一种很简单的增量调制（DM）编码

本文是该系列的第19篇。语音编码压缩的目的是在尽量不损失信息的情况下降低码率，从而节省存储空间和通信带宽。To Multimedia File这个block就提供几种语音压缩方式：CCITT A律、CCITT μ律、GSM 6.10、PCM、ADPCM。本文将介绍一种很简单的增量调制（DM）编码方式。

DM编解码
DM（Delta Modulation）编码的原理很简单，信号处理的学习者对这个概念也不陌生（博主是在《现代通信技术概论》这本书中第一次接触到这个概念）。其编码原理如下：

 

 

第一幅图为语音信号，第二幅图为编码后的PWM信号。在对语音信号采样时，编码系统会比较相邻两个时刻的采样值，若信号幅度增加，则编码为1；若信号幅度减少，则编码为0（也可以相反）。系统的编码结果仅仅需要1比特来表示信号的增量关系。

解码时选择一个固定的量化阶数，根据DM编码值为1或0来决定输出信号是加上一个量化阶数、还是减去一个量化阶数。

System Generator设计
在Simulink中添加block按下图连接：

 

 

使用Delay做一个单位的延迟，存储“过去时刻的采样值”a，并与当前时刻的采样值b一同输入到Relational这个block中进行对比，构成DM编码；编码结果经过一个非门用来控制加法器（AddSub，Operation配置为Addition or subtraction），决定加上或减去量化阶数，构成DM解码。

编码器输出的1表示正的增量，0表示负的增量；但是AddSub的sub端口为1时执行a-b（减去量化阶数），为0时执行a+b（加上量化阶数）。由于两个部分的逻辑恰好相反，因此中间加一个Invert block取反。

性能分析
运行仿真，播放解码后的音频文件会发现噪声很严重，信号质量明显下降。这也是DM编解码的固有缺陷。PCM编码是对每个采样值的幅度都用一定位宽的数据量化；DM编码每个采用值只用1比特量化。虽然码率降低了很多，但信噪比也大大下降。

DM编码有如下两个固有缺陷：

• 斜率过载：当输入信号变化速率过快时，比较器的输出跟不上输入信号的快速变化。
• 粒状噪声：当输入信号变化较慢时，相邻两个采样值的差值非常接近0，此时比较器的输出会在0和1之间跳变。

用到的block功能如下：

• Invert：对输入的定点数据按位取反；
• Relational：比较器，可判断的等式包括a=b、a!=b、a小于b、a>b、a=b，输出结果为bool类型；
• Constant：输出常数值，但由于设置的位宽有限，软件会选择一个所能表示的与设定值最接近的值。

编辑：hfy