İnternet Protokolü (voip) Sistemlerin Sesi Üzerine Delta Modulation (voip)

Giriş: Modern VoIP'de Enkoding Rolü

İnternet Protokolü (VoIP), geleneksel devre dışı telefon hatları yerine IP ağlarında ses konuşmaları yoluyla iş ve kişisel iletişim haline geldi. herhangi bir VoIP sisteminde temel zorluk analog ses dönüştürmeyi - bu, Deltaulation (DM) arasında verimli bir şekilde seyahat edebilecek bir dijital akış, özellikle de düşük gecikme ve kabul edilebilir bir sadakatle bu akışı yeniden yapılandırmak için gereken bir teknik düzenlemektedir.

Bu makale Delta Modulation'ın ilkelerini, VoIP sistemlerindeki uygulamasını ve ilgili kaldığı senaryoları inceler. Ayrıca, G.711 ve Opus gibi daha geniş kapsamlı kodlarla nasıl karşılaştırıldığını ve DM'yi karşılaştırdığımız senaryoları da araştırıyoruz.

Delta Modulation

Delta Modulation, her örneklemin mutlak amplitüdünü yakalamak yerine, ardışık örnekler arasında, bir VoIP boru hattında davranışını anlamak için analog bir dönüşüm yöntemidir.

Delta Modulation Encodes a Signal

Standart bir pul-kole modülasyon (PCM) sisteminde, her örnek belirli bir amplitüd seviyesine ölçüldü, örnek olarak birden fazla miktar gerektiren. DM, aksine, bir tane-bit ölçümleyicisi).

  1. Encoder'deki yerel bir decoder giriş sinyalinin bir tahminini koruyor.
  2. Encoder, mevcut analog örneği bu tahmine kıyasla karşılaştırır.
  3. Eğer örnek tahminden daha yüksekse, encoder bir ikilisi iletiyor:0)'1'); eğer daha düşükse, bir ) iletmektedir.
  4. Alıcının decoder'i sabit bir adım büyüklüğü (345) ile geri yüklemesi için biraz talimat verir. yeniden yapılandırılan sinyali güncelle.
  5. Encoder'in yerel decoder aynı adım kuralını kullanıyor, encoder ve decoder'in senkronize kalması için.

Sonuç, her bir parçanın bir değişim yönünde temsil ettiği biraz daha fazla, mutlak bir değer değil. Bu, enkoding donanımını çarpıcı şekilde basitleştirir ve gerekli verileri minimum örnek olarak azaltır).

Anahtar Parametreler: Adım Boyutu ve Sampling Rate

İki parametre DM performansına hükmediyor:

Klasik DM'de, bu parametreler sabitlenir, dinamik aralık ve gürültü performansı arasında doğal bir ticaret-off yaratır.

Delta Modulation Bir VoIP Sistemi ile Nasıl Bütünleşir

Tipik bir VoIP çağrısı akışında, bir mikrofondan analog ses, VoIP protokolü (genellikle UDP/IP üzerinden RTP) ve ağın üzerinden aktarılan bir analog-mal dönüştürücü (ADC) geçer.

Çünkü veri oranı ham PCM ile kıyaslanmış - örnek oranına bağlı olarak 16-64 kbps aralığında - paketleme üst düzey gerçek bant genişliğine hükmedebilir. ancak, [[Dönetici:0)c ⁇ karmaşıklığı).

Alınan sonunda DM decoder, orijinal dalgaformunun bir kısmını yeniden inşa etmek için adım / adım kuralını uygular. Düşük geçiş filtresi genellikle merdiven adımlı yeniden yapılandırma ve ölçüm gürültüyü azaltmak için uygulanır.

Adaptif bir Pulse-Komünasyona Yeniden Bakış (ADPCM)

DM'nin, diferansiyel PCM (DPCM) olarak adlandırılan daha geniş bir ailenin alt kümesi olduğunu belirtmek önemlidir. DM, sabit bir adım boyutunu ve bir hesap ölçümünü kullanırken, OLFLT:0)Adaptive DP (ADPC)) çok fazla sayıda ölçümlü ölçümler kullanır ve G.726 gibi adım boyutunu uygular.

Delta Modulation'ın Avantajları

Limitlerine rağmen, DM, niş VoIP uygulamaları ile ilgili tutmak için belirli avantajlar sunar.

Aşırı derecede Low C ⁇ Kompleksi

DM encoding ve decoding sadece bir kocumulator (integrator) ve bazı temel mantık gerektirir. nüks işlemleri, göz ardı edilemez işlemler ve hiçbir çerçeve tabanlı işlem gerekli değildir.

Düşük ve Tahmin edilebilir Latency

DM bir örnek dönemi olarak düşük olabilir. Modern kodlar genellikle 5-20 ms gecikmeyi sağlayan göz ardı edilebilir.Dönetici gecikmeler, hangi iki yönlü iletişimde değerli olabilir.

Minimal Band geniş Gereksinimler

Bir DM akışı doğal olarak bir miktar örnek olarak kullanır. 16 kHz örnek oranı - dar bant konuşması için eşdeğer - ham bit oranı 16 kbps. Karşılaştırma için, G.711 PCM 8 kHz 64 kbps kullanır.

Uygulamanın Basitliği

Encoder ve decoder, yazılım geliştirme ve test çabasını azaltır. Tüm kodc C kodu birkaç on satırda yazılabilir, patent veya lisans ücretlerine gerek yoktur. Bu basitlik açık kaynak projeleri, akademik deneyler ve özel donanım tasarımları için caziptir.

Delta Modulation and Challenges of Delta Modulation

DM çekici kılan aynı basitlik, genellikle genel amaçlı VoIP için uygun olmayan ses kalitesi üzerinde zor sınırları da yükler.

Sayılama Gürültü ve Signal-to-Noise Oran (SNR)

Bir hesaplı ölçüm, giriş sinyali ile ilişkili olan ölçüm gürültüsünü doğal olarak tanıtmaktadır. Çünkü adım büyüklüğü sabit, gürültü seviyesi sinyal amplitüdüne adapte değildir.Bu sonuçlar aİLFLT:0)poor dinamik aralık). ve çok az sayıda PCM'nin karşılaştırılabilir derecede düşük olduğu bir SNR'nin, bu, sabit bir arka plan vızılış olarak ortaya çıkabilir.

Slope Overload Distortion

Giriş sinyali encoder'den daha hızlı değiştiğinde, sabit bir adım artışları takip edebilir - örneğin plosive consonants (p, b, t, k), hızlı ünlü formant geçişler veya yüksek konuşma - encoder geride kalır ve düzleştirilmiş, çarpık bir temsil eder.

Sessiz Signals'te Granular Gürültü

Tersine, sinyal yakın zamanda çok yavaş yavaş değiştiğinde, sabit adım büyüklüğü gerçek değeri etrafında yeniden yapılandırılan sinyale neden olur, DÖRT:0)granular gürültü). Bu, bir hesaplama sistemindeki boşluğa benzemektedir, ancak adım boyutunu dinamik olarak değiştiremez.

Sınırlı Frekans Yanıtı

Yüksek frekanslı içerikli eğimden kaçınmak için, ya da adım büyüklüğü artırılmalıdır (görüntü gürültüyü artırmak) veya örnekleme oranı yükseltilmelidir (bazı miktar hız için, DM genellikle PCM veya ADPCM'den daha düşük etkili bir ses bant genişliği sağlar. Wideband konuşması (50 Hz to 7 kHz) pratik verilerde temel DM ile elde etmek zordur.

Standartlaştırma ve Interoperability

G.711, G.726 veya Opus'un aksine, tam parametre özelliklerini paylaşmadıkça evrensel olarak standart kabul edilemez.Uygulamalar farklı bir adım büyüklüğü, örnekleme oranı ve yeniden yapılandırma filtre tasarımı. Bu, geçici olmayan sorunlar yaratır: iki farklı DM tabanlı cihaz birbirlerinin tam parametre özelliklerini paylaşmadıkça doğru bir şekilde kodlayamaz.

Adaptif Delta Modulation (ADM) ve Hybrid Approaches

Sabit adım DM'nin temel sınırlamalarını ele almak için, araştırmacılar geliştirilmiştir.Adaptive Delta Modulation (ADM)). ADM'de, adım büyüklüğü sabit değildir; son derece ayarlanan bitme şekline göre ayarlanır.

Adaptive Step Boyut Prensibi

En yaygın ADM algoritması basit bir kural takip eder: Son birkaç bit aynıysa (encoder'in mümkün olduğunca hızlı tırmanmaya çalıştığını gösterir), adım büyüklüğü artırılır.Eğer işaretin düz olduğunu gösterirse, adım büyüklüğü azalır.

ADM, sabit DM'den önemli ölçüde daha iyi dinamik bir aralık ve SNR elde eder, düşük karmaşıklık avantajını korurken, adım büyüklüğü adaptasyon algoritması sadece bir avuç mantık kapısı veya birkaç kod hattı ekler. ADM varyantları askeri iletişim, erken dijital telefon sistemlerinde ve bazı özel VoIP çözümlerinde kullanılmıştır.

Sürekli olarak Değişken Slope Delta Modulation (CVSD)

İyi bilinen ADM varyantı şu şekildedir:0)DÜSTR:2U.S. askerinin Güvenli Telefon Birimi (CVSD))[Felbik ses profilleriyle eşleme ve bazı sayfalara (SCO bağlantıları) CVSD, makul dar bant konuşma kalitesi için kullanılır (8 kHz, 32-64 kbps hız ve yüksek çözünürlükte yüksek çözünürlükte yüksek çözünürlükte yüksek çözünürlükte kullanılır.

VoIP ve Ses İletişiminde Delta Modulation

DM ve ADM, ana akım VoIP platformları için varsayılan seçim değildir (Opus, G.729 veya G.722), özelliklerini sistem kısıtlamaları ile uyumlu olduğu belirli alanlarda devam ederler.

Gömülü ve IoT Voice Systems

Akıllı hoparlörlerde kullanılan düşük maliyetli mikro kontroller, interkomlar ve bağlantılı cihazlar genellikle Opus. DM veya ADM gibi yazılım kodcular için hafıza ve saat döngülerinin eksikliğini azaltır ve RAM'ın birkaç yüz katı ile 8bit mikro kontrolleri ile çalışır ve düşük bir miktar oranında verir.

Askeri ve Taktik İletişim

Askeri ses sistemleri sağlamlığa, düşük bant genişliğine ve donanıma değer verir. CVSD on yıllardır dar bant güvenli ses sistemlerinde temel bir yer olmuştur. codec'i analog veya basit dijital mantıkla radyasyona dayanıklı bileşenler üzerinde uygulamak için esneklik.

Kaynakla Zamanlı Sesler

VoIP endpoint, minimum mantık kullanımı ile FPGA üzerinde uygulanmalıdır veya ana işlemcinin video kodlama veya ağ işleme ile zaten doyduğunda, DM'nin düşük kaynak ayak izi, sesin "uyumlu ağ tasarımlarında veya multi-radio terminallerinde meydana gelmesine izin verebilir.

Eğitim ve Araştırma Platformu

Delta Modulation, temel ayrı bileşenlerden veya bir yazılım tanımlı radyo platformu içinde, daha gelişmiş diferansiyel kodlamayı anlamak için temel bir temel sağlar ve modern ses kodcularda kullanılan tahmin edilebilir ölçümler sağlar.

Common VoIP Kodcs ile Karşılaştırma

DM'nin rolünün bağlamına göre, onu yaygın olarak kullanılan üç VoIP koduyla karşılaştırmaya yardımcı olur.

G.711 (PCM)

G.711 örnek olarak 8 kHz'de 8 bit değerinde ses, 64 kbps'ye sahip olmak, bazı uygulamalar için kabul edilebilir kalitede (MOS etrafında 4.1) yüksek dar bant kalitesi sunar. DM G.711'nin herhangi bir orantasına uymaz, ancak DM daha düşük fiyatlarda çalışabilir (örneğin, 16-32 kbps).

G.726 (ADPCM)

G.726, 16, 24, 32 ve 40 kbps'nin aynı oranda DM'den daha iyi kalitede olmasını destekler. Bu hala nispeten basit (modern DSP'de birkaç yüz MIPS). G.726, büyük ölçüde düşük karmaşıklıkların gerekli olduğu uygulamalarda DM'yi değiştirir, ancak daha iyi kalitede istenen.

Opus

Opus şu anki durumu VoIP için mevcut olan, geniş bantlı ses (48 kHz’ye kadar) 6 ila 510 kbps arasında biraz oranlara sahip. Tüm fiyatlarda mükemmel bir kalite elde eder, ancak önemli hesaplama kaynakları gerektirir (tipik olarak 50-200 MIPS) ve daha basit bir kod ayak izi için. DM, Opus'nun kalitesi veya esnekliğine veya esnekliğine yaklaşamaz.

Özet olarak, DM basitliği için kalitedir. Genel amaçlı VoIP'de modern kodculara rakip değildir, ancak basit ve kaynak kısıtlamaları tasarım kriterlerine hakim olduğunda uygulanabilir bir seçim kalır.

Sonuç: Klasik Tekniklerin Niche Değeri

Delta Modulation, analog sesi ağ iletimi için dijital bir miktar akışı dönüştürmeye yönelik en erken ve en basit yaklaşımlardan birini temsil eder. temel güçlü yönleri -düşük karmaşıklığı, en az geç kalmışlık ve çok düşük bir miktar oranı - sinyal-noise performansı, dinamik aralık ve frekans yanıtı ile karşı dengelidir.

Modern VoIP sistemlerinde, DM büyük ölçüde G.711, G.726 ve Opus gibi daha yüksek ses kalitesi sağlayan, ancak eğitim bağlamları için, ultra-düşük-güçlü cihazlar için, her bir gecikmenin ikinci ve her bir kod meselesinin (özellikle de) DM ve en uygun şekilde erişilebilir olmayan veya sadece biraz daha yüksek hesaplama maliyetine sahip olan uygulamalar için.

Delta Modulation, temel ticaret-dönüşümleri ile ses kodlamanın önemli bir anlayışı sunar. Bu, sinyal kalitesi, bant genişliği ve hesaplama gerçekliği arasındaki uzun vadeli gerilime yol açan mühendislere ışık verir.

Daha derin keşifle ilgilenenler için, orijinal 1952 kağıt:0)Delta Modulation) ve telefona başvuru birçok sinyal işleme derslerinde belgelenmiştir ve ADPCM standart).