增量调制算法的进展及其CVSD—PCM数码变换

二、自适应增量调制(ADM)的主要算法

PCM编码是对抽样值S(n)直接进行编码。△M是对两个相邻样值的差值进行编码，实际应用的增量调制总是设计成△的大小随信号大小而变的自适应增量调制(ADM)。它的工作特点是：信号斜率变大时，增量△也跟着自动变大；反之，信号斜率变小时，增量△也跟着自动变小。如何从传输的二进制数字码流c(n)中提取对计算△(n)有用的信息，是设计实用算法的关键。c(n)码流传送的是信号的斜率信息，当同符号c(n)连续出现时，则斜率变大；当c(n)交替出现1、0码时，则斜率为零。近年来，在ADM体制上开展了不少研究工作、下面介绍几种较为实用有效的算法。
　　1．常因子自适应增量调制(CFDM)算法
　　　　　　　　　　　
式中
　　2．高信息自适应增量调制(HIDM)算法
　　　　　　　　　　　
　　3．Song算法
　　　　　　　　　　　
这种算法后来经改进用到了航天飞机中。
　　4．混合自适应增量调制(HCDM)算法
　　　　　　　　　　　　　
M(n)的选取见表1。
　　　　　　　　　　　　　　　　　表1 　　　M(n)的真值表

　　5．CVSD算法
　　这种算法应用为广泛。一般是检测3～4个比特有无同极性码，若有，则增加△值，否则，靠滤波器自由衰减△值。算法为：
　　　　　　　　　　　　
式中。由下式决定
　　　　　　　　　　　　
　　β为控制量阶衰减的因子，满足τ=T/(1-β)为音节时间常数，一般为5—10 ms。

三、CVSD—PCM数码变换

　　CVSD也叫数字检测音节压扩增量调制，进入实用阶段已有十多年的历史。在美国和西欧北约各国的军事通信网中CVSD算法应用为广泛。一般使用16kbit/s或32kbit/s数码率的CVSD调制方式。16kbit/s的CVSD为3连“1”或连“0”的数字检测算法 。而32kbit/s的CVSD为4连“1”或连“0”的数字检测算法。目前商用的ADM多数为32kbit/s的CVSD。所以，下面主要讨论将32kbit/s的CVSD变换为16位的线性PCM的方法。

　　1．零点的选取与对应的建立
　　当传输的二进制数字码流c(n)中交替出现1、0码，则信号的斜率为零。如果某一时隙有m(可定为32、64等)个交替的1、0码，则该时隙对应PCM的零点，即此时隙为变换以后的PCM码的零点，也就是说，有：
　　　　　　　　　　　　　　CVSD—→PCM
　　　　　　　　　　　(1010…10)—→0
　　设k个交替的1、0码之后的比特为c(1)，第二比特为c(2)，…，第n比特为c(n)，…，对应的PCM码值分别为PCM(1)，PCM(2)， …，PCM(n)，…，而PCM(0)＝0。这时，
　　如果c(1)＝1，则PCM(1)＝PCM(0)+△，
　　如果c(1)＝0，则PCM(1)＝PCM(0)-△，
　　如果c(2)＝1，则PCM(2)＝PCM(1)+△，
　　如果c(2)＝0，则PCM(2)＝PCM(1)-△，
　　如果c(3)＝1，则PCM(3)＝PCM(2)+△，
　　如果c(3)＝0，则PCM(3)＝PCM(2)-△，
　　从c(4)开始，考虑 值的变化，如果
　　　　　　　　　c(4) ＝ c(3) ＝ c(2) ＝ c(1) (1)
　　则△(4)＝△ +△o，如果(1)式不成立，则△(4)＝β·△ ，这时就可确定PCM(4)的值，
如果c(4)＝1，则PCM(4)＝PCM(3)+△(4)，
　　如果c(4)＝0，则PCM(4)=PCM(3)-△(4)；
　　同样可确定PCM(5)，如果
　　　c(5) ＝ c(4) ＝ c(3) ＝ c(2) 　　　　　　　　　　(2)
　　则 (5)＝ (4)+△0，如果(2)式不成立，则△(5)＝β·△(4)，这时，
　　如果c(5)＝1，则PCM(5)＝PCM(4)+△(5)，
　　如果c(5)＝0，则PCM(5)＝PCM(4)-△(5)；
　　余类推…，这即建立了CVSD码流到PCM码的对应。

　　2．抽样频率32～8kHz的变换
　　在增量调制中，抽样频率不是由抽样定理确定的，而是由量化信噪比决定的，而且数码率与抽样频率在数值上是相等的。即32kbit/s的数码率，其抽样频率为32kHz，16kbit/s的数码率抽样频率为16kHz。为了获得8kHz的PCM抽样频率，对于32kHz的CVSD，可在每4个样点中选择一个作为PCM抽样点。具体地讲，在上面得到的PCM样点PCM(0)，PCM(1)，PC M(2)，…，PCM(n)，…中，抽取PCM(0)，PCM(4)，PCM(8)，…，PCM(4n)，…，即可得到8kHz的PCM抽样频率。

　　3．重新回到零点
　　在进行码变换时，要不断地寻找新零点，即m个交替的1、0码。如果出现新的零点，对应的PCM码值应回到零，否则，经过一定的时隙，PCM的码值即达到饱和状态，从而出现码型变换带来的失真。　　　　　　　　　

　　4．衰减因子β的计算
　　在CVSD的算法中，由音节时间常数τ＝T/(1-β)，可知
　　　　　　　　　　　　β＝1—T/τ
　　一般情况下，τ＝5～10ms，对于32kHz与l 6kHz的CVSD，容易计算出β的值。

　　5．量阶△与△0的实验测试
　　对于由CVSD变换后的16位PCM码,如果量阶△与△0选择得过大，会出现噪声；△与△0过小，则语图起伏很小，失真较大。经测试△在10的量级较合适，△0可比△小一些，这样即可获得较好的语音质量。

　　综上所述、就可实现从32kHz的CVSD编码到8kHz的16位PCM编码的变换，要进行其它DM编码到不同PCM编码的变换，用以上方法亦不难实现。