تعديل كود النبض التفاضلي التكيفي - ADPCM

يتم تكييف نظام تعديل شفرة النبض التفاضلي مع ضوضاء التكمية بطريقة تسمح بتشغيل معدل متغير إمّا ككود (R-bit) تقليدي أو كمزيج من كود (R-bit) تقليدي وكود ضوضاء صريح إضافي مع تكميم فوري، ويمكن تحقيق تحسين إضافي في نسبة الإشارة إلى الضوضاء باستخدام إجراء تخصيص غير متغير للبتات المتغيرة لفترات متساوية الطول مع شفرة بتات ثابتة متوسطة.

ما هو تعديل كود النبض التفاضلي التكيفي – ADPCM؟

تعديل كود النبض التفاضلي التكيفي (ADPCM): هي تقنية لتحويل الصوت التناظري مثل الكلام، إلى معلومات رقمية ثنائية عن طريق أخذ عينات الصوت بشكل متكرر والتعبير عن تعديله في شكل ثنائي.

تعمل برامج ترميز تعديل رمز النبض التفاضلي التكيفي (ADPCM) على تحويل الإشارات التناظرية إلى معلومات رقمية عن طريق تحديد الاختلافات بين الإشارة التناظرية الفعلية والإشارة المتوقع ظهورها، وتكون النتيجة هي أنّ الإشارات التناظرية المشفرة في ملفات باستخدام (ADPCM) لها حجم أصغر من العديد من التنسيقات الأخرى، ممّا يتيح (ADPCM) ضغط معلومات الكلام في ملفات صغيرة للتخزين والنقل.

تستخدم أنظمة الهاتف الخلوي لخدمات الاتصالات الشخصية (PCS) نظام تشفير (ADPCM) بسرعة (32 كيلوبت/الثانية) لتوفير نفس جودة الاتصالات الصوتية المتوفرة في شبكات الهاتف السلكية، تم تطوير هذا المعيار من قبل الاتحاد الدولي للاتصالات (ITU) ويُعرف باسم (G.721).

في مجال الاتصالات، تُستخدم تقنية (ADPCM) بشكل أساسي في ضغط الكلام لأنّ الطريقة تجعل من الممكن تقليل تدفق البتات دون المساس بالجودة، ويمكن تطبيق طريقة (ADPCM) على جميع أشكال الموجة والصوت عالي الجودة والصور والبيانات الحديثة الأخرى.

طريقة عمل تعديل كود النبض التفاضلي التكيفي – ADPCM:

مثل برامج ترميز (PCM) تستخدم برامج ترميز (ADPCM) أيضاً ترميز الموجي، ومع ذلك بدلاً من تكميم إشارة الكلام مباشرة، يتم تحديد الفرق بين إشارة الكلام والتنبؤ الذي تم إجراؤه لإشارة الكلام، ويعتمد هذا على حقيقة أنّه يمكن التنبؤ بعينة الكلام التالية من العينات السابقة، إذا كان التنبؤ دقيقاً فإنّ الفرق بين عينات الكلام الحقيقية والمتوقعة سيكون له تباين أقل من عينات الكلام الحقيقي، وسيتم تحديده بدقة باستخدام أجزاء أقل ممّا هو مطلوب لتحديد عينات الكلام الأصلية، في مفكك التشفير، تضاف إشارة الاختلاف الكمّي إلى الإشارة المتوقعة لإعطاء إشارة الكلام المعاد بناؤها ويستخدم التنبؤ التكيفي والكمية لزيادة أداء المشفر.

الهدف هو تكييف الخصائص المتغيرة للكلام مع المتنبئ ومكمم الفرق بحيث يحتوي معيار (G721) على معدل بت يبلغ (32 كيلوبت/الثانية) ويعطي جودة ذاتية تقريباً مثل جودة (PCM) بحوالي (4.1 درجة على مقياس جودة ITU-5)، توصيات الاتحاد الدولي للاتصالات الترميز (G721 وG726 وG727) التي توفر (40 و30 و24 و16 كيلوبت/الثانية) كمعدلات بت، يتم ترميز كل عينة كلام بـ (2، 3، 4، 5 بت) باستخدام برامج الترميز (ADPCM) ومع ذلك تنخفض جودة الإشارة المضغوطة كما هو متوقع مع انخفاض معدل بتات الإخراج.

يستفيد (ADPCM) من حجم خطوة التكميم المتغير باستمرار لتقليل حجم النطاق الترددي المطلوب، نسب الضغط التي تصل إلى (8 : 1) ممكنة مع هذه الخوارزمية مع جودة كلام ممتازة وجودة صوت عالية، عند مقارنة (DPCM) مع الكلام المناسب وجودة صوت متوسطة و(PCM) ذات جودة صوت وخطاب عالية جداً يأتي (ADPCM) مع ميزة النطاق الترددي المنخفض.

على الرغم من أنّ النطاق الترددي المحفوظ يأتي مع النطاق الترددي الإضافي أصبح عرض النطاق الترددي قضية حرجة للغاية وفي نفس الوقت تصبح دوائر أشباه الموصلات أكثر كثافة ورخيصة، يصبح (ADPCM) واضحاً للتطبيق حيث يمكن المساومة على جودة الصوت، آخر الخوارزميات القابلة للمقارنة التي يمكن استخدامها لضغط الصوت أو الصوت هي (PCM وDPCM وLPC وMP3) ويستخدم (ADPCM) على نطاق واسع في جميع أنحاء صناعة الاتصالات و يأخذ (VoIP) أيضاً الاستفادة من هذه التقنية.

التشفير وفك التشفير – Encoder and decoder ADPCM:

يشتمل التشفر ومفكك التشفير (ADPCM) على مُكمّم قابل للتكيف ومتنبئ متكيف، تحدد دائرة تكيف حجم الخطوة الكمية حجم خطوة التكميم للمكمم التكيفي بالاعتماد على إشارة (ADPCM) عندما يكون حجم خطوة التكميم صغيراً، يتم منع تحديث معاملات التوقع المنتجة في المتنبئ التكيفي، وذلك اعتماداً على إشارة مُعاد بناؤها وإشارة خطأ مُعاد بناؤها مشتقة من إشارة (ADPCM)، ويتم تحديث معاملات التوقع فقط بالاعتماد على وظيفة التسرب وهذا يتيح إمكانية التتبع المحسن الذي يمكن تحقيقه من خلال ترتيب (ADPCM).

1. التشفير – ADPCM Encoder:

يبدأ ضغط (ADPCM) بمقارنة العينة الحالية بالقيمة المقدرة للعينة السابقة ثم يتم تقديم الفرق إلى منطق المشفر إلى جانب حجم الخطوة في الوقت الحاضر للعينة المقدرة من البيانات المشفرة من العينة السابقة والتقدير السابق، يتم إجراء العينة بواسطة وحدة فك التشفير باستخدام البيانات المشفرة للعينة السابقة، وبالمثل تُحسب القيمة المقدرة للعينة السابقة أيضاً عن طريق فك الشفرة المشفرة من العينة السابقة، ويوجد أيضاً مفكك تشفير كامل في مشفر (ADPCM) هذا يضمن ذلك وحدة فك التشفير والمشفرة في حالة التزامن دون الحاجة إلى إرسال أي بتات إضافية.

خوارزمية ترميز – ADPCM Encoding:

تبدأ عملية الترميز بقبول عينة صوت (8 بت) ثم المشفر يستعيد القيمة المتوقعة للعينة الجديدة وحجم الخطوة الجديد من العينة السابقة، بعدما يقارن قيمة العينة الفعلية وقيمة العينة المتوقعة للعينة السابقة والحصول على الفرق بين الاثنين، ثم يجد القيمة المطلقة للفرق والمجموعة (Bits) الإشارة للعينة المشفرة وفقاً لذلك وترميز الفرق باستخدام حجم الخطوة ويتم تخزين الكود المشفر لاسترداد البيانات بعد فك التشفير.

الشفرة المشفرة من أربعة بتات فقط تُستخدم ثلاث بتات للسعة والبت الرابعة كمؤشر، وفك تشفير الشفرة المشفرة للتنبؤ بهذه العينة لمقارنتها مع العينة الجديدة للحصول على الفرق، عملية حساب حجم الخطوة للعينة التالية أثناء التصنيع تُأكد من أّنه لا يفيض وفي النهاية تقوم وظيفة التشفير بإرجاع رمز (8 بت) بقيمة (4 بت ADPCM) وأعلى (4 بتات مثل 0000).

2. فك التشفير – ADPCM Decoder:

يقوم جهاز فك التشفير بعكس ما يفعله برنامج التشفير، التشفير يرمز للفرق الخطي بين العينة الحالية والعينة السابقة المقدرة باستخدام حجم الخطوة المقدر للعينة الحالية وتم الحصول عليها من عينة مشفرة سابقة، فك ترميز البيانات المشفرة إلى فرق العينة الحالية والعينة السابقة المقدرة باستخدام حجم الخطوة للعينة الحالية التي تم الحصول عليها من العينة السابقة تماماً بنفس طريقة استخدام برنامج التشفير لها، القيمة المشفرة للعينة السابقة يُضاف في هذا الاختلاف بين العينة الحالية والعينة السابقة المقدرة لفك الشفرة التي تم الحصول عليها (8bit) قيمة العينة الحالية.

يعمل (ADPCM) عن طريق حساب الفرق بين عينتين متتاليتين في كود النبض القياسي التعديل (PCM) ورموز خطأ الزيادة التالية في العينة المتوقعة (من الزيادة السابقة في العينة) إلى الزيادة الحقيقية في العينة، عادةً ما يتم استخدام الرمز الثنائي للتشفير كخطأ التنبؤ ويُمكن استخدام (ADPCM) جنباً إلى جنب مع مضاعفة تقسيم الوقت (TDM) إلى الاستفادة من عرض النطاق الترددي المحفوظ.