כיצד שינוי דלתא מגביר את אות הדיבור

צורת דלתא (DM) היא טכניקה בסיסית בעיבוד אותות דיגיטליים המספקת שיטה מנומנמת עבור אותות דיבור אנלוגיים אנתרופולוגיה בפורמט דיגיטלי.על ידי התמקדות בשינויים בין דגימות רצופים ולא ערכים מוחלטים, דלה מודציה משיגה יעילות משמעותית בשימוש רוחב פס ופשטות מעגלים.זה הופך אותו אטרקטיבי במיוחד עבור מערכות תקשורת שבו מגבלות כוח, עלות וחומרה הן שיקולים ראשוניים - כגון בשתי רשתות רדיו מוקדמות, ויזואליות ורשתות אלחוטיות.

בעוד שמודולציה קוד הדופק (PCM) נותרה תקן הדומיננטי עבור שידור דיבור באיכות גבוהה, דלה מודולו מציעה אלטרנטיבה משכנעת בתרחישים שבהם יש למזער את קצב ביט.יכולתו לספק דיבור בלתי-מעורר בשיעורי נתונים נמוכים שמרה על זה רלוונטי ביישומים נישה, ועקרונות היסוד שלה ממשיכים להשפיע על תוכניות מתקדמות להתאמה ושונות.

הבנה של Delta Modulation

(א) ,הופנה (ה) היא רק על פי ההנחה הפשוטה: במקום לכמת כל דגימה של אות הדיבור באופן עצמאי, היא מקודמת רק את ה-FLT:0differenceFLT:1 (או דלה) בין המדגם הנוכחי לבין ערך צפוי.

קוונטיזציה חד-ביטה זו הופכת את דלה מודולציה פשוטה מאוד ליישום. המקלט מכיל אינגרה זהה כי בונה את גל המדרגות מן bitstream המתקבל. מסנן נמוך-pass ואז חלק את גרם המדרגות בחזרה לתוך אות מתמשך, לשחזר את הנאום המקורי עם רעש קוונטי.

מערכת שינוי דלתא

  • (ב) ⁇ :0) ,UFLT:1 Acts as a 1-bit קוונטית, השוואת אות קלט עם האות המשוחזר המקומי.
  • (FLT:0) Integrator (מטען): אנדרל 1 בונה את תוספת המדרגות על ידי סיכום השלבים (+ ⁇ או - ⁇ ) לאורך זמן.ניתן ליישם כמגרש במעגלים אנלוגיים או רישום בעיצובים דיגיטליים.
  • [01:0] שעון דגימה: 1FLT:1 Determines את השיעור שבו השוואות ועדכונים צעד מתרחשים.
  • (ב) ⁇ :0 (המסנן) ⁇ (קבלן): SmoothFLT:1 Smooths the גרם מדרגות לגלום כדי לשחזר את אות הדיבור האנלוגי, להגביר רעש קוונטי גבוה.

מכיוון שהאינטגרטור הוא למעשה צום הזמנה ראשונה, דלה מודולציה היא מקרה מיוחד של קוד הדופק שונה (DPCM) עם 1 סיביות קוונטין וגודל קבוע של צעד.

כיצד פועל דלתא בפרקטיקה

(ב) כדי להמחיש את פעולתו של ביטוי דיבור משתנה לאט לאט, כגון צליל נדרל מתמשך, בכל רגע נתון, המערכת משווה את הפרשת בפועל לפלט של ה-Integrator.If the קלט הוא גבוה יותר, ה-FLT:01FLT:1, ואת ה- integrator מגביר את התפוקה שלו על ידי צעד קבוע אחד ( ⁇ )

(ב) אם ה' י' (ב) ויקרא י"ד): "וַיֹּאמַרְתָּבְתָּבְתָּבְהִיתִיתִיתִיתִיתִיתִי" (בראשית כ"ד)

  • [ב] [ה]] [ה]]: [ה] [ה]] [ה'] [ה']'[ה]'[ה]'[ה]'[ה]'[ה']
  • (ב) ויקרא י"א): "ה' (ב) ויקרא י"א: "ב' (ב) , ויקרא י"ד, כ"ד, כ"ד)
  • (ב) ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇

[ה] [ה]]] [ה]] [ה]] [ב]] [ב]]] [ב]]]] [ה']'[ה']'[ה']'[ב]'[ה']'[ה']'[ה']'[ה']'[ה']']''''[ה']']'[ה'[ה']']'[ה'[ה']']'[ה'[ה']'[ה'[ה'[ה'[ה'[ה'[ה']']'[ה'[ה'[ה'[ה'[ה']']']'[ה']']'[ה'[ה']'[ה']']'[ב']']'[ה'[ה']'[ה'[ה']']'[ה']']'[ה']']'[ה'['[ה'[ה'[ה']'[ה']']'['['[']'['['['

דוגמה: Encoding a Simple Sine Wave

דמיינו גל חטא עם amplitude 1 V ותדירות 100 הרץ, המדגם ב 8 kHz עם ⁇ = 0.1 V. במהלך המשטח העולה, bitstream יהיה מורכב בעיקר 1s, עם 0 מזדמן כאשר ה integrator overshoots מעט. על קצה הנפילה, ההפך מתרחש.

היתרונות של שינוי דלתא לנאום

פשטות

צורת דלתא דורשת רק קופרטור, ממריץ (עיגול RC פשוט או accumulator דיגיטלי), ופילטר נמוך-pass.זה עומד בניגוד כוכבים למחשב M, אשר צריך ממיר אנלוגי לדיגיטלי עם פתרון מספר קטן, מעגל מדגם-וחזק, ולעתים קרובות מקביל לוגיקה.

Bandwidth Efficiency ב Low bit

מכיוון שכל מדגם מיוצג על ידי קצת, דלה מודולציה פועלת בקצב קטן שווה לתדירות דגימה. עבור דיבור, דגימה ב 8 kHz מניב זרם נתונים של 8 kbps - נמוך יותר מ-64 kbps המשמש PC סטנדרטי (8 סיביות μ-law או A-law). רוחב פס צר זה יתרון בתדירות גבוהה כמו ערוצי רדיו מוקדם או קישורי לוויין.

ביצועים נמוכים ומציאותיים

מבנה משוב של DM מעדכן את התוספת מיד בכל קצה השעון.אין צורך לחטוף דגימות מרובות או לבצע קידוד מורכב, וכתוצאה מכך עיכוב אלגוריתמי מינימלי.זה קריטי עבור תקשורת קולית דו-כיונית שבו אפילו 10 מ"מ של עיכוב יכול להיות בולט.

חוסר נאמנות לשגיאות bit

ב- PCM, טעות קטנה אחת בסדר גבוה יכולה לגרום לשגיאה גדולה של אמפליטודה (למשל, שינוי 6 dB) בדלטה, כל חלק מייצג רק שינוי צעד קבוע ( ⁇ ) שגיאה אחת קצת משנה את האות המשוחזר על ידי צעד אחד בדיוק, שהוא מזיק פחות באופן חד-משמעי.

המונחים: Basic Delta Modulation

סלייפ Overload Distortion

(ה) הסגירה המשמעותית ביותר מתרחשת כאשר אות הקלט משתנה מהר יותר מאשר האינטגרטור יכול לעקוב אחר כך, מאחר שהמגרש יכול רק להגדיל או להקטין את ה ⁇ בכל שלב, עלייה מהירה יותר (למשל, תחילתו של מאחז ספוגי ספוגים כמו /p / או /b /) תגרום לגרם לגיעת המדרגות לנגבת השגיאה גדלה עד ל"ה"מסלול"ה"ה"ה"ה"ה"ה"ה"ה"ה"ה"ה"ה"ה"ה"ה"ה"ה"ה"ה"ה"ה"ה"ה"ה"ה"ה"ה"ה"ה"ה"ה"ה"ה" (ה"ב"ב"ב"ה"ב"ב"ב"ה"ה"ה"ה"ה"ב"ב"ה"ה"ה"ה"ה"ה"ה"ה"ה"ה"ה"ה"ה"ה"ה"ה"ה"ה"ה"ה"ה"ה"ה"ה"ה"ה"ה"ה"ה"ה"ה"ה"ה"ה"ה"ה

ניו יורק Noise

כאשר אות הקלט הוא כמעט קבוע (למשל, נדרל מתמשך), הממריץ יחלחל סביב הערך האמיתי, ייצור שינוי 1s ו 0s. זה רעש ערוץ, הנקרא רעש גרניט, יש "שלישים" אופייני כי הוא audible כמו רקע שלו במעברים שקטים.

גודל שלב קבוע מול סיגנל דינאמי

אותות דיבור יש טווח דינמי רחב - מפריקאטיבים שקטים מאוד לנדרלים חזקים - ושיעורי סלסול משתנים. ⁇ קבוע לא יכול לייעל במקביל עבור חלקים שקט וקול רם.זה מגביל את התפתחות של הסתגלות דאלציה דלה.

שיפור ביצועים: Delta Modulation (ADM)

שינוי דלתא הסתגלות (ADM) מתגבר על מגבלות קבועות על ידי התאמה דינמי לגודל הצעד ⁇ בהתבסס על תבניות קטנות האחרונות.הרעיון הליבה: אם כמה 1s או 0s עוברים, האות צפוי לחוות מדרון תלול, ואת גודל הצעד צריך להיות מוגברת. versely, שינוי דפוסים bit מציין אות שטוח יחסית, כך את גודל הצעד יכול להיות מופחת למזער רעש.

איך ADM עובד

גודל הצעד נשלט על ידי בלוק לוגי המשגיח על האחרון FLT:0 (NFillo:1 ביטים. אלגוריתם משותף הוא הכלל "1-2-3": אם שלושת הפיסות האחרונות הן 1 או כל 0, להכפיל ⁇ על ידי גורם (למשל 1.5 או 2) אם דפוסים חלופיים (למשל, 10,1), להפחית את ה ⁇ על ידי גורם מקסימלי (למשל, למנוע את גודל מינימלי).

משתנה בהתמדה מדרון דלה מודולציה (CVSD) הוא גרסה פופולרית של ADM בשימוש במערכות קול מאובטחות צבאיות ומסחריות. CVSD מעסיקה מסנן סינבית המעקב אחר המעטפה של אות הדיבור, התאמת גודל הצעד מבוסס על אנרגיית האות הממוצע.זה משיג יחס הרבה יותר טוב לסימון מאשר DM בסיסי, במיוחד עבור דיבור עם טווח דינמי.

היתרונות של ADM

  • מפחית את עיוות המרפיע במהלך טראנסים מהירים (למשל, plosives).
  • מינימונים רעשים גריניטאריים במהלך מעברים שקטים או נמוכים.
  • שומר על זרם שידור חד-ביט, שמירה על רוחב פס נמוך.
  • פשוט יותר ליישום מאשר DPCM או PCM codecs.

ADM משמש באופן נרחב בפרופילי הקול של Bluetooth (למשל, SCO קישורים באמצעות CVSD) ובקודרים קוליים נמוכים-bit-rate עבור מערכות רדיו.

השוואה עם Code Modulation (PCM)

כדי להבין את עמדתה של דלה מודולציה, זה עוזר להשוות אותו עם PCM, את הדיבור הדומיננטי קוונדינג סטנדרטי (G.711).

Parameter PCM (8-bit, 8 kHz) Delta Modulation (basic) Adaptive DM (CVSD)
Bit rate 64 kbps 8–32 kbps 8–32 kbps
Quantization noise Uniform or companded, ~39 dB SQNR Granular + overload (varies) Improved, ~35 dB SQNR typical
Hardware complexity Moderate (ADC + companding) Very low Low to moderate
Delay ~1 ms (sample-based) ~1 sample period ~1 sample period
Robustness to bit errors Poor (high-order bits) Good (single step per error) Good
Speech quality Toll quality (MOS ~4.0) Fair (MOS ~3.0–3.5) Good (MOS ~3.5–3.8)

PCM נשאר תקן הזהב עבור רשתות טלפון ציבוריות, אבל דלה מודולציה וגרסאות הסתגלות שלה מציעים סחר חיובי עבור יישומים שבו רוחב פס הוא בקושי ופשטות חומרה היא רבת ערך.

יישומים במערכות תקשורת מודרניות

מכשירים Wireless ו-Mobile

(א)התאמת דלתא הייתה נפוצה ברדיו טקטיים צבאיים, שם מאובטח, כוח נמוך, תקשורת קול צר פס הוא חיוני.ה-צבא של מוטורולה:0Sine-Wave Delta ModulationFLT:1 (SWDM) סטנדרטי בתנאי דיבור בלתי-מעורר ב-2.4 kbps.

Legacy Telephony and Subscriber Loop Systems

בשנות ה-70 וה-80, נעשה שימוש במודולציה של דלה (DSL) ובמערכות פרטיות חילופי סניפים (PBX) פשטות ה-DM אפשרה שילוב של קודים עם פיזור חשמל מינימלי, שהיה קריטי עבור טלפונים המופעלים על ידי קו.

Voice-over-IP (VoIP) ב- Low-Bandwidth Scenarios

בעוד קודים מודרניים VoIP (למשל, Opus, G.729) מציעים דחיסה מעולה בשיעורי ביט דומים, דלה מודולו עדיין מוצא שימוש בקישורים מאוד מאומנים, כגון רדיו דיגיטלי חובבני (למשל, FreeDV באמצעות קודק2 בשילוב עם עקרונות דמויי DM) ובכמה יישומי קול לווייניים.

קידוד קידוד מערכות

מכיוון שמודולציה דלתא מייצרת זרם פשוט שניתן לנפץ או מוצפן בקלות, היא משמשת לעתים קרובות במסופים קוליים מאובטחים.קצב הנתונים הנמוך מקל הצפנה מבלי לדרוש מנועי הצפנה מהירים, וחוסן ה bit-טרור מבטיח כי דיבור מוצפן נשאר בלתי נשלט אפילו עם שגיאות שידור מזדמן.

עמדות עתידיות וגישות היברידיות

בעוד שמודולציה דלתא טהורה משמשת לעתים רחוקות במוצרי קול חדשים לצרכנים, עקרונותיה נותרו רלוונטיים. מודרני (FLT:0) sigma-delta ModulationFLT:1 (שימוש ברזולוציה גבוהה ADCs) מרחיב את הרעיון על ידי יישום רמות סטנדרטיות בעיצוב רעש ו oversampling כדי להשיג יחס אותות מצוינים לרעש, במשותף, LTF:2adaptive חיזוי בינוני בין DTTICC)

קודים מבוססי למידה מכונות מתעוררים, אבל הם לעתים קרובות פועלים בעלות חישובית גבוהה הרבה יותר. עבור מכשירים אולטרה סגול קצה קצה קצה קצה קצה קצה קצה (למשל, מכשירי שמיעה, לבישים מבוקרים), דלה מודולציה וגרסאות הסתגלות שלה נשאר אטרקטיביות בשל שטח הסיליקון המינימלי שלהם צריכת האנרגיה.

מסקנה

צורת דלתא מספקת שיטה פשוטה אלגנטית להמיר דיבור אנלוגי לתוך bitstream דיגיטלית על ידי ⁇ רק את השינויים בסימן amplitude. המורכבות החומרה הנמוכה שלה, רוחב פס צר, ועוצמה נטויה לשגיאות מעט להפוך אותו מתאים היטב עבור מערכות תקשורת שבו כוח, עלות, ויכולת ערוץ נמצאים בפרמיה.למרות שד בסיסי סובל מעומס יתר ו granular, טכניקות הסתגלות כגון CVSD במידה רבה, עלייה של 8 סיביות.

בעוד PCM נשאר תקן הדומיננטי לקול נאמנות גבוהה, דלה מודולציה חתמה נישה מתמשכת ברדיוים צבאיים, קול Bluetooth, וטלפוניה דיגיטלית מוקדמת. הרעיון הליבה שלה - מעבר רק את ההבדל ולא את כל - חי על תוכניות קידוד מודרני ושונות וממשיך לעורר קוד דיבור מורכב נמוך עבור האינטרנט של הדברים.

(ב) ללמוד עוד על המפרט הטכני של התאמה להתאמה אישית והשימוש בו ב- Bluetooth, מתייחס להמלצות ה-FLT:0 Bluetooth Core SpecificationFLT:1 (להשוואה מפורטת של תקני דיבור, ראה את ההמלצות של ITU-T G-T G-Series, במיוחד ב-FLT:2G.711 (PCM) LT 3 ו-LT4G.