Подходы к сжатию звуковых сигналов. Форматы кодирования цифрового звука икм, дикм, адикм, дельта-модуляция.

Существует множество подходов к «сжатию» речевой информации; все их можно разделить на три категории: кодирование формы сигнала (waveform coding),кодирование исходной информации (source coding) и гибридное кодирование, представляющее собой сочетание двух предыдущих подходов.

Импульсно-кодовая модуляция  используется для оцифровки аналоговых сигналов. Практически все виды аналоговых данных (видео, голос, музыка, данные телеметрии, виртуальные миры) допускают применение ИКМ.

Модуляция: Чтобы получить на входе канала связи (передающий конец) ИКМ-сигнал из аналогового, мгновенное значение аналогового сигнала измеряется аналого-цифровым преобразователем (АЦП) через равные промежутки времени.  Частота дискретизации должна быть не ниже 2-кратной максимальной частоты в  спектре аналогового сигнала (по теореме Котельникова). Затем производится квантование мгновенного измеренного значения аналогового сигнала.

Демодуляция: На приёмном конце канала связи демодулятор преобразует последовательность битов в импульсы собственным генератором с тем же уровнем квантования, который использовал модулятор. Далее эти импульсы используются для восстановления аналогового сигнала в ЦАП. В состав ЦАП входят декодирующее устройство, которое производит преобразования полученных кодовых комбинаций в квантованную последовательность отсчётов, а также сглаживающий фильтр, который восстанавливает переданный аналоговый сигнал по квантованным значениям.

Дифференциальная импульсно-кодовая модуляция  это метод кодирования сигнала, который основывается на импульсно-кодовой модуляции, но использует дополнительные возможности для компактного представления, основываясь на прогнозировании отсчётов сигнала. ДИКМ может применяться для аналогового сигнала или цифрового сигнала.

Если необходимо использовать ДИКМ для аналогового сигнала, то сигнал должен быть сперва дискретизирован (семплирован), так чтобы отсчеты дискретизированного сигнала могли бы подаваться на вход кодера ДИКМ.

Существует два варианта реализации ДИКМ:

Вариант 1: принимать значения двух последовательных семплов; если это аналоговые семплы, квантовать их; вычислить разницу между первым и следующим; результат — полученная разница, и она может быть энтропийно закодирована.

Вариант 2: вместо взятия разницы относительно предыдущего входного семпла, берём разницу относительно выходной локальной модели декодирующего процесса; в этом варианте разница может быть квантована, что дает возможность контролировать потери в кодировании.

В любом из этих двух вариантов ДИКМ значительно уменьшается локальная избыточность (положительная корреляция близлежащих значений) сигнала. При этом может быть достигнут коэффициент сжатия от 2 до 4, если разностные значения будут затем подвергнуты энтропийному кодированию, поскольку у разностных сигналов часто известна функция распределения (с точностью до значений небольшого количества параметров).

Адапти́вная дифференциа́льная и́мпульсно-ко́довая модуля́ция (АДИКМ)  — разновидность дифференциальной импульсно-кодовой модуляции, алгоритм которой подразумевает изменение шага квантования, что позволяет снизить требуемую полосу пропускания для заданного отношения сигнал/шум. Обычно адаптация основывается на адаптивном коэффициенте масштабирования.

Дельта-модуляция (ДМ) — способ преобразования аналогового сигнала в цифровую форму. В каждый момент отсчёта сигнал сравнивается с пилообразным напряжением на каждом шаге дискретизации. Если отсчёт сигнала превышает поамплитуде пилообразное напряжение, то последнее нарастает до следующей точки дискретизации, в противном случае оно спадает. В простейшей системе наклон пилообразного напряжения сохраняется неизменным на всём протяжении процесса. Полученный бинарный сигнал можно рассматривать как производную от пилообразного напряжения. Выбирая достаточно малым значение шага Δ, можно получить любую заданную точность представления сигнала. Преимущество дельта-модуляции по сравнению, например, с ИКМ, в простоте реализации. Основной недостаток ДМ состоит в том, что дельта-кодер не успевает отслеживать быстрые изменения уровня сигнала, вследствие чего возникает перегрузка по крутизне.