3.4.2 Предсказание более высокого порядка

С более общей точки зрения ДИКМ-кодер представляет собой особого рода линейный предсказатель с кодированием и передачей ошибок предсказания. Сигнал в цепи обратной связи системы с ДИКМ представляет собой предсказание первого порядка значения следующего дискрета, а разность между значениями дискретов является ошибкой предсказания. С этой точки зрения концепцию ДИКМ можно расширить таким образом, чтобы включить в цепь предсказания значения более чем одного предшествующего дискрета. За счет этого дополнительная избыточность, извлекаемая из всех предшествующих дискретов, может быть взвешена и суммирована для получения лучшей оценки значения следующего входного диск­рета. В связи с улучшенной оценкой диапазон ошибок предсказания уменьшается, что дает возможность кодировать с меньшим числом разрядов. Для систем с постоянными коэффициентами предсказа­ния большая часть реализуемого выигрыша достигается, когда ис­пользуются значения только трех последних дискретов. Типовой вариант кодера с линейным предсказанием на основе значений трех последних дискретов, показан на рис. 3.28. В этом варианте при­меняется аналоговое интегрирование, как показано на рис. 3.27а для стандартной ДИКМ. Естественно, что возможны также варианты с большей долей цифровой обработки сигнала, как на рис. 3.27б и в.

Как уже упоминалось в разд. 3.4, при анализе систем с ДИКМ и предсказанием первого порядка обычно получается уменьшение длины кодовой комбинации, соответствующей дискрету, на один раз­ряд по сравнению с ее длиной в системах с ИКМ при эквивалентных показателях систем. В системах с ДИКМ с предсказанием третьего порядка может быть достигнуто уменьшение на 1,5 – 2 разряда на дискрет [19]. Таким образом, обычная система с ДИКМ может обеспечить то же качество, что и система с ИКМ со скоростью передачи 64 кбит/с, при скорости передачи 56 кбит/с, а в системе с предсказанием третьего порядка можно получить сопоставимое качество при скорости передачи 48 кбит/с. Субъективные измерения, однако, часто показывают, что требуются несколько более высокие скорости передачи, чтобы достичь соответствия качеству ИКМ при скорости передачи 64 кбит/с.

Хотя описанные здесь способы ДИКМ могут ощутимо умень­шить скорость передачи, их использование в телефонной связи общего пользования невелико по двум причинам. Во-первых, ИКМ-системы со скоростью передачи 64 кбит/с завоевали твердые позиции системы, способные обеспечить желаемое качество. Во-вторых, дель­та-модуляция, описанная в следующем разделе и представляющая собой особый случай ДИКМ, дает сопоставимое качество и намного проще реализуется. По мере разработки БИС для более сложных алгоритмов кодирования значение различий в реализации будет уменьшаться.

3.5 Дельта-модуляция

Дельта-модуляция (ДМ) представляет собой еще один способ аналого-цифрового преобразования, при котором специальным обра­зом используется корреляция между дискретами в речевом сигнале. Дельта-модуляция фактически может рассматриваться как особый случай ДИКМ, когда используется только один разряд на дискрет разностного сигнала. Этот единственный разряд просто показывает полярность дискрета разностного сигнала и посредством этого указывает на то, увеличился или уменьшился сигнал за время, про­шедшее после последнего дискрета. Аппроксимация входного сигнала создается в цепи обратной связи путем формирования ступеньки вверх, если разность положительна (единица), и ступеньки вниз, если разность отрицательна (нуль). При этом входной сигнал кодируется как последовательность "подъемов" и "спусков", напоминающая лест­ницу. На рис. 3.29 показан типовой сигнал, аппроксимированный посредством ДМ. Отметим, что сигнал в цепи обратной связи про­должает создавать ступеньки в одном направлении, пока значения аппроксимирующего сигнала в два последовательных момента форми­рования ступенек не окажутся по разные стороны кривой входного сигнала, и в этот момент ступеньки в цепи обратной связи меняют свое направление на обратное, до тех пор пока снова не повторится то же явление. Таким образом, в процессе отслеживания входного сигнала выходной сигнал ДМ "скачет туда-сюда" вокруг входного сигнала, что дает возможность с помощью сглаживающего фильтра правильно восстановить входной сигнал.

Поскольку каждый кодированный дискрет содержит относительно малое количество информации (1 бит), системы с ДМ требуют более высокой частоты дикретизации, чем системы с ИКМ или многоразрядной ДИКМ. В действительности, частоту дискретизации необходимо выбирать намного выше минимальной частоты дискрети­зации, равной удвоенной полосе. С другой точки зрения повышение частоты дискретизации необходимо для лучшего предсказания сле­дующего дискрета.

Дельта-модуляция вызывает значительный интерес как метод пре­образования в цифровую форму различных видов аналоговых сиг­налов. Одной из основных положительных черт ДМ является прос­тота. На рис. 3.30 показан типовой вариант реализации кодера и декодера при ДМ. Отметим, что функция аналого-цифрового преоб­разования осуществляется с помощью простого компаратора. По­ложительное напряжение разности приводит к формированию 1, а отрицательное – к формированию 0. Соответственно функции циф-ро-аналогового преобразования в цепи обратной связи и в декодере осуществляются с помощью генератора импульсов с двумя поляр-ностями. В простейшей форме интегратор может состоять просто из конденсатора, накапливающего заряды от импульсного генератора.

В дополнение к этим очевидным упрощениям реализации дельта-модулятор допускает также использование относительно простых фильтров для ограничения полосы входного сигнала и сглаживания выходного сигнала [20]. Как указывалось в разд. 3.1, спектр, воз­никающий в процессе дискретизации, состоит из боковых полос гармоник частоты дискретизации, точно отражающих спектр диск-ретизируемого сигнала. Вследствие относительно высокой частоты дискретизации в дельта-модуляторе эти боковые полосы сильно раз­несены по частоте, и, следовательно, от помех наложения спектров можно защититься при менее жестких требованиях к характерис­тикам среза входного фильтра.