Кодирование формы сигнала

Импульсно-кодовая модуляция, по сути, и представляет собой схему кодирования формы сигнала. Однако нас интересуют более сложные алгоритмы, позволяющие снизить требования к полосе пропускания.

Рассматриваемые методы кодирования формы сигнала используют то обстоятельство, что между случайными значениями нескольких следующих подряд отсчетов существует некоторая зависимость. Проще говоря, значения соседних отсчетов обычно мало отличаются одно от другого. Это позволяет с довольно высокой точностью предсказать значение любого отсчета на основе значений нескольких предшествовавших ему отсчетов.

При построении алгоритмов кодирования названная закономерность используется двумя способами. Во-первых, есть возможность изменять параметры квантования в зависимости от характера сигнала. В этом случае шаг квантования может изменяться, что позволяет до некоторой степени сгладить противоречие между уменьшением числа битов, необходимых для кодирования величины отсчета при увеличении шага квантования, и сужением динамического диапазона кодера, неизбежным без адаптации (о которой речь пойдет ниже). Некоторые алгоритмы предусматривают изменение параметров квантования приблизительно в рамках произносимых слогов, а некоторые изменяют шаг квантования на основе анализа статистических данных об амплитуде сигнала, полученных за относительно короткий промежуток времени.

Во-вторых, существует подход, называемый дифференциальным кодированием или линейным предсказанием. Вместо того, чтобы кодировать входной сигнал непосредственно, кодируют разность между входным сигналом и «предсказанной» величиной, вычисленной на основе нескольких предыдущих значений сигнала.

Если отсчеты входного сигнала обозначить как y(i), то предсказанное значение в момент времени i представляет собой линейную комбинацию нескольких р предыдущих отсчетов:

y(i)=a,y(i-1)+a;,y(i-2)+...+apy(i-p) где множители а, называются коэффициентами предсказания.

Разность e(i)=y(i)-y(i) имеет меньший динамический диапазон и может кодироваться меньшим числом битов, что позволяет снизить требования к полосе пропускания.

Описанный метод называется линейным предсказанием, так как он использует только линейные функции предыдущих отсчетов. Коэффициенты предсказания выбираются так, чтобы минимизировать среднеквадратическое значение ошибки предсказания e(i), при этом значения коэффициентов изменяются, в среднем, каждые 10-25 мс.

Простейшей (и представляющей сегодня, скорее, исторический интерес) реализацией последнего подхода является так называемая дельта-модуляция (ДМ), алгоритм которой предусматривает кодирование разности между соседними отсчетами сигнала только одним информационным битом, обеспечивая передачу, по сути, только знака разности.

Наиболее совершенным алгоритмом, построенным на описанных выше принципах, является алгоритм адаптивной дифференциальной импульсно-кодовой модуляции (АДИКМ), предложенный ITU-T в рекомендации G.726. Алгоритм предусматривает формирование сигнала ошибки предсказания и его последующее адаптивное квантование. Существует версия этого алгоритма, в которой информационные биты выходного цифрового потока организованы по иерархической схеме, что позволяет отбрасывать наименее значимую информацию, не уведомляя об этом кодер, и получать поток меньшей скорости за счет некоторого ухудшения качества. Документ G.726 специфицирует кодирование при скоростях 40, 32, 24 и 16 Кбит/с, что соответствует передаче 5, 4, 3 или 2 битов на отсчет. Качество речи, передаваемой с использованием АДИКМ G.726 при скорости 32 Кбит/с соответствует качеству речи, обеспечиваемому алгоритмом кодирования G.711.

При достаточно хороших характеристиках алгоритма, АДИКМ практически не применяется для передачи речи по сетям с коммутацией пакетов, так как этот алгоритм очень чувствителен к потерям целых блоков отсчетов, происходящим при потерях пакетов в сети. В таких случаях нарушается синхронизация кодера и декодера, что приводит к катастрофическому ухудшению качества воспроизведения речи даже при малой вероятности потерь.