3.5.4 Адаптивная дельта-модуляция

Многочисленные исследователи предложили и изучили большое число различных алгоритмов адаптации размера шага в дельта-модуляторе. В основном все алгоритмы увеличивают размер шага, когда устанавливается начало перегрузки по крутизне, и уменьшают размер шага при уменьшении крутизны входного сигнала. В некото­рых из алгоритмов непосредственно изменяется крутизна входного сигнала и передается информация о размере шага в явной форме. В других алгоритмах информация о размере шага и в кодере и в декодере извлекается из передаваемого цифрового потока. Адаптация иногда является мгновенной, при которой подстройки осуществляют­ся при переходе от одного дискрета к другому [16], но гораздо чаще – слоговой, при которой значительные изменения в размере шага происходят один раз на интервале длительностью примерно 10 мс. Оказалось, что все основные алгоритмы обеспечивают пример­но одинаковое качество речи [19], но некоторые из них имеют опре­деленные свойства, которые в ряде применений делают их более при­влекательными, чем другие. В частности, эти алгоритмы отличаются по чувствительности к ошибкам в канале, формату передаваемых блоков, совместимости с другими видами кодеров и степени слож­ности цифровой обработки сигнала.

В этом разделе описывается один конкретный тип адаптивной дельта-модуляции, называемой, как правило, дельта-модуляцией с непрерывно изменяющейся крутизной (ДМНИК). Основной алго­ритм кодирования при ДМНИК впервые был описан Грифкесом и де Ягером в 1968 г. [19]. Позднее Грифкес и Рименс [20, 30] предложили метод, который носит название дельта-модуляции с компандированием, управляемым цифровым способом. Здесь выбран именно этот тип адаптивной дельта-модуляции, поскольку он прост и имеет множество обычно желательных свойств. Кроме того, этот алгоритм реализован некоторыми фирмами в одной интегральной схеме.

При компандировании, управляемом цифровым способом, как вы­текает из названия, информация о размере шага получается из передаваемого цифрового потока. Как показано на рис. 3.36, логи­ческое устройство адаптации следит за передаваемым цифровым сигналом, чтобы установить появление четырех последовательных единиц или четырех последовательных нулей (Число последовательных единиц или нулей, вызывающее увеличение размера шага, для дельта-модуляторов с пониженной скоростью передачи уменьшается до трех, чтобы оптимизировать время реакции). Последовательность из единиц показывает, что сигнал в цепи обратной связи, по-види­мому, растет не столь быстро, как входной сигнал, в то время как последовательность нулей показывает, что сигнал в цепи обратной связи, по-видимому, падает не столь быстро, как входной сигнал. В обоих случаях все единицы или все нули свидетельствуют о том, что возникла перегрузка по крутизне и следовало бы увеличить размер шага. Вследствие этого оба сигнала – обо всех единицах и обо всех нулях –используются совместно для управления генерато­ром импульсов. В течение перегрузки генератор импульсов возбуж­дается таким образом, чтобы напряжение шага, накапливаемое на конденсаторе C₁, увеличивалось.

Система с ДМНИК, показанная на рис. 3.36, не осуществляет явных измерений для определения того, не слишком ли велик размер шага, который при этом следовало бы уменьшить. Вместо этого к конденсатору С₁подключен резистор, что позволяет напряжению соответствующего шага со временем уменьшиться. В результате этого при отсутствии явных признаков увеличения напряжение шага ав­томатически уменьшается по экспоненте. В итоге размер шага умень­шается до минимального значения или до тех пор, пока не будет зафиксирована перегрузка, что снова приведет к увеличению размера шага.

Комбинацию из конденсатора и резистора называют иногда ин­тегратором с утечкой, подразумевая под этим, что конденсатор инте­грирует входные импульсы, а резистор обеспечивает утечку для уменьшения накопленного напряжения шага. Кроме автоматического уменьшения напряжения шага интегратор с утечкой устраняет также долговременный эффект влияния ошибок в канале на приемной стороне. Если бы использовался настоящий интегратор, ошибочное увеличение размера шага сохранялось бы бесконечно долго. Однако при интегрировании с утечкой длительность ошибочного увеличения (или отсутствия увеличения) ограничена несколькими постоянными времени интегратора с утечкой.

Отметим, что интеграция с утечкой используется также и для восстановления входного сигнала в декодере и соответственно в цепи обратной связи кодера. Благодаря этому смещение выходного сигна­ла в приемном полукомплекте, вызванное ошибкой в канале, естест­венным образом падает и эффективно устраняется за время, равное нескольким постоянным времени второго интегратора с утечкой. Устранение смещения в выходном сигнале не столь важно с точки зрения слушателя, поскольку постоянное смещение нельзя услышать, но зато полезно для предотвращения насыщения декодера. Если бы использовалось полное интегрирование, большое превышение чис­ла положительных или отрицательных ошибок в конце концов при­вело бы к насыщению электронных схем в декодере и искажению формы речевого сигнала. В дополнение к этому интеграторы с утеч­кой обеспечивают компенсацию небольших различий размеров шагов в положительную и отрицательную стороны, что в противном случае также привело бы к насыщению.

На рис. 3.37 представлены характеристики двух ДМНИК-кодеков в зависи­мости от входного уровня испытательного синусоидального сигнала с частотой 1 кГц. Эти характеристики взяты из проспектов ДМНИК-кодеков типов МС3417 и МС3418 производства фирмы Motorola. Кодек, работающий со скоростью 16 кбит/с (МС3417), обеспе­чивает качество, которое на­зывают общим качеством канала связи. Кодек, работающий со скоростью 37,7 кбит/с (МС3418), определяет качество телефонной связи общего пользования. Отметим, однако, что характеристики при скорости передачи 37,7 кбит/с не соответствуют требованиям к каналообразующему блоку типаD3, а именно к отношению сигнал-шум (ОСШК), равному 33 дБ в динамическом диапазоне 30 дБ. Напом­ним, что спецификация для блока типа D3 возникла из необходимос­ти получения повышенного качества для обеспечения возможности многократных преобразований. Таким образом, хотя ДМНИК при скорости передачи 37,7 кбит/с дает приемлемое качество на соедине­нии между двумя оконечными устройствами, для применений в слу­чае нескольких последовательных операций кодирования скорость пе­редачи следует увеличить. Кроме того, шумы незагруженного канала увеличиваются, если размеры шагов различаются.

Кривые на рис. 3.37 не полностью отражают качество выходного сигнала, если на вход подается речевой сигнал. Поскольку синусо­идальный сигнал с частотой 1 кГц представляет собой неизменный входной сигнал, он не обеспечивает проверку адаптации в кодеке. В частности, обычно отмечают, что в адаптивных дельта-модуляторах в речевом сигнале на выходе возникает некоторая нечеткость. Эта нечеткость отмечается в начале слов и относительно сильных слогов, что вызывается временной перегрузкой по крутизне.

В заключение следует снова отметить, что к настоящему времени предложено и реализовано большое число разновидностей алгорит­мов дельта-модуляции. Приведенный в качестве примера кодек ДМНИК является наиболее распространенным и дает представление о самых существенных чертах дельта-модуляции.

27