3.2.6 Адаптивная регулировка усиления

Другим методом уменьшения числа разрядов, необходимых в кодовых комбинациях ИКМ сигнала (без увеличения шумов квантования), является ограничение динамического диапазона на входе кодера. Поскольку мощностью уже созданного сигнала речи управлять невозможно, для постройки всех входных сигналов кодера под стандартный уровень мощности можно использовать автоматическую регулировку усиления (АРУ). Обычно телефонные компании не прибегают к АРУ отчасти по традиции и отчасти из-за требований к качеству. Один из недостатков АРУ речевого сигнала на полный диапазон состоит в том, что все речевые сигналы принимаются с одним и тем же уровнем мощности. В результате было бы бессмысленно просить кого-либо говорить погромче, чтобы прекратить шум в канале или разницу в уровнях слышимости. Кроме того, во время пауз фон и шумы из телефона говорящего абонента будут усиливаться до значения средней мощности речи. Вследствие этого для сохранения пауз может возникнуть необходимость в установке на передающей стороне порогового устройства или устройства подавления генерации в канале.

Эти основные дефекты АРУ можно преодолеть, если в передающем полукомплекте закодировать и передать в сторону приемного полукомплекта значение коэффициента, на который настроено усиление. Затем приемный полукомплект осуществляет подстройку стандартного уровня мощности (формируемого на выходе декодера) до исходного уровня мощности на аналоговом входе. Таким образом, кодеры и декодеры оперируют только с сигналами с ограниченным диапазоном, в то время как передающие и приемные полукомплекты приспосабливаются к изменениям уровня мощности входного сигнала. Поскольку уровни мощности речевого сигнала имеют тенденцию к медленному изменению, измерения усиления не должны производиться слишком часто, а передача значений коэффициентов усиления не приводит к существенному повышению требуемой скорости передачи. В то же время сигнал при кодировании заключен в ограниченном диапазоне амплитуд, так что можно использовать уменьшенное число разрядов на дискрет. На рис. 3.21 представлена структурная схема системы с адаптивной регулировкой усиления при ИКМ-кодировании.

Имеются два основных режима работы для адаптивной регулировки усиления, зависящих от того, как изменяются коэффициенты усиления и к каким отрезкам речи эти коэффициенты относятся. Один из режимов работы, как показано на рис. 3.21, предполагает изменение уровня мощности одного из отрезков речи и использование этой информации для определения коэффициента усиления для последующих отрезков речи. Очевидно, что этот режим работы основан на медленном изменении уровней мощности. Этот режим работы иногда называют "задержанной оценкой".

Другой режим работы предусматривает измерение уровня мощности отрезка речи и использование полученного на его основе коэффициента усиления для приспособления кодера к тому же самому отрезку речи. Этот подход, называемый "прямой оценкой", имеет то очевидное преимущество, что в кодере и декодере используется коэффициенты усиления именно для тех отрезков речи, из которых эти коэффициенты получены. Недостаток этого режима состоит в том, что каждый отрезок речи необходимо задерживать на время определения коэффициента усиления. Однако этот недостаток становится менее неприятным благодаря использованию таких новых достижений технологии, как приборы с зарядовой связью для аналоговой задержки или цифровой памяти и регистров сдвига для цифровой задяржки.

Адаптивная регулировка усиления с явной передачей коэффициента усиления также не лишена недостатков. Во-первых, когда периодическая информация об усилении вводится в передаваемый цифровой сигнал, необходимы некоторые средства для образования блоков в цифровом потоке таким образом, чтобы было возможно отличить информацию об усилении от кодированного сигнала. Во-вторых, периодическое введение информации об усилении разрывает поток информации, приводя к повышенным тактовым частотам, которые зачастую находятся в неудобном соотношении с частотой дискретизации сигнала. В-третьих, качество речи критично к правильному приему коэффициентов усиления, что указывает на необходимость избыточного кодирования информации об усилении.

В [15] описан модифицированный вариант ИКМ, использующий прямую оценку коэффициентов усиления и называемый "ИКМ с почти мгновенным компандированием". Необходимость в блочной передаче отрезков речи в упомянутом в [15] применении (телефонная связь с подвижными объектами) не является недостатком, поскольку повторяющиеся блоки с контролем ошибок используются как средство преодоления кратковременных замираний из-за многолучевости.

Адаптивная регулировка усиления с явной передачей информации об усилении для цифровой передачи речи широко не использовалась. Единственное исключение представляет аппаратура абонентского каналообразования фирмы BellSystem[16], которая в настоящее время вышла из употребления. Разновидность регулирования усиления, использующая задержанную оценку для получения информации об усилении при кодировании сигнала, используется успешно в большинстве систем с дельта-модуляцией. В этих системах не осуществляется непосредственная подстройка уровней мощности, показанная на рис. 3.21, а регулируется эквивалентная функция подстройки размеров шагов квантования в кодерах и декодерах. Эти способы более полно описаны в разд. 3.5.3.