Дельта-модуляция и кодеры источника: альтернативные методы цифрового кодирования

Ключевые слова: дельта-модуляция, кодеры источника, линейное предиктивное кодирование, ЛПК, ИКМ, шум незанятого канала, полоса пропускания.

Принцип дельта-модуляции. Дельта-модуляция представляет собой альтернативный технический прием для кодирования дискретизированного аналогового сигнала. В отличие от Импульсно-кодовой модуляции (ИКМ), этот метод передает не абсолютное значение каждого отсчета, а лишь разность полярности между текущим и последующим измерением. Упрощенная принципиальная блок-схема, иллюстрирующая данный подход, приведена на рисунке 6.23а. Основная идея метода заключается в отслеживании направления изменения сигнала, что позволяет существенно упростить структуру кодека и снизить требуемую полосу пропускания для передачи данных.

Схема функционирования дельта-модулятора. В основе работы дельта-модулятора лежит схема с цепью обратной связи, где закодированный сигнал немедленно декодируется и сравнивается с новым входным значением. Это сравнение определяет, является ли сигнал нарастающим или уменьшающимся. Как показано на рисунке 6.23б, выходной сигнал представляет собой последовательность битов, указывающих лишь направление изменения аналогового сигнала. Критическим недостатком данной простой схемы является то, что она не отражает скорости изменения входного сигнала, что требует дополнительных решений для точного восстановления формы сигнала на приемной стороне.

Рис. 6.23. Упрощенная схема метода дельта-модуляции

Проблемы и решения в дельта-модуляции. Для компенсации отсутствия информации о скорости изменения сигнала в дельта-модуляции применяется повышенная частота дискретизации по сравнению с логарифмическими ИКМ-кодерами. Это обеспечивает лучшую корреляцию между последовательными измерениями и уменьшает ошибку восстановления. Однако при стандартных скоростях передачи данных ИКМ демонстрирует более высокое качество и значительно меньший уровень шумов в незанятой линии связи. Проблема дельта-модуляции заключается в отсутствии способа представления нулевого значения сигнала, что приводит к генерации ложных импульсов в незашумленном канале, как наглядно демонстрирует рисунок 6.24.

Рис. 6.24. Генерация шума незанятого канала в дельта-модуляторе

Шум незанятого канала в дельта-модуляторе. Рисунок 6.24 наглядно иллюстрирует феномен генерации шума незанятого канала в дельта-модуляторе. Когда входной сигнал отсутствует или постоянен, идеальный кодер должен выдавать нулевой выход. Однако из-за принципа работы дельта-модулятор продолжает генерировать последовательность импульсов противоположной полярности, пытаясь "отследить" нулевой сигнал. Этот непрерывный поток битов воспринимается как шум, что является фундаментальным недостатком простейшей реализации данного метода и ограничивает его применение в системах с высокими требованиями к качеству связи.

Понятие кодеров источника. Все рассмотренные ранее кодеры, такие как ИКМ и дельта-модуляция, относятся к классу кодеров аналогового сигнала, чья задача — максимально точное воспроизведение исходного сигнала. Существует принципиально иной класс устройств, известных как кодеры источника (или исходные кодеры). Их основная идея заключается не в точности, а в минимизации количества передаваемых битов, необходимых для сохранения разборчивости сигнала, особенно речи, при сознательном отказе от его точного воспроизведения.

Принцип работы кодера источника. Кодеры источника кардинально меняют подход к сжатию, используя априорную информацию о статистических и психоакустических характеристиках сигнала. Они целенаправленно жертвуют качеством воспроизведения ради значительного сокращения полосы пропускания. Воспроизведенный речевой сигнал после такого кодирования может звучать синтетически, глухо или однотонно, но при этом оставаться вполне понятным для человеческого восприятия. Это делает технологию крайне эффективной для систем с ограниченными ресурсами.

Метод линейного предиктивного кодирования. Наиболее распространенным способом реализации кодера источника является линейное предиктивное кодирование (ЛПК), также известное как линейный кодер с предсказанием. Данные системы широко применяются в электронных схемах воспроизведения речи, например, в сотовой связи и голосовых помощниках. Метод ЛПК анализирует речевой сигнал, выделяя ключевые параметры, такие как частота основного тона и коэффициенты формант, а передает уже эти параметры, а не саму форму волны. Это позволяет радикально снизить битрейт по сравнению с классической ИКМ.

Сравнительный анализ методов кодирования. Таким образом, выбор метода кодирования представляет собой компромисс между точностью воспроизведения, требуемой полосой пропускания и сложностью реализации. Традиционная ИКМ с A-законом или μ-законом обеспечивает высокое качество для телефонных сетей. Дельта-модуляция проще в реализации, но страдает от шумов. Кодеры источника, такие как линейное предиктивное кодирование, минимизируют битрейт для разборчивой речи, находя применение в современных системах цифровой связи, где полоса частот является лимитирующим ресурсом.

Сведения об авторах и источниках:

Авторы: Бигелоу С.Д., Карр Д.Д., Виндер С..

Источник: Энциклопедия телефонной электроники.

Данные публикации будут полезны студентам и специалистам в области телекоммуникаций и сетевых технологий, инженерам, изучающим принципы передачи данных, а также всем, кто интересуется историей и эволюцией модемной связи и базовыми сетевыми протоколами.