = + 976 |
0 . При этом ошибка квантования |
|||
КВ = 5 0 < |
|
i / 2 = 16 |
0. |
|
|
|
|
2.2 Адаптивная дифференциальная импульснокодовая модуляция
Для оцифровки речи в аппаратуре радиодоступа помимо рассмотренной выше импульсно-кодовой модуляции используется и адаптивная дифференциальная импульсно-кодовая модуляция АДИКМ (ADPCM – adaptive differential pulse code modulation). Этот вид импульсно-кодовой модуляции был стандартизован ITU-T и используется во многих приложениях, включая цифровые сети с коммутацией каналов, такие как ISDN, и при реализации многих беспроводных абонентских линий связи.
2.2.1 Дифференциальное квантование
Дифференциальное квантование основано на принципе, согласно которому речевые сигналы незначительно изменяются от выборки к выборке. При обычной импульсно-кодовой модуляции квантованные значения смежных выборок будут в общем случае, близки друг к другу,
61
поэтому передаваемые модулированные значения будут содержать много избыточной информации.
Следовательно, имеет смысл передавать только значение разности двух смежных выборок, а не их абсолютные значения, тогда для передачи одной выборки потребуется меньшее число битов. Если значение k-й выборки равно m(k), то передается лишь разница d(k) = m(k) - m(k - 1). Тогда если приемник будет располагать точным начальным значением, то по последовательности разностей d(k) будет восстановлена последовательность абсолютных значений выборок m(k).
В то же время, если передавать только значения разностей между текущими и непосредственно предшествующими им выборками (для чего потребуется меньшее число битов), существует опасность постепенного нарастания отклонения выходных данных приемника от истинных значений. Если значение разности двух выборок превысит значение, которое можно представить с помощью передаваемых битов, приемник не сможет правильно воспроизвести входные данные и не сможет впоследствии исправить ошибку.
Для решения этой проблемы передатчик должен не только передавать значения разностей, но также дублировать декодирующую функцию, которая будет использоваться приемником. Тогда кодер будет выдавать разность между текущей выборкой и той выборкой, которая, по сведениям кодера, получена на приемнике при предыдущей передаче. В результате кодер будет инструктировать декодер, как вносить изменения в уже полученные выходные данные и таким образом ав томатически производить коррекцию.
2.2.2 Дифференциальная импульсно-кодовая модуляция
Описанная выше схема основана на предположении о том, что значения разностей будут меньшими, чем абсолютные значения выборок. Еще большую выгоду можно извлечь, если предположить, что голосовые сигналы изменяются относительно медленно, поэтому можно довольно точно оценить или предсказать значение k-й выборки m(k) на основе значений предыдущих выборок.
Для оценки k-й выборки, m'(k), нужно будет передать разность d(k) = m(k) - m'(k). Если использовать достаточно точную оценочную функцию, то эта разность будет меньше разности значений двух последовательных выборок. На приемнике, где используется та же оценочная функция, входящее значение разности будет добавлено к оценке предыдущей выборки и таким образом будет оценена текущая выборка. Этот принцип положен в основу дифференциальной импульсно-кодовой модуляции (DPCM). Отметим, что простая разностная схема, описанная в предыдущем параграфе, является всего лишь частным случаем DPCM, в котором для оценки выбрана функция m(k) = m(k - 1).
62
На рис. 2.16, а представлена структурная схема кодера. Чтобы понять, что представляет собой эта схема, рассмотрим подробно все ее составляющие. На вход кодера подается голосовой сигнал g(t). Сначала из сигнала извлекается аналоговая выборка m(k), представляющая собой выборку амплитудно-импульсной модуляции (РАМ). Уже на этом этапе начинаются трудности. Казалось бы, ничто не мешает построить оценочное значение m(k), найти разность и передать значение этой разности. Однако принимающая сторона вместо предыдущих аналоговых выборок m(k - 1), m(k - 2) и т.д., которые находились на передающей стороне, будет располагать последовательностью квантованных разностей, на основе которых можно воссоздать только квантованную выборку тq(k).
Поэтому, на приемной стороне воссоздать m'(k) не удастся, а можно будет, основываясь на значениях предыдущих квантованных выборок mq(k - 1), mq(k - 2) и т.д., определить только m'q(k), оценку квантованной выборки mq(k). Если передающая сторона будет основывать предсказания на значениях m(k), а приемная - на значениях mq(k), то выборка на приемнике будет восстановлена неправильно. Передающая сторона должна, как и приемная, определять значения mq(k) и передавать разность d(k) = m(k) - m'q(k). Тогда приемник на основе полученных разностей d(k) сможет правильно восстановить выборку mq(k).
|
|
|
|
Цифр. |
q(t) |
m(k) |
d(k) |
dq(k) |
сигнал |
|
||||
|
Выборка |
Квантователь |
|
АЦП |
|
m' q (k) |
|
m q (k) |
|
|
|
Предсказатель |
|
|
а) Кодер DPCM
Цифр. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
m q (k) |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
сигнал |
ЦАП |
|
dq(k) |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Сглаживающий |
q'(t) |
||||||
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
фильтр |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
m' q (k) |
|
Предсказатель |
|
|
|
|
|
|
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
б) Декодер DPCM
Рисунок 2.16 Кодер а) и декодер б) дифференциальной ИКМ
63
Осталось только показать, что схема, изображенная на рис. 2.16, а, воспроизводит нужные значения квантованных разностей. На выходе предсказателя определяется значение m'q(k), которое является предсказанным значением m(k). Затем берется разность
d(k) = m(k)- m'q(k) |
(2.22) |
Далее, полученная разность квантуется, чтобы получить значение квантованной разности dq(k), которое можно представить следующим образом:
dq(k) = d(k)-e(k), |
(2.23) |
где e(k),представляет собой ошибку квантования, получающуюся вследствие аппроксимации аналоговой величины d(k) цифровой величиной dq(k). Таким образом, входные данные предсказателя состоят из квантованных разностей и выходных данных предыдущего предсказания
mq(k)= m'q(k)+dq(k) =[m(k)-d(k)] + [d(k) + q(k)] = m(k) + q(k). (2.24)
Видно, что mq(k) является квантованным аналогом m(k). Таким образом, как и было задумано, на вход предсказателя подаются значения mq(k), необходимые для работы приемника. Структурная схема декодера представлена на рис. 2.16, б. Часть декодера, которая заключена в пунктирную рамку, ничем не отличается от заключенного в пунктирную рамку участка кодера. На вход этих участков подается одно и тоже значение dq(k), следовательно, на выходе получаются одинаковые значения mq(k). Затем в декодере выходные данные этого участка пропускаются через сглаживающий фильтр нижних частот, вследствие чего получается аналоговый сигнал q'(t), являющийся приближением исходного аналогового сигнала q(t).
Как правило, предсказатель (рис. 2.17) – это реализованная с использованием задержек, равных интервалу выборки, линейная взвешенная сумма предыдущих выборок
|
N |
|
mq (k) |
Aimq (k i) |
(2.25) |
|
i 1 |
|
Коэффициенты предсказателя Ai определяются из статистических свойств выборок.
2.2.3 Адаптивная дифференциальная ИКМ
64
Производительность схемы DPCM можно повысить, если использовать адаптивные методы предсказания и квантования, которые позволят предсказателю и устройству квантования адаптироваться к изменяющимся характеристикам кодируемой речи.
m q (k) |
|
Задержка |
|
|
|
Задержка |
|
|
|
|
|
|
|
|
Задержка |
|
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||
|
|
|
|
|
TS |
|
|
|
|
TS |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
TS |
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
А1 |
|
|
А2 |
|
|
|
|
А3 |
|
|
|
АN-1 |
|
АN |
|
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
m' q (k)
Рисунок 2.17 Схема линейного предсказателя
В этом разделе описывается схема ADPCM, стандартизованная ITU-T в Рекомендации G.726, которая используется в системах DECT и во многих абонентских линиях связи.
На рис. 2.18 а и б показаны структурные схемы кодера и декодера адаптивной дифференциальной ИКМ. Кодер преобразует поток оцифрованной речи со скоростью 64 Кбит/с в сжатый поток со скоростью 32 Кбит/с. Общая структурная схема кодера и декодера ADPCM аналогична схеме, приведенной для модуляции DPCM. В последнем случае адаптивный предсказатель использует не только значения своих предыдущих выходных данных, но и значения предыдущих квантованных разностей. В предсказателе и в устройстве квантования параметры алгоритмов регулируются динамически, в зависимости от статистических свойств предыдущих выборок. Как и при использовании схемы DPCM, ядро
декодера — копия части логики кодера. |
|
|
|
Адаптивное |
устройство |
квантования |
(аналого-цифрового |
преобразователя — АЦП) в качестве входных данных принимает значение разности d(k) между модулированным сигналом s(k) и оценкой этого сигнала se(k), а на выходе выдает 4-битовый модулированный сигнал ADPCM I(k). Соответствующее отображение значений приведено в первых двух столбцах табл. 2.2. До квантования разность d(k) представляется в виде логарифма по основанию 2, затем она масштабируется на величину у(к) — множитель адаптации, основанный на скорости изменения сигнала от
65
выборки к выборке. Полученный результат представляется в виде 4 бит, которые и передаются как сигнал ADPCM.
Таблица 2.2 Нормированные характеристики входа/выхода устройства квантования АДИКМ
Диапазон нормированных входных |
Выход адаптивного |
Выход декодера |
значений адаптивного квантователя |
квантователя, I(k) |
АДИКМ, dq(k) |
Log2|d(k)|-y(k) |
|
|
[3,12, +∞) |
7 |
3,32 |
[2,72, 3,12) |
6 |
2,91 |
[2,34, 2,72) |
5 |
2,52 |
[1,91, 2,34) |
4 |
2,13 |
[1,38, 1,91) |
3 |
1,66 |
[0,62, 1,38) |
2 |
1,05 |
[-0,98, 0,62) |
1 |
0,031 |
[-∞, -0,98) |
0 |
-∞ |
На вход обратного адаптивного АЦП подается 4-битовый сигнал I(k), а на выходе получается разностный сигнал dq(k), который затем используется в качестве входного сигнала для адаптивного предсказателя. Это отображение представлено во втором и третьем столбцах табл. 2.2.
Адаптивный предсказатель имеет структуру линейного предсказателя (см рис. 2.17), который, впрочем, сложнее, чем предсказатель схемы DPCM. Предсказатель для схемы ADPCM является комбинацией рекурсивного фильтра второго порядка и нерекурсивного фильтра шестого порядка, что можно представить следующим уравнением:
2 |
|
6 |
|
|
se (k) |
Ai (k i) |
Bi (k |
i)dq (k i), |
(2.26) |
i 1 |
|
i 1 |
|
|
где коэффициенты Аi и Вi |
обновляются с |
помощью |
алгоритмов |
|
адаптации к скорости изменения выборок se(k) и dq(k).
Таким образом, адаптивный предсказатель настраивается на скорость изменения разностей выборок, а также на скорость изменения оценочных значений сигнала.
Кодеки ADPCM работают на скоростях 40, 32, 20 и 16 кбит/с.
2.2.4 Дельта-модуляция
66
Для улучшения производительности импульсно-кодовой модуляции или для упрощения этого вида кодировки могут использоваться различные методики. Одной из наиболее популярных альтернатив является дельта-
модуляция (delta modulation – DM).
|
|
|
|
|
|
|
|
Разностный |
|
|
|
|
32 Кбит/с |
||
|
|
|
|
|
|
|
|
сигнал |
|
|
|
|
|
АДИКМ |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
Декодер |
m(k) |
|
|
|
|
d(k) |
Адаптивный |
|
|
Кодер |
|
|
|||
|
|
|
|
||||||||||||
ИКМ |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
квантователь |
|
|
АДИКМ |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Оценка |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Декодер |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
сигнала |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
АДИКМ |
|
|||
m' q (k) |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
m q (k) |
|
||||||||||||
Адаптивный |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Квантованный |
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
предсказатель |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
разностный |
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
сигнал |
|
|
|
|
|
Восстановленный |
||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
dq(k) |
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
|
|
|
|
|
сигнал |
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
а) Кодер ADPCM
32 Кбит/с |
|
|
АДИКМ |
Квантованный |
|
|
разностный |
Восстановленный |
Декодер |
сигнал |
сигнал |
АДИКМ |
|
|
|
Оценка |
|
|
сигнала |
|
|
|
Адаптивный |
|
|
предсказатель |
64 Кбит/с
Кодер ИКМ ИКМ
б) Декодер ADPCM
Рисунок 2.18 Структурная схема кодера а) и декодера б) АДИКМ
При использовании делтьта-модуляции поступающий аналоговый сигнал аппроксимируется ступенчатой функцией, значение которой в каждом интервале выборки Ts увеличивается или уменьшается на один уровень квантования Пример такой функции приведен на рис. 2.19, где ступенчатая функция накладывается на исходный аналоговый сигнал. Важной характеристикой данной ступенчатой функции является бинарное поведение: в каждый момент выборки значение функции уменьшается или увеличивается на постоянную величину. Следовательно, выход процесса дельта-модуляции каждой выборки можно представить одной двоичной
67
цифрой. По сути, двоичный поток генерируется путем аппроксимации производной аналогового сигнала, а не его амплитуды: 1 генерируется, если ступенчатая функция возрастает на следующем интервале, и 0 - в противоположном случае.
Направление перехода (вверх или вниз), происходящего в каждый момент взятия выборки, определяется так, чтобы ступенчатая функция максимально соответствовала исходному аналоговому сигналу. Логика процесса изображена на рис. 2.20 и представляет, по сути, механизм обратной связи. При передаче происходит следующее: в каждый момент взятия выборки входной аналоговый сигнал сравнивается с последним значением аппроксимирующей ступенчатой функции. Если величина оцифровываемого сигнала превышает значение ступенчатой функции, то генерируется 1; в противном случае генерируется 0. Таким образом, изменение ступенчатой функции всегда происходит по направлению к входному сигнал. Выходом же процесса дельта-модуляции является двоичная последовательность, которую приемник может использовать для восстановления ступенчатой функции.
U(t) |
Входной аналоговый |
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
сигнал |
|
|
|
|
|
|
|
Ступенчатая функция |
|
|
|
|
|
Шум |
|
|
|
|
|
|
перегрузки по |
|
|
|
|
|
|
крутизне |
|
|
|
δ |
|
|
|
Шум |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
квантования |
|
|
|
|
TS |
|
|
t |
|
|
|
|
|
|
|
|
U(t) |
|
|
|
|
|
|
1 |
|
|
|
|
|
|
0 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
t |
|
Рисунок 2.19 |
Процесс получения дельта-модулированного сигнала |
|
|
|||
После этого полученная функция сглаживается посредством |
||||||
некоторого |
интеграционного |
процесса или при пропускании |
ее |
через |
||
|
|
|
|
68 |
|
|
фильтр нижних частот, что позволяет создать аналоговую аппроксимацию входного аналогового сигнала.
В схеме дельта-модуляции имеется два важных параметра: размер шага δ, выделенного каждому двоичному символу, и частота выборки F = 1/TS. Как показано на рис. 6.18, выбор δ является компромиссом между двумя типами ошибок или шумов. При очень медленном изменении аналогового сигнала будет существовать квантовый шум, возрастающий по мере увеличения δ. Однако если аналоговая форма волны изменяется настолько быстро, что ступенчатая функция не может за ней поспеть, то возникает шум перегрузки по крутизне, возрастающий по мере увеличения δ.
Очевидно, что точность схемы можно улучшить за счет увеличения частоты выборки, однако при этом увеличивается скорость передачи цифрового сигнала. Основным преимуществом дельта-модуляции по сравнению с импульсно-кодовой модуляцией является простота еѐ реализации.
Скорость передачи при дельта-модуляции соответствует частоте дискретизации (одноразрядное квантование); при скоростях 40-30 кбит/с ДМ обеспечивает более высокое качество восстановления, чем ИКМ. Дельта-модуляция обладает наилучшими параметрами помехоустойчивости среди всех методов кодирования. Соответствующие системы не теряют работоспособности при возникновении одиночных ошибок и их пакетов (серий) малой длительности.
2.3 Кодер речи
С возникновением электрической связи ученые и инженеры начали неустанный поиск способов компактного представления данных, то есть хранения и передачи информации меньшим потоком цифровых данных или в более узком частотном диапазоне. Весьма важное место в технике связи занимает передача речи. Поэтому понятно стремление представить речь в возможно более компактной форме.
Сжатие речи при ее передаче сокращает объем передаваемых данных, затраты и, благодаря этому, позволяет снижать цены на услуги и привлекать новых пользователей. Именно поэтому рынок цифровой телефонии развивается под непосредственным технологическим диктатом ученых и разработчиков кодеков речи.
2.3.1 Методы кодирования речи
После того как аналоговый сигнал преобразован в цифровую форму, к нему можно применять различные способы обработки, которые невозможно использовать при работе с чисто аналоговым сигналом. В частности, оцифрованный сигнал перед передачей можно сжать, уменьшив, таким образом, пропускную способность, необходимую для передачи одного голосового соединения. Методы сжатия речи разрабатываются для
69
достижения определенных целей – нужных скоростей битового потока, качества сигнала, задержки и сложности. Чтобы гарантировать взаимную совместимость устройств кодирования и декодирования, организации по стандартам, такие как ITU-T, ISO и ETSI, определяют эти цели в соответствии с предназначением каждого метода. Но при этом, выигрывая в одном, пользователь часто проигрывает в другом.
|
|
Однобитовое |
|
Входной |
|
устройство |
|
|
квантования |
Выходной |
|
аналоговый |
|
||
|
|
двоичный |
|
сигнал |
|
|
|
∑ |
|
сигнал |
|
|
|
||
|
|
|
|
|
Контур предсказания- |
|
|
|
сравнения |
|
|
|
Задержка на |
∑ |
|
|
такт |
|
|
|
Контур предсказания- |
|
|
|
коррекции |
|
|
|
а) Кодер |
|
|
Входной |
|
|
Выходной |
двоичный |
|
|
аналоговый |
сигнал |
∑ |
Восстанавливающий |
сигнал |
|
|
||
|
ФНЧ |
|
|
|
Задержка на |
|
|
|
такт |
|
|
б) Декодер
Рисунок 2.20 Кодер а) и декодер б) для дельта модуляции
Во-первых, несмотря на то, что алгоритмы сжатия реализуются на аппаратном уровне, с использованием специализированных процессоров обработки цифрового сигнала (Digital Signal Processor – DSP), все-таки эта операция может привести к задержкам в передаче голоса. При разработке высококачественных методов сжатия речи для скоростей цифровых потоков ниже 10 Кбит/с возникают особенные трудности. Для простых алгоритмов задержка невелика – единицы миллисекунд, однако для сложных
70