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DPCM, DM (2005-07-18)

야생화정보마당 2021. 7. 16. 07:25
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변환 기술
   [
예측]

DPCM (Differential PCM : 차동 펄스 부호 변조)
   [
DPCM 시스템 구성도]

DM (Delta Modulation : 델타 변조)

ADM (Adaptive Delta Modulation : 적응 델타 변조)

ADPCM (Adaptive Differential Pulse Code Modulation : 적응 차분 펄수 부호변조)
    [기본원리]
   [ADPCM 시스템 구성도]

ADM과 ADPCM의 특성 비교

변환 기술

[예측]

고품질의
PCM신호를얻기위해서는표본화펄스열을나이퀴스트율보다높은반복율되도록
하던가아니면양자화레벨을보다적게하든가또는양쪽의조합으로실현하는단순히
생각될
있는방법이다

그러나
음성이나비디오신호세력이낮은레벨범위(120dB)많이분포한다는 등을고려한
비직선 양자화또는적응 양자화사고방법을도입한효율화방향으로나가고있다.

하나의표본화펄스의진폭값과다음표본화펄스의진폭값의변화는매우적기때문에차이
주목하면변화는신호자신의변화보다훨씬적다것을있다.


    
                         



위의
그림에서바로앞의표본화펄스와현재예측한펄스의차이만을부호화하면정보량을줄일
수가
있어 전송효율을 향상시킬있다.

이와
같이과거하나의펄스값으로부터다음의펄스값을예측있다는것을의미하며이와
같은
과정을 예측(Prediction)이라한다



DPCM (Differential PCM : 차동 펄스 부호 변조

   

                      



위의
그림에서위쪽그림은PAM 신호이고, 아래쪽그림은예측PAM 신호에서PAM신호값을
차분한
표시한파형이다.

PAM
파형을그대로양자화부호화하는것에비해차분된 파형을 양자화, 부호화하는것이
부호화 비트 수를 감소(정보량 압축) 시킬있다.
감소된 비트
만큼일정한대역폭에서많은정보를전송할있게된다.


[DPCM 시스템 구성도]

아래의그림은DPCM(Differential Pulse Code Modulation)시스템을나타냈다.


      


신호를S(t)하고표본간격(T)주기로표본화하여이것을S(T)한다면, 신호의n번째
실제표본값을S(nT), 이전의(n-1번째) 표본펄스 값으로부터예측된n 번째의예측표본값을
S1 (nT)라할 f (nT) = S(nT) - S1(nT)같이얻어지는f (nt)새롭게양자화될대상의
신호가
된다.




DM (Delta Modulation : 델타 변조)

        

표본화주파수가Nyquist 주파수보다어느정도높은경우현재의 표본치와 예측치와의 
(차동신호가+이면“ 1 “부호화하고, -이면“ 0 “으로부호화)1비트 하여 전송하는
DPCM 특별한 경우의 변조 방식이다

델타
변조기에대한파형을고려하면아날로그파형이급격하게변하는경우변화를추적할
없을경사 과부하 잡음(Slope Over Load Noise)발생하고 반대로완만하게변화
경우그래뉴러( Granular ) 잡음이발생한다

따라서
델타변조는정보량을상당히줄일있고(많은 정보를 압축), 회로 구성이 간단하여
신뢰성이
높으며, 표본화 주파수는 Nyquist Rate 2 ~ 4(16 ~ 32 KHz)이다.

경사 과부하 잡음 과 그래뉴러 잡음을 이해하기 위해 그림으로 살펴보면 다음과 같고


                 


        

이런 DM에서의 경사 과부하 잡음과 그래뉴러 잡음을 줄일 수 있는 변조 방식이 바로 ADM 이다




ADM (Adaptive Delta Modulation : 적응 델타 변조)      
   


           




델타변조
(Dela Modulation)방식은 시스템 구성이 간단하여 신뢰도가 높으며,1비트 단위로 부호
화 되므로 전송 에러에 강한 장점이 있는 반면에 
Dynamic Range가 좁아서 과부하 잡음과
그래뉴러 잡음이 발생
되어 신호 대 양자화 잡음비(S/N)가 좋지 않은 문제점이 있다.

이에 따라 적응형 델타변조(ADM)방식은 입력신호의 기울기가 급격하게 증가 하거나 감소하면
양자화 계단의 크기가 증가 시켜 
Slope Over Lord 잡음을 감소시키고, 입력신호가 서서히 변화
하거나 또는 입력 신호의 레벨이 전체적으로 감소하면 양자화 계단의 크기를 감소시켜 
Granular
잡음을 감소 시킨다.

즉, 
 양자화기의 스텝 크기를 적응적으로 변화시켜 잡음을 감소시키는 방법이다.

ADPCM (Adaptive Differential Pulse Code Modulation :적응 차분 펄스 부호변조)

[기본원리]

                     

            

ADM 방식은양자화기의스텝크기를적응적으로변화시키는적응양자화방법을사용하고있으며,
DPCM
에서는예측기를사용한예측부호화방법을사용 하므로이들의기본적인개념을조합하여,
적응 양자화와 예측 부호화 개념을 동시에 사용하는 방식으로, 음성신호의경우표본화된
스간 서로
상관성이크며, 현재디지털통신을위해사용중인PCM전송속도는64Kb/s로써,이것
은 대역폭의
사용면에서아날로그의SSB방식의4KHz비해 비경제적이다.

이같은
대역폭문제를해결하기위해음성대역폭 축소에 대한 예측부호화(Predictive Coding)
방식이ADPCM방식이다.

ADPCM 
예측부호화방식의기본원리는음성신호가 상관성이  특성을 이용하여음성신호를
직접 양자화하지
않고, 과거의 음성신호의 Sapmle 기준으로 다음에 들어올 신호의 크기를
예측하고 실제의 입력 신호로부터 빼줌으로써오차신호를발생시켜 오차 신호를 양자화
전송한다
.

보통 오차 신호의 진폭은 입력 음성신호의 진폭에 비해    작기 때문만큼양자화
레벨의
수도감소되어동일한성능을갖게될경우, 전송속도를 PCM 비해 1/3 정도로 감소
시킬 수 있다.(8비트부호화64Kbps 속도, 3비트부호화24Kbps)


[ADPCM 시스템 구성도]


         

 
 

DPCM
부호화기크게양자화기/부호화하기(Quantizer / Coder) 예측기(Predictor)
개의Subsystem으로분류할있다.

본래
예측기는예측필터의형성을위한계수를고정시킬수도있고, 입력신호에따라변화시킬
수도있는데, DPCM방식에서는고정예측기(Fixer Predictor)선택하고있다.

일반적으로예측기를형성하는Filter계수와양자화기의양자화레벨의크기를결정할음성
신호가
Stationary 상태(고정상태)라고가정하고있으나, 음성신호의특성으로인해실제로는
정상태가아니므로양자화기에입력되는오차신호가급격히변화하여Slope Over Load현상이
발생하는
경우가있다.

ADPCM 
방식은Non-Stationary 상태에있는음성신호를국부적으로Stationary상태로간주
있는구간으로분할해서신호의통계적특성을구한, 그에따라적응예측방식이나,적응
양자화
방식을적용한다.

적응 양자화 방식양자화의레벨의크기를변화시키는것을가르키고, 적응 예측 방식양자
화의
레벨의크기를고정시킨상태에서예측기의Filter계수를입력되는신호에대응해서변화
시키는
것을말한다.

적응양자화기에서입력되는신호의Dynamic Range크면양자화레벨의크기를입력되는
호의
크기에비례해서증가시킨다. 그리고원래신호와예측신호사이의오차신호의분산은원래
신호의
분산에비례하는성질을이용하여적응예측기의filter 계수를입력신호의구간변화특성
따라대응시킴으로써  오차신호의분산을적게있다.

이와같이ADPCM32Kb/s 디지털음성통신에전송속도가기존PCM1/2밖에되지않는반면
음질이
양호하여 경제적 이여서앞으로디치틀 음성 통신에 중요한 역할것임은틀림없는
사실이다.

32Kbps ADPCM특성을 요약하여 보면..
기존64Kb/s PCM과 직접 연결가능하다.
음성속도가32Kb/s(양자화레벨:24)로서, 기존PCM1/2감소된다.
음성정보이외의음성대역데이터Tone 신호까지도부호화있다.
음성신호의특성에따라양자화레벨의크기를변화시키는적응식양자화기와예측기의Filter
    
계수를변화시키는적응식 예측기를 사용한다.
적응식양자화기는Sample 단위로양자화레벨을변화시키는순간 압신방식을 적용한다.
적응식 예측기는입력의Sample 단위로Filter 계수를Update시키는순차 적응방식을 적용
    한다
.


ADM ADPCM의 특성 비교

                



   ※ 음성 부호화 방식 비교

                

 

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