Delta-Modulation mit stufenloser Steigung - Continuously variable slope delta modulation

Die Delta-Modulation mit stufenloser Steigung ( CVSD oder CVSDM ) ist eine Sprachcodierungsmethode . Es handelt sich um eine Delta-Modulation mit variabler Schrittgröße (dh Spezialfall der adaptiven Delta-Modulation ), die erstmals 1970 von Greefkes und Riemens vorgeschlagen wurde.

CVSD codiert mit 1 Bit pro Abtastung, so dass mit 16 kHz abgetastetes Audio mit 16 kbit / s codiert wird.

Der Encoder verwaltet ein Referenzmuster und eine Schrittgröße. Jede Eingangsprobe wird mit der Referenzprobe verglichen. Wenn der Eingangsabtastwert größer ist, gibt der Encoder ein 1- Bit aus und fügt die Schrittgröße zum Referenzabtastwert hinzu. Wenn der Eingangsabtastwert kleiner ist, gibt der Codierer ein 0- Bit aus und subtrahiert die Schrittgröße vom Referenzabtastwert. Der Codierer behält auch die vorherigen N Ausgangsbits bei ( N = 3 oder N = 4 sind sehr häufig), um Anpassungen an der Schrittgröße zu bestimmen; Wenn die vorherigen N Bits alle 1s oder 0s sind, wird die Schrittgröße erhöht. Andernfalls wird die Schrittgröße verringert (normalerweise exponentiell, wobei der Bereich im Bereich von 5 ms liegt). Die Schrittgröße wird für jedes verarbeitete Eingangsprobe angepasst.

Damit Bitfehler ausgeblendet werden und eine (erneute) Synchronisation mit einem laufenden Bitstrom möglich ist, wird das Ausgangsregister (das die Referenzabtastung enthält) normalerweise als undichter Integrator mit einer Zeitkonstante ( ) von etwa 1 ms realisiert.

Der Decodierer kehrt diesen Prozess um, beginnend mit dem Referenzabtastwert, und addiert oder subtrahiert die Schrittgröße gemäß dem Bitstrom. Die Folge der angepassten Referenzabtastwerte ist die rekonstruierte Wellenform, und die Schrittgröße wird gemäß derselben All-1s-or-0s-Logik wie im Encoder eingestellt.

Die Anpassung der Schrittgröße ermöglicht es, eine Überlastung der Steigung zu vermeiden (der Quantisierungsschritt nimmt zu, wenn sich das Signal schnell ändert) und das Granulatrauschen zu verringern, wenn das Signal konstant ist (Abnahme des Quantisierungsschritts).

CVSD wird manchmal als Kompromiss zwischen Einfachheit, niedriger Bitrate und Qualität bezeichnet. Übliche Bitraten sind 9,6–128 kbit / s.

Wie bei anderen Delta-Modulationstechniken stimmt der Ausgang des Decoders nicht genau mit dem ursprünglichen Eingang des Codierers überein .

Anwendungen

12 kbit / s CVSD wird von der SECURENET-Reihe digital verschlüsselter Funkgeräte von Motorola verwendet.

CVSD mit 16 und 32 kbit / s wurden von militärischen digitalen TRI-TAC- Telefonen (DNVT, DSVT) zur Verwendung in Einsatzgebieten verwendet, um Audio in Spracherkennungsqualität bereitzustellen. 16-kbit / s-Raten wurden normalerweise von Streitkräften der US-Armee verwendet, um Bandbreite über taktische Verbindungen zu sparen . 32-kbit / s-Raten wurden typischerweise von Streitkräften der US-Luftwaffe zur Verbesserung der Sprachqualität verwendet.

64 kbit / s CVSD ist eine der Optionen zum Codieren von Sprachsignalen in telefoniebezogenen Bluetooth- Dienstprofilen. zB zwischen Mobiltelefonen und drahtlosen Headsets. Die anderen Optionen sind PCM mit logarithmischer a-Law- oder μ-Law- Quantisierung.

Zahlreiche Arcade-Spiele wie Sinistar und Smash TV sowie Flipperautomaten wie Gorgar oder Space Shuttle spielen aufgezeichnete Sprache über einen CVSD-Decoder HC-55516 ab.

SBS-Anwendung 24 kbit / s Delta-Modulation

Die Delta-Modulation wurde von Satellite Business Systems oder SBS für ihre Sprachanschlüsse verwendet, um großen inländischen Unternehmen mit einem erheblichen Kommunikationsbedarf zwischen Unternehmen (wie IBM) Ferngespräche zu ermöglichen. Dieses System war in den achtziger Jahren in Betrieb. Die Sprachports verwendeten eine digital implementierte 24-kbit / s-Delta-Modulation mit Sprachaktivitätskomprimierung (VAC) und Echounterdrückern , um den halben Sekunden-Echopfad durch den Satelliten zu steuern. Hörtests wurden durchgeführt, um zu verifizieren, dass der 24-kbit / s-Delta-Modulator im Vergleich zu einer hochwertigen Telefonleitung oder dem standardmäßigen 64-kbit / s- μ-Gesetz- PCM eine "volle Sprachqualität" ohne erkennbare Verschlechterung erreichte . Dies führte zu einer 8: 3-Verbesserung der Satellitenkanalkapazität. IBM hat den Satellite Communications Controller und die Voice-Port-Funktionen entwickelt.

Der ursprüngliche Vorschlag von 1974 verwendete einen hochmodernen 24-kbit / s-Delta-Modulator mit einem einzelnen Integrator und einem Shindler-Kompander, der für die Wiederherstellung von Verstärkungsfehlern modifiziert wurde. Dies erwies sich als weniger als die volle Sprachqualität der Telefonleitung. 1977 wurde ein Ingenieur mit zwei Assistenten im Labor von IBM Research Triangle Park , NC, beauftragt, die Qualität zu verbessern.

Die endgültige Implementierung ersetzte den Integrator durch einen Prädiktor, der mit einem zweipoligen Tiefpassfilter mit komplexen Paaren implementiert wurde, um das langfristige durchschnittliche Sprachspektrum zu approximieren. Die Theorie war, dass der Integrator idealerweise ein Prädiktor sein sollte, der auf das Signalspektrum abgestimmt ist. Ein nahezu perfekter Shindler-Compander ersetzte die modifizierte Version. Es wurde festgestellt, dass der modifizierte Kompander bei den meisten Signalpegeln zu einer nicht perfekten Schrittgröße führte und die schnelle Verstärkung des Verstärkungsfehlers das durch tatsächliche Hörtests ermittelte Rauschen im Vergleich zu einfachen Signal-Rausch-Messungen erhöhte. Der endgültige Kompander erzielte aufgrund des durch 12-Bit-Arithmetik verursachten natürlichen Kürzungsrundungsfehlers eine sehr leichte Wiederherstellung des Verstärkungsfehlers.

Die vollständige Funktion der Delta-Modulation, VAC und Echo-Steuerung für 6 Ports wurde in einem einzelnen digitalen Chip für integrierte Schaltkreise mit 12-Bit-Arithmetik implementiert. Alle 6 Ports teilten sich einen einzigen DAC, der Spannungsvergleichsfunktionen für die Modulatoren und die Einspeisung von Abtast- und Halteschaltungen für die Demodulatorausgänge bereitstellte. Eine einzelne Karte enthielt den Chip, den DAC und alle analogen Schaltkreise für die Telefonleitungsschnittstelle einschließlich der Transformatoren.

Siehe auch

Verweise

  • JA Greefkes und K. Riemens, "Codemodulation mit digital gesteuerter Kompandierung für die Sprachübertragung", Philips Tech. Rev., S. 335-353, 1970.
  • NS Jayant, "Digitale Codierung von Sprachwellenformen: PCM-, DPCM- und DM-Quantisierer", Proc. IEEE, vol. 62, nein. 5, S. 61–632, Mai 1974.
  • R. Steele, Delta Modulation Systems , Pentech Press, London, England, 1975.
  • NS Jayant und P. Noll, Digitale Codierung von Wellenformen: Prinzipien und Anwendungen für Sprache und Video , Prentice-Hall, Englewood Cliffs, NJ, 1984.
  • Eine Beschreibung des Algorithmus sowie Sprachproben
  • Spezifikation des Bluetooth System 2.0 + EDR, Kernsystempaket, Teil B "Basisbandspezifikation", Abschnitt 9 "Audio", November 2004