Zasada kodowania różnicowego
PCM jest metodą cyfryzacji sygnałów, lecz przy sygnałach o dużej korelacji między sąsiednimi próbkami może zużywać bity na powtarzające się informacje. Wiele sygnałów naturalnych, w tym mowa, zmienia się w krótkich odstępach czasu stosunkowo łagodnie. PCM zapisuje bezwzględną wartość każdej próbki, także gdy jest podobna do poprzedniej.
Kodowanie różnicowe zapisuje różnicę między próbką bieżącą a poprzednią lub przewidywaną wartością próbki bieżącej. Dla sygnału o dużej korelacji różnica może mieć mniejszy zakres niż wartość absolutna. Przy odpowiednio dobranym kwantyzatorze można ją wtedy reprezentować mniejszą liczbą bitów, co zmniejsza przepływność.
Modulacja delta (DM)
Modulacja delta jest najprostszą formą kodowania różnicowego i jednobitową odmianą DPCM. Jej działanie polega na tworzeniu aproksymacji schodkowej, która śledzi sygnał analogowy.
Zasada działania
W każdej chwili próbkowania system porównuje wejściowy sygnał analogowy z ostatnią wartością aproksymacji schodkowej:
- Jeśli sygnał analogowy jest większy od aproksymacji, generowany jest bit '1', a aproksymacja wzrasta o stałą wartość, .
- Jeśli sygnał analogowy jest mniejszy od aproksymacji, generowany jest bit '0', a aproksymacja maleje o .
Wady modulacji delta
Wielkość kroku określa kompromis między dwoma głównymi rodzajami zniekształceń:
- . Przy zbyt małym kroku aproksymacja pozostaje za szybkimi zmianami sygnału.
- . Dzieje się tak, gdy krok jest zbyt duży. Przy wolno zmieniającym się sygnale aproksymacja wielokrotnie przekracza jego poziom, generując szum.
Adaptacyjna modulacja delta (ADM)
ADM to odmiana DM, w której krok kwantyzacji jest adaptacyjny, czyli zmienia się zależnie od charakterystyki sygnału wejściowego. Pozwala to ograniczać problemy związane ze stałym krokiem.
Gdy układ wykrywa, że aproksymacja systematycznie pozostaje za sygnałem, na przykład przy sekwencji identycznych bitów '1111', zwiększa krok. Gdy wykrywa oscylację aproksymacji wokół sygnału, na przykład przy naprzemiennych bitach '101010', zmniejsza krok. Taka adaptacja ogranicza przeciążenie zbocza oraz szum granularny przy podobnej przepływności.
Różnicowa modulacja impulsowo-kodowa (DPCM)
DPCM łączy PCM z kodowaniem różnicowym. Zamiast jednobitowego komparatora używa kwantyzatora wielopoziomowego.
Proces DPCM
- Predykcja: System używa do oszacowania wartości bieżącej próbki. Prosty predyktor może po prostu użyć wartości poprzedniej zrekonstruowanej próbki.
- Obliczenie różnicy: Obliczana jest różnica (błąd predykcji) między rzeczywistą próbką wejściową a wartością przewidywaną.
- Kwantyzacja: Ten mały sygnał różnicowy jest następnie kwantowany przy użyciu z mniejszą liczbą bitów niż byłoby potrzebne dla oryginalnej próbki (np. 4 bity zamiast 8).
- Kodowanie i transmisja: Skwantowana różnica jest kodowana i przesyłana.
Dla sygnałów o dużej korelacji błąd predykcji ma zwykle mniejszy zakres i mniejszą zmienność niż sam sygnał. Odbiornik dodaje skwantowaną różnicę do tej samej predykcji, aby odtworzyć próbkę, dlatego zgodność predyktorów po obu stronach jest warunkiem poprawnej rekonstrukcji. Przy odpowiednim doborze predyktora i kwantyzatora DPCM może zapewnić jakość porównywalną z PCM przy mniejszej przepływności. Stosunek 32 kb/s DPCM do 64 kb/s PCM to przykład z systemów mowy. Nie jest to reguła uniwersalna, ponieważ jakość zależy od sygnału, pasma oraz implementacji.
Adaptacyjna różnicowa modulacja impulsowo-kodowa (ADPCM)
ADPCM łączy DPCM z mechanizmami adaptacyjnymi. Predyktor i kwantyzator mogą dynamicznie dostosowywać parametry do zmieniającego się sygnału, a w niektórych odmianach adaptuje się także krok kwantyzacji. Norma ITU-T G.726 definiuje tryby 16, 24, 32 i 40 kb/s służące do konwersji strumienia PCM 64 kb/s. Odpowiadają im odpowiednio 2, 3, 4 i 5 bitów na słowo kodowe. Tryb 32 kb/s zmniejsza przepływność o połowę względem 64 kb/s. Jakość zależy od sygnału, pasma i implementacji.