Үздіріліссіз өзгермелі беткей дельта модуляциясы (CVSD)

Кіріспе

Үздіксіз өзгермелі еңіс дельта модуляциясы (CVSD немесе CVSDM) – дауыс кодтау әдісі. Бұл өзгермелі қадамдық өлшемге ие дельта модуляциясы (яғни, адаптивті дельта модуляциясының ерекше жағдайы), алғаш рет 1970 жылы Грифкес және Рименс ұсынған. CVSD әрбір үлгіге 1 битпен кодтайды, сондықтан 16 кГц жиілігімен үлгіленген аудио 16 кбит/с жылдамдықпен кодталады. Кодтаушы эталондық үлгіні және қадамдық өлшемді сақтайды. Әрбір кіріс үлгісі эталондық үлгімен салыстырылады. Егер кіріс үлгісі үлкен болса, кодтаушы 1 бит шығарып, қадамдық өлшемді эталондық үлгіге қосады. Егер кіріс үлгісі кішірек болса, кодтаушы 0 бит шығарып, қадамдық өлшемді эталондық үлгіден азайтады. Кодтаушы сонымен қатар қадамдық өлшемге түзетулер енгізу үшін алдыңғы N битті (N = 3 немесе N = 4 жиі қолданылады) сақтайды; егер алдыңғы N биттің барлығы 1 немесе 0 болса, қадамдық өлшем ұлғаяды. Әйтпесе, қадамдық өлшем азаяды (әдетте экспоненциалды түрде, шамамен 5 мс диапазонында). Қадамдық өлшем әрбір өңделген кіріс үлгісі үшін реттеледі. Биттік қателердің өшіп кетуіне және ағымдағы биттік ағынмен (қайта) синхрондануға мүмкіндік беру үшін шығыс тіркегіші (эталондық үлгіні сақтайтын) әдетте 1 мс уақыт тұрақтылығы бар соқпалы интегратор ретінде жүзеге асырылады. Декодер осы процесті кері қайтарады, бастапқы эталондық үлгіден бастап, биттік ағынға сәйкес қадамдық өлшемді қосады немесе азайтады. Түзетілген эталондық үлгілер тізбегі – қайта құрылған толқын пішіні, ал қадамдық өлшем кодтаушыдағыдай, барлық 1 немесе 0 логикасына сәйкес реттеледі. Қадамдық өлшемді бейімдеу еңіс жүктемесін болдырмауға (сигнал тез өзгеретін кезде кванттау қадамының ұлғаюы) және сигнал тұрақты болғанда түйіршікті шуды азайтуға мүмкіндік береді (кванттау қадамының төмендеуі). CVSD кейде қарапайымдық, төмен биттік жылдамдық және сапа арасындағы шартты келісім деп аталады. Көбінесе қолданылатын биттік жылдамдықтар – 9,6–128 кбит/с. Басқа дельта модуляция техникалары сияқты, декодердің шығысы кодтаушының бастапқы кірісімен толық сәйкес келмейді.

Continuously variable slope delta modulation (CVSD or CVSDM) is a voice coding method. It is a delta modulation with variable step size (i. e., special case of adaptive delta modulation), first proposed by Greefkes and Riemens in 1970. CVSD encodes at 1 bit per sample, so that audio sampled at 16 kHz is encoded at 16 kbit/s. The encoder maintains a reference sample and a step size. Each input sample is compared to the reference sample. If the input sample is larger, the encoder emits a 1 bit and adds the step size to the reference sample. If the input sample is smaller, the encoder emits a 0 bit and subtracts the step size from the reference sample. The encoder also keeps the previous N bits of output (N = 3 or N = 4 are very common) to determine adjustments to the step size; if the previous N bits are all 1s or 0s, the step size is increased. Otherwise, the step size is decreased (usually in an exponential manner, with being in the range of 5 ms). The step size is adjusted for every input sample processed. To allow for bit errors to fade out and to allow (re)synchronization to an ongoing bitstream, the output register (which keeps the reference sample) is normally realized as a leaky integrator with a time constant of about 1 ms. The decoder reverses this process, starting with the reference sample, and adding or subtracting the step size according to the bit stream. The sequence of adjusted reference samples are the reconstructed waveform, and the step size is adjusted according to the same all 1s or 0s logic as in the encoder. Adaptation of step size allows one to avoid slope overload (step of quantization increases when the signal rapidly changes) and decreases granular noise when the signal is constant (decrease of step of quantisation). CVSD is sometimes called a compromise between simplicity, low bitrate, and quality. Common bitrates are 9.6–128 kbit/s. Like other delta modulation techniques, the output of the decoder does not exactly match the original input to the encoder.

Қолданбалар

12 кбит/с CVSD Motorola компаниясының SECURENET желісіндегі цифрлық шифрланған екі тараптан байланыс құралатын радио өнімдерінде қолданылады. 16 және 32 кбит/с CVSD әскери TRI TAC цифрлық телефондарында (DNVT, DSVT) дауыс тану деңгейіндегі дыбыс сапасын қамтамасыз ету үшін, орналасқан аймақтарда пайдаланылды. АҚШ армиясы 16 кбит/с жылдамдығын тактикалық байланыстарда өткізу қабілетін үнемдеу үшін жиі қолданды. АҚШ Әуе күштері 32 кбит/с жылдамдығын дауыс сапасын жақсарту үшін жиі қолданды. 64 кбит/с CVSD – телефондық байланысқа қатысты Bluetooth қызметтік профильдерінде дауыс сигналдарын кодтаудың бірнеше мүмкіндіктерінің бірі; мысалы, ұялы телефондар мен сымсыз гарнитуралар арасында. Басқа мүмкіндіктер – логарифмдік a-заңы немесе μ-заңы кванттаулы PCM, сондай-ақ 16 кГц үлгілеу жиілігімен және ең жақсы сапасы бар mSBC кодегі. Sinistar және Smash TV сияқты көптеген аркада ойындары, сондай-ақ Gorgar немесе Space Shuttle сияқты ойын автоматтары HC 55516 CVSD декодері арқылы алдын ала жазылған сөйлеуді ойнатады.

SBS қолдану 24 кбит/с дельта модуляциясы

Дельта модуляциясы Satellite Business Systems немесе SBS компаниясы өз дауыстық порттары арқылы ірі отандық корпорацияларға (мысалы, IBM) корпорацияаралық байланыс қажеттілігі жоғары болған жағдайда, қашықтықтан телефон қызметін көрсету үшін қолданылды. Бұл жүйе 1980-жылдар бойы қолданыста болды. Дауыс порттары спутник арқылы жарты секундтық эхо жолын басқару үшін дауыс белсенділігін қысу (VAC) және эхо жойғыштармен бірге 24 кбит/с дельта модуляциясын цифрлық түрде іске асырды. 24 кбит/с дельта модулятордың жоғары сапалы телефон желісімен немесе стандартты 64 кбит/с μ заңмен компрессияланған PCM-мен салыстырғанда "толық дауыс сапасына" жеткенін растау үшін тыңдау сынақтары жүргізілді. Бұл спутниктік каналдың сыйымдылығын 8:3 есеге арттырды. IBM спутниктік байланыс контроллерін және дауыс порттарының функцияларын әзірледі. 1974 жылғы бастапқы ұсыныста бір интегратор және Shindler компандері бар 24 кбит/с дельта модулятор қолданылды. Бұл телефон желісінің толыққанды сапасынан төмен екені анықталды. 1977 жылы IBM Research Triangle Park, NC зертханасында екі көмекшісімен бір инженерге сапаны жақсарту міндеті тапсырылды. Соңғы нұсқада интегратор екі полюсті кешенді жұп төмен өткізгіш сүзгісімен іске асырылған болжаушымен ауыстырылды, ол ұзақ мерзімді орташа сөйлеу спектрін шамалауға арналған. Теория бойынша, интегратор сигнал спектріне сәйкес келетін болжаушы болуы керек еді. Өзгертілген нұсқасының орнына жақсырақ Shindler компандері қолданылды. Өзгертілген компандердің көптеген сигнал деңгейлерінде қадам өлшемі жеткіліксіз болғаны және жылдам күшейту қатесін қалпына келтіру нақты тыңдау сынақтарында қарапайым сигнал-шу өлшемдерімен салыстырғанда шуды арттырғаны анықталды. Соңғы компандер 12 биттік арифметиканың тудырған табиғи қысқару дөңгелектеу қатесіне байланысты өте жұмсақ күшейту қатесін қалпына келтірді. Дельта модуляциясының, VAC және эхо бақылауының толық функциясы 6 порт үшін 12 биттік арифметикасы бар бір цифрлық интегралдық схема чипінде іске асырылды. Барлық 6 порт бір DAC-ті пайдаланды, ол модуляторлар үшін кернеуді салыстыру функцияларын және демодулятор шығыстары үшін үлгіні алу және сақтау тізбектерін қамтамасыз етті. Бір картада чип, DAC және телефон желісі интерфейсі үшін барлық аналогтық схемалар, соның ішінде трансформаторлар орналастырылды.

Delta modulation was used by Satellite Business Systems or SBS for its voice ports to provide long distance phone service to large domestic corporations with a significant inter corporation communications need (such as IBM). This system was in service throughout the 1980s. The voice ports used digitally implemented 24 kbit/s delta modulation with voice activity compression (VAC) and echo suppressors to control the half second echo path through the satellite. Listening tests were conducted to verify that the 24 kbit/s Delta Modulator achieved "full voice quality" with no discernible degradation as compared to a high quality phone line or the standard 64 kbit/s μ law companded PCM. This provided an 8:3 improvement in satellite channel capacity. IBM developed the Satellite Communications Controller and the voice port functions. The original proposal in 1974 used a state of the art 24 kbit/s Delta Modulator with a single integrator and a Shindler compander modified for gain error recovery. This proved to have less than full phone line speech quality. In 1977, one engineer with two assistants in the IBM Research Triangle Park, NC laboratory was assigned to improve the quality. The final implementation replaced the integrator with a predictor implemented with a two pole complex pair low pass filter designed to approximate the long term average speech spectrum. The theory was that ideally the integrator should be a predictor designed to match the signal spectrum. A nearly perfect Shindler compander replaced the modified version. It was found the modified compander resulted in a less than perfect step size at most signal levels and the fast gain error recovery increased the noise as determined by actual listening tests as compared to simple signal to noise measurements. The final compander achieved a very mild gain error recovery due to the natural truncation rounding error caused by 12 bit arithmetic. The complete function of delta modulation, VAC, and echo control for 6 ports was implemented in a single digital integrated circuit chip with 12 bit arithmetic. A single DAC was shared by all 6 ports providing voltage compare functions for the modulators and feeding sample and hold circuits for the demodulator outputs. A single card held the chip, DAC, and all the analog circuits for the phone line interface including transformers.