Непрерывно переменная дельта-модуляция с переменным шагом (CVSD)

Введение

Непрерывно изменяемая дельта-модуляция наклона (CVSD или CVSDM) — это метод кодирования речи. Это дельта-модуляция с переменным размером шага (т.е. частный случай адаптивной дельта-модуляции), впервые предложенный Гри́фкесом и Ри́менсом в 1970 году. CVSD кодирует с использованием 1 бита на отсчёт, поэтому аудио, дискретизированное с частотой 16 кГц, кодируется со скоростью 16 кбит/с. Кодировщик поддерживает эталонный отсчёт и размер шага. Каждый входной отсчёт сравнивается с эталонным. Если входной отсчёт больше, кодировщик выдаёт 1 бит и добавляет размер шага к эталонному отсчёту. Если входной отсчёт меньше, кодировщик выдаёт 0 бит и вычитает размер шага из эталонного отсчёта. Кодировщик также сохраняет предыдущие N битов выходного потока (N = 3 или N = 4 — наиболее распространённые значения) для определения корректировок размера шага; если предыдущие N битов состоят только из 1 или только из 0, размер шага увеличивается. В противном случае размер шага уменьшается (обычно экспоненциально, в диапазоне 5 мс). Размер шага корректируется для каждого обрабатываемого входного отсчёта. Чтобы обеспечить затухание битовых ошибок и (повторную) синхронизацию с текущим битовым потоком, выходной регистр (хранящий эталонный отсчёт) обычно реализуется в виде «просачивающегося» интегратора с постоянной времени около 1 мс. Декодер выполняет обратный процесс, начиная с эталонного отсчёта и добавляя или вычитая размер шага в соответствии с битовым потоком. Последовательность скорректированных эталонных отсчётов представляет собой восстановленную форму сигнала, а размер шага корректируется в соответствии с той же логикой, что и в кодировщике. Адаптация размера шага позволяет избежать перегрузки по наклону (размер шага квантования увеличивается при быстром изменении сигнала) и уменьшить гранулярный шум при постоянном сигнале (уменьшение шага квантования). CVSD иногда называют компромиссом между простотой, низкой скоростью передачи данных и качеством. Типичные скорости передачи данных составляют 9,6–128 кбит/с. Как и другие методы дельта-модуляции, выход декодера не точно соответствует исходному входу кодировщика.

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.

Приложения

12 кбит/с CVSD используется в линейке цифровых зашифрованных двухсторонних радиостанций SECURENET от Motorola. CVSD со скоростями 16 и 32 кбит/с применялись в военных цифровых телефонах TRI TAC (DNVT, DSVT) в полевых условиях для обеспечения качества звука, достаточного для распознавания речи. Скорость 16 кбит/с обычно использовалась армией США для экономии полосы пропускания в тактических каналах связи. Скорость 32 кбит/с обычно использовалась ВВС США для улучшения качества передачи голоса. CVSD со скоростью 64 кбит/с является одним из вариантов кодирования голосовых сигналов в службах Bluetooth, связанных с телефонией, например, между мобильными телефонами и беспроводными гарнитурами. Другими вариантами являются PCM с логарифмической квантизацией по закону a или μ, а также кодек mSBC с частотой дискретизации 16 кГц и наилучшим качеством. Во многих аркадных играх, таких как Sinistar и Smash TV, и в игровых автоматах типа "пинбол", например Gorgar или Space Shuttle, предварительно записанная речь воспроизводится через декодер HC 55516 CVSD.

Применение SBS 24 кбит/с дельта-модуляция

Дельта-модуляция использовалась компанией Satellite Business Systems или SBS для своих голосовых портов с целью предоставления услуг телефонной связи на большие расстояния крупным отечественным корпорациям, имеющим значительные потребности во внутрикорпоративной связи (например, IBM). Эта система находилась в эксплуатации на протяжении 1980-х годов. Голосовые порты использовали цифровую реализацию дельта-модуляции со скоростью 24 кбит/с с компрессией голосовой активности (VAC) и подавителями эха для управления полусекундным эхо-каналом через спутник. Были проведены прослушивания для подтверждения того, что дельта-модулятор со скоростью 24 кбит/с достиг "полного качества голоса" без ощутимой деградации по сравнению с высококачественной телефонной линией или стандартным 64-кбит/с μ-закономным компрессированным PCM. Это обеспечило 8:3 увеличение пропускной способности спутникового канала. IBM разработала контроллер спутниковой связи и функции голосовых портов. В первоначальном предложении 1974 года использовался современный дельта-модулятор со скоростью 24 кбит/с с одним интегратором и компандером Шиндлера, модифицированным для восстановления ошибок усиления. Однако это обеспечило качество речи ниже, чем у телефонной линии. В 1977 году один инженер с двумя помощниками в лаборатории IBM Research Triangle Park, NC, был назначен для улучшения качества. В окончательной реализации интегратор был заменен на предсказатель, реализованный с помощью двухполюсной комплексной пары фильтров нижних частот, предназначенных для аппроксимации долгосрочного среднего речевого спектра. Теория заключалась в том, что в идеале интегратор должен быть предсказателем, соответствующим спектру сигнала. Почти идеальный компандер Шиндлера заменил модифицированную версию. Было обнаружено, что модифицированный компандер приводил к неоптимальному шагу квантования на большинстве уровнях сигнала, а быстрое восстановление ошибки усиления увеличивало шум, как показали фактические тесты прослушивания по сравнению с простыми измерениями отношения сигнал/шум. Окончательный компандер достиг очень незначительного восстановления ошибки усиления из-за естественной ошибки округления, вызванной 12-битной арифметикой. Полная функциональность дельта-модуляции, VAC и управления эхом для 6 портов была реализована в одной цифровой интегральной схеме с 12-битной арифметикой. Один ЦАП использовался совместно всеми 6 портами, обеспечивая функции сравнения напряжения для модуляторов и питание цепей выборки-хранения для выходов демодулятора. На одной плате размещались чип, ЦАП и все аналоговые схемы для интерфейса телефонной линии, включая трансформаторы.

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.