DPCM, DM (2005-07-18)

 

▶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]

고품질의PCM신호를얻기위해서는표본화펄스열을나이퀴스트율보다높은반복율이되도록
하던가아니면양자화레벨을보다적게하든가또는그양쪽의조합으로실현하는것등단순히
생각될수있는방법이다

그러나음성이나비디오신호세력이낮은레벨범위(120dB)에많이분포한다는 것등을고려한
비직선 양자화또는적응 양자화의사고방법을도입한고효율화방향으로나가고있다.

하나의표본화펄스의진폭값과다음표본화펄스의진폭값의변화는매우적기때문에그차이만
을주목하면그변화는신호자신의변화보다훨씬적다는것을알수있다.


                             

위의그림에서바로앞의표본화펄스와현재예측한펄스의차이만을부호화하면정보량을줄일
수가있어 전송효율을 향상시킬수있다.

이와같이과거하나의펄스값으로부터다음의펄스값을예측할수있다는것을의미하며이와
같은과정을 예측(Prediction)이라한다



▶DPCM (Differential PCM : 차동 펄스 부호 변조) 

   
                      

위의그림에서위쪽그림은PAM 신호이고, 아래쪽그림은예측PAM 신호에서원PAM신호값을
차분한값을표시한파형이다.

PAM파형을그대로양자화및부호화하는것에비해차분된 파형을 양자화, 부호화하는것이
부호화 비트 수를 감소(정보량 압축) 시킬수있다.
감소된 비트수만큼일정한대역폭에서더많은정보를전송할수가있게된다.


[DPCM 시스템 구성도]

아래의그림은DPCM(Differential Pulse Code Modulation)시스템을나타냈다.

      

원신호를S(t)라하고표본간격(T)의주기로표본화하여이것을S(T)로한다면, 원신호의n번째
의실제표본값을S(nT), 이전의(n-1번째) 표본펄스 값으로부터예측된n 번째의예측표본값을
S1 (nT)라할때 f (nT) = S(nT) - S1(nT)와같이얻어지는값f (nt)가새롭게양자화될대상의
신호가된다.




▶DM (Delta Modulation : 델타 변조)

        

표본화주파수가Nyquist 주파수보다어느정도높은경우현재의 표본치와 예측치와의 차
(차동신호가＋이면“ 1 “로부호화하고, －이면“ 0 “으로부호화)를1비트로 하여 전송하는
DPCM의 특별한 경우의 변조 방식이다

델타변조기에대한파형을고려하면아날로그파형이급격하게변하는경우그변화를추적할
수없을때경사 과부하 잡음(Slope Over Load Noise)이발생하고 반대로완만하게변화할
경우그래뉴러( Granular ) 잡음이발생한다

따라서델타변조는정보량을상당히줄일수있고(많은 정보를 압축), 회로 구성이 간단하여
신뢰성이높으며, 표본화 주파수는 Nyquist Rate의 2 ~ 4배(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 발생되어 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,
DPCM에서는예측기를사용한예측부호화방법을사용 하므로이들의기본적인개념을조합하여,
적응 양자화와 예측 부호화 개념을 동시에 사용하는 방식으로, 음성신호의경우표본화된펄
스간 서로상관성이크며, 현재디지털통신을위해사용중인PCM의전송속도는64Kb/s로써,이것
은 대역폭의사용면에서볼때아날로그의SSB방식의4KHz에비해 비경제적이다.

이같은대역폭문제를해결하기위해음성대역폭 축소에 대한 예측부호화(Predictive Coding)
방식이ADPCM방식이다.

ADPCM 예측부호화방식의기본원리는음성신호가 상관성이 큰 특성을 이용하여음성신호를
직접 양자화하지않고, 과거의 음성신호의 Sapmle을 기준으로 다음에 들어올 신호의 크기를
예측하고 실제의 입력 신호로부터 빼줌으로써오차신호를발생시켜이 오차 신호를 양자화해
전송한다.

보통 오차 신호의 진폭은 입력 음성신호의 진폭에 비해 훨 씬 더 작기 때문에그만큼양자화
레벨의수도감소되어동일한성능을갖게될경우, 전송속도를 PCM에 비해 약1/3 정도로 감소
시킬 수 있다.(8비트부호화시64Kbps 속도, 3비트부호화시24Kbps)


[ADPCM 시스템 구성도]


         

 
 

DPCM의부호화기는크게양자화기/부호화하기(Quantizer / Coder)와 예측기(Predictor)등
두개의Subsystem으로분류할수있다.

본래예측기는예측필터의형성을위한계수를고정시킬수도있고, 입력신호에따라변화시킬
수도있는데, DPCM방식에서는고정예측기(Fixer Predictor)를선택하고있다.

일반적으로예측기를형성하는Filter의계수와양자화기의양자화레벨의크기를결정할때음성
신호가Stationary 상태(고정상태)라고가정하고있으나, 음성신호의특성으로인해실제로는
고정상태가아니므로양자화기에입력되는오차신호가급격히변화하여Slope Over Load현상이
발생하는경우가있다.

ADPCM 방식은Non-Stationary 상태에있는음성신호를국부적으로Stationary상태로간주
할수있는구간으로분할해서신호의통계적특성을구한후, 그에따라적응예측방식이나,적응
양자화방식을적용한다.

적응 양자화 방식은양자화의레벨의크기를변화시키는것을가르키고, 적응 예측 방식은양자
화의레벨의크기를고정시킨상태에서예측기의Filter계수를입력되는신호에대응해서변화
시키는것을말한다.

적응양자화기에서입력되는신호의Dynamic Range가크면양자화레벨의크기를입력되는신
호의크기에비례해서증가시킨다. 그리고원래신호와예측신호사이의오차신호의분산은원래
신호의분산에비례하는성질을이용하여적응예측기의filter 계수를입력신호의구간변화특성
에따라대응시킴으로써  오차신호의분산을적게할수있다.

이와같이ADPCM은32Kb/s 디지털음성통신에전송속도가기존PCM의1/2밖에되지않는반면
음질이양호하여 경제적 이여서앞으로디치틀 음성 통신에 중요한 역할을할것임은틀림없는
사실이다.

※32Kbps ADPCM특성을 요약하여 보면..
①기존64Kb/s PCM과 직접 연결이가능하다.
②음성속도가32Kb/s(양자화레벨:2의4승개)로서, 기존PCM의1/2로감소된다.
③음성정보이외의음성대역데이터및Tone 신호까지도부호화할수있다.
④음성신호의특성에따라양자화레벨의크기를변화시키는적응식양자화기와예측기의Filter
    계수를변화시키는적응식 예측기를 사용한다.
⑤적응식양자화기는매Sample 단위로양자화레벨을변화시키는순간 압신방식을 적용한다.
⑥적응식 예측기는매입력의Sample 단위로Filter 계수를Update시키는순차 적응방식을 적용
    한다.


▶ADM과 ADPCM의 특성 비교

                

   ※ 음성 부호화 방식 비교