3.5.1 Перегрузка по крутизне

При работе дельта-модулятора, как показано на рис. 3.29, ко­дированный сигнал никогда не отстоит от входного сигнала более, чем на размер шага. Однако иногда дельта-модулятор не в состоянии отслеживать быстрые изменения во входном сигнале и вследствие этого кодированный сигнал может отстать от входного более, чем на размер шага. Когда это случается, говорят, что дельта-модулятор испытывает перегрузку по крутизне. Условия возникновения пере­грузки по крутизне показаны на рис. 3.31.

Перегрузка по крутизне происходит в основном, когда скорость изменения входного сигнала превышает максимальную скорость изменения, которая может быть получена в цепи обратной связи. Поскольку максимальная скорость изменения в цепи обратной связи просто-напросто равна произведению размера шага на частоту дискретизации, условие перегрузки возникает, если

|dx(t)/dt|>qf_s, (3.12)

где х (t) – входной сигнал,q– размер шага,f_s– частота дискре­тизации.

При расчете дельта-модулятора обязательно учитывают связь между двумя типами искажений: более или менее случайными шума­ми квантования, называемыми иногда гранулярным шумом, и шумом перегрузки по крутизне. Как показано на рис. 3.31, для медленно меняющихся сигналов основное значение имеет гранулярный шум, в то время как для быстро меняющихся сигналов – шум перегрузки по крутизне. Очевидно, что гранулярный шум мал, если малы разме­ры шагов, но при этом увеличивается вероятность перегрузки по крутизне. Оптимальные в смысле минимизации суммы гранулярного шума и шума перегрузки по крутизне размеры шагов были рас­смотрены Эбейтом [21].

Влияние перегрузки по крутизне на качество восприятия речевого сигнала существенно отличается от воздействия гранулярного шума. Как показано на рис. 3.31, шум перегрузки по крутизне достигает пиковых значений непосредственно перед тем, как достигает макси­мумов кодируемый сигнал. Отсюда шум перегрузки по крутизне имеет значительные составляющие, идентичные по частоте и близкие по фазе основным компонентам входного сигнала. Шумы, связанные таким образом cречевым сигналом, эффективно маскируются энергией речи и поэтому менее заметны, чем некоррелированные шумы. И действительно, шум перегрузки намного менее заметен для слушателя, чем случайный, или гранулярный шум при эквива­лентном уровне мощности [22]. Следовательно, с точки зрения качества восприятия речи трудно определить оптимальное соотно­шение гранулярного шума и шума перегрузки по крутизне. Перегруз­ка по крутизне является не только ограничивающим фактором для системы с дельта-модуляцией, но и проблемой, присущей любой системе, такой как система с ДИКМ в общем случае, когда коди­руется разность значений соседних дискретов. 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. Отметим, что дифференциальная система может кодиро­вать сигналы с произвольно большими амплитудами, лишь бы эти большие амплитуды достигались постепенно.