Материал: 636_Nosov_V.I._Seti_radiodostupa_CH.1_

изменения и несет информацию о знаке сигнала. Определитель сегмента С (XYZ) может быть определен как 7 минус число ведущих нулей, а определитель шага квантования К (ABCD) получается как четыре разряда, непосредственно следующие за ведущей единицей, за исключением случая, когда С = 0, когда К заключается в четырех разрядах, следующих за семью ведущими нулями. Всеми остальными разрядами 12–ти разрядной кодовой комбинации следующими за разрядами ABCD ( от E до I ) просто пренебрегают ввиду их малости.

В процессе нелинейного декодирования, т.е. формирования АИМ отсчета по структуре кодовой комбинации (PXYZABCD) определяются знак отсчета и номер сегмента, после чего суммируются все эталонные напряжения с учетом того, что к этой сумме с целью уменьшения ошибки квантования, т.е. для получения КВ < i / 2, добавляется напряжение равное половине шага

квантования в данном сегменте

2.2 Адаптивная дифференциальная импульснокодовая модуляция

Для оцифровки речи в аппаратуре радиодоступа помимо рассмотренной выше импульсно-кодовой модуляции используется и адаптивная дифференциальная импульсно-кодовая модуляция АДИКМ (ADPCM – adaptive differential pulse code modulation). Этот вид импульсно-кодовой модуляции был стандартизован ITU-T и используется во многих приложениях, включая цифровые сети с коммутацией каналов, такие как ISDN, и при реализации многих беспроводных абонентских линий связи.

2.2.1 Дифференциальное квантование

Дифференциальное квантование основано на принципе, согласно которому речевые сигналы незначительно изменяются от выборки к выборке. При обычной импульсно-кодовой модуляции квантованные значения смежных выборок будут в общем случае, близки друг к другу,

61

поэтому передаваемые модулированные значения будут содержать много избыточной информации.

Следовательно, имеет смысл передавать только значение разности двух смежных выборок, а не их абсолютные значения, тогда для передачи одной выборки потребуется меньшее число битов. Если значение k-й выборки равно m(k), то передается лишь разница d(k) = m(k) - m(k - 1). Тогда если приемник будет располагать точным начальным значением, то по последовательности разностей d(k) будет восстановлена последовательность абсолютных значений выборок m(k).

В то же время, если передавать только значения разностей между текущими и непосредственно предшествующими им выборками (для чего потребуется меньшее число битов), существует опасность постепенного нарастания отклонения выходных данных приемника от истинных значений. Если значение разности двух выборок превысит значение, которое можно представить с помощью передаваемых битов, приемник не сможет правильно воспроизвести входные данные и не сможет впоследствии исправить ошибку.

Для решения этой проблемы передатчик должен не только передавать значения разностей, но также дублировать декодирующую функцию, которая будет использоваться приемником. Тогда кодер будет выдавать разность между текущей выборкой и той выборкой, которая, по сведениям кодера, получена на приемнике при предыдущей передаче. В результате кодер будет инструктировать декодер, как вносить изменения в уже полученные выходные данные и таким образом ав томатически производить коррекцию.

2.2.2 Дифференциальная импульсно-кодовая модуляция

Описанная выше схема основана на предположении о том, что значения разностей будут меньшими, чем абсолютные значения выборок. Еще большую выгоду можно извлечь, если предположить, что голосовые сигналы изменяются относительно медленно, поэтому можно довольно точно оценить или предсказать значение k-й выборки m(k) на основе значений предыдущих выборок.

Для оценки k-й выборки, m'(k), нужно будет передать разность d(k) = m(k) - m'(k). Если использовать достаточно точную оценочную функцию, то эта разность будет меньше разности значений двух последовательных выборок. На приемнике, где используется та же оценочная функция, входящее значение разности будет добавлено к оценке предыдущей выборки и таким образом будет оценена текущая выборка. Этот принцип положен в основу дифференциальной импульсно-кодовой модуляции (DPCM). Отметим, что простая разностная схема, описанная в предыдущем параграфе, является всего лишь частным случаем DPCM, в котором для оценки выбрана функция m(k) = m(k - 1).

62

На рис. 2.16, а представлена структурная схема кодера. Чтобы понять, что представляет собой эта схема, рассмотрим подробно все ее составляющие. На вход кодера подается голосовой сигнал g(t). Сначала из сигнала извлекается аналоговая выборка m(k), представляющая собой выборку амплитудно-импульсной модуляции (РАМ). Уже на этом этапе начинаются трудности. Казалось бы, ничто не мешает построить оценочное значение m(k), найти разность и передать значение этой разности. Однако принимающая сторона вместо предыдущих аналоговых выборок m(k - 1), m(k - 2) и т.д., которые находились на передающей стороне, будет располагать последовательностью квантованных разностей, на основе которых можно воссоздать только квантованную выборку тq(k).

Поэтому, на приемной стороне воссоздать m'(k) не удастся, а можно будет, основываясь на значениях предыдущих квантованных выборок mq(k - 1), mq(k - 2) и т.д., определить только m'q(k), оценку квантованной выборки mq(k). Если передающая сторона будет основывать предсказания на значениях m(k), а приемная - на значениях mq(k), то выборка на приемнике будет восстановлена неправильно. Передающая сторона должна, как и приемная, определять значения mq(k) и передавать разность d(k) = m(k) - m'q(k). Тогда приемник на основе полученных разностей d(k) сможет правильно восстановить выборку mq(k).

а) Кодер DPCM

б) Декодер DPCM

Рисунок 2.16 Кодер а) и декодер б) дифференциальной ИКМ

63

Осталось только показать, что схема, изображенная на рис. 2.16, а, воспроизводит нужные значения квантованных разностей. На выходе предсказателя определяется значение m'q(k), которое является предсказанным значением m(k). Затем берется разность

Далее, полученная разность квантуется, чтобы получить значение квантованной разности dq(k), которое можно представить следующим образом:

где e(k),представляет собой ошибку квантования, получающуюся вследствие аппроксимации аналоговой величины d(k) цифровой величиной dq(k). Таким образом, входные данные предсказателя состоят из квантованных разностей и выходных данных предыдущего предсказания

mq(k)= m'q(k)+dq(k) =[m(k)-d(k)] + [d(k) + q(k)] = m(k) + q(k). (2.24)

Видно, что mq(k) является квантованным аналогом m(k). Таким образом, как и было задумано, на вход предсказателя подаются значения mq(k), необходимые для работы приемника. Структурная схема декодера представлена на рис. 2.16, б. Часть декодера, которая заключена в пунктирную рамку, ничем не отличается от заключенного в пунктирную рамку участка кодера. На вход этих участков подается одно и тоже значение dq(k), следовательно, на выходе получаются одинаковые значения mq(k). Затем в декодере выходные данные этого участка пропускаются через сглаживающий фильтр нижних частот, вследствие чего получается аналоговый сигнал q'(t), являющийся приближением исходного аналогового сигнала q(t).

Как правило, предсказатель (рис. 2.17) – это реализованная с использованием задержек, равных интервалу выборки, линейная взвешенная сумма предыдущих выборок

Коэффициенты предсказателя Ai определяются из статистических свойств выборок.

2.2.3 Адаптивная дифференциальная ИКМ

64

Производительность схемы DPCM можно повысить, если использовать адаптивные методы предсказания и квантования, которые позволят предсказателю и устройству квантования адаптироваться к изменяющимся характеристикам кодируемой речи.

m' q (k)

Рисунок 2.17 Схема линейного предсказателя

В этом разделе описывается схема ADPCM, стандартизованная ITU-T в Рекомендации G.726, которая используется в системах DECT и во многих абонентских линиях связи.

На рис. 2.18 а и б показаны структурные схемы кодера и декодера адаптивной дифференциальной ИКМ. Кодер преобразует поток оцифрованной речи со скоростью 64 Кбит/с в сжатый поток со скоростью 32 Кбит/с. Общая структурная схема кодера и декодера ADPCM аналогична схеме, приведенной для модуляции DPCM. В последнем случае адаптивный предсказатель использует не только значения своих предыдущих выходных данных, но и значения предыдущих квантованных разностей. В предсказателе и в устройстве квантования параметры алгоритмов регулируются динамически, в зависимости от статистических свойств предыдущих выборок. Как и при использовании схемы DPCM, ядро

преобразователя — АЦП) в качестве входных данных принимает значение разности d(k) между модулированным сигналом s(k) и оценкой этого сигнала se(k), а на выходе выдает 4-битовый модулированный сигнал ADPCM I(k). Соответствующее отображение значений приведено в первых двух столбцах табл. 2.2. До квантования разность d(k) представляется в виде логарифма по основанию 2, затем она масштабируется на величину у(к) — множитель адаптации, основанный на скорости изменения сигнала от

65