home *** CD-ROM | disk | FTP | other *** search
/ Programmer 7500 / MAX_PROGRAMMERS.iso / PROGRAMS / UTILS / HAMRADIO / ADPCMTXT.ZIP / ADPCMTXT
Encoding:
Text File  |  1988-06-09  |  13.1 KB  |  233 lines

  1.  
  2.  
  3.  
  4.                      ADPCM Equipment for 9.6-Kbps Data
  5.  
  6.               The ADPCM algorithm proposed by OKI Electric of
  7.               Japan seems to be a formidable alternative for the
  8.               standard.
  9.  
  10.          (an article taken from Telephony magazine, September 1987)
  11.  
  12.          [+] by Yoshihiko Yokoyama
  13.  
  14.            In 1982, the CCITT started work on developing a second
  15.          digital encoding standard for speech, after decades of
  16.          extensive use of PCM at 64 kbps in the A-law or u-law
  17.          formats.  The result of that effort was, the encoding
  18.          standard of the 32-kbps ADPCM algorithm, known as CCITT
  19.          recommendation G.721.  It was recognized from the beginning
  20.          that the algorithm should maintain adequate performance for
  21.          voice-band data signals, although it was acknowledged that
  22.          such signals were limited to data rates of up to 4800 bps for
  23.          the state-of-the-art ADPCM algorithms.  This has resulted in
  24.          a virtual hesitation of widespread application of the
  25.          standard in the public switched telephone networks (PSTNs),
  26.          for which it was intended.  Network operators have concluded
  27.          that a fast-growing need exists for transmitting data at 9600
  28.          bps for their customers, and using G.721 makes that
  29.          impossible.
  30.            Susequently, the CCITT has embarked on a course of defining
  31.          a digital encoding standard for digital circuit
  32.          multiplication equipment (DCME), which combines time
  33.          assignment speech interpolation (TASI) and a low-rate
  34.          encoding technique such as ADPCM to form a very efficient
  35.          means of transmitting speech.  How to transmit data in such a
  36.          system has been the subject of considerable debate and
  37.          extensive effort by many experts in the field.  It should be
  38.          pointed out that, similar to the transcoding standard of
  39.          G.721, interfacing with the DCME must be accomplished by
  40.          means of an A-law or u-law encoded PCM signal format.
  41.            The need for transmitting data up to 9600 bps has been
  42.          recognized, and three algorithms have undergone scrutiny by a
  43.          group of experts in the field.  Two of the algorithms have
  44.          the inherent capability of transmitting 9600-bps voice-band
  45.          data at the 32-kbps rate, whereas the third algorithm under
  46.          consideration is G.721, which does not have that capability.
  47.  
  48.          [+] PRESENT STANDARDIZATION EFFORTS
  49.  
  50.          DCME Aspects
  51.  
  52.             A DCME system is basically an all-digital implementation of
  53.          the old concept of TASI.  DCME systems operate on the
  54.          statistical behavior of a group of talkers in a communication
  55.          system.  This is characterized by the average time that a
  56.          talker on a connection is actually active, nominally assumed
  57.          to be 35-40 percent of the total time the circuit is used for
  58.          a call.  Thus, the remaining time is available for
  59.          time-interleaving the speech of other talkers.  On the
  60.          average, circuit usage can be increased or multiplied by a
  61.          factor called digital speech interpolation (DSI) gain.  Gain
  62.          factors between 2 and 2.5 are commonly used, but these gain
  63.          factors are dependent on the actual speech activity exhibited
  64.          by the talkers.  The larger the group of talkers, the more
  65.          statistical stability is attained, and individual
  66.          fluctuations in speech activity can be accommodated by the
  67.          system.  Long talk spurts by one talker are simultaneously
  68.          compensated by silence or shourt spurts by another.
  69.            Short durations of active speech, more than can be
  70.          accommodated by available transmission capacity, do occur.
  71.          Without "special means," this would result in what is known
  72.          as clipped speech.  In DCME, this special means is provided by
  73.          instantly reducing the coding rate of one or more channels
  74.          (talkers).  That is, when the DCME operates nominally with
  75.          ADPCM at 32 kbps during overload, this rate is reduced to
  76.          24 kbps for one or more channels.  As sampling occurs at 8000
  77.          times per second, this means that the nominal channel being
  78.          encoded at 4 bits/sample is reduced to encoding at 3
  79.          bits/sample during overload.  This brings about a small
  80.          degradation in performance by increased quantizing noise, but
  81.          it occurs only sporadically due to the statistical nature of
  82.          the phenomenon.  Therefore, it is virtually imperceptible as
  83.          long as the signal load to the DCME is strictly speech.  When
  84.          an appreciable part of the DCME load is data (more than 20
  85.          percent), special precaution must be taken to prevent
  86.          noticeable degradation, because data signals do not exhibit
  87.          the same on-off activity as speech.  In fact, data are
  88.          considered, generally, as being 100 percent active, thus
  89.          providing no bearer circuit-sharing capability.
  90.            When the DCME load is a mix of speech and data, it is clear
  91.          overload will occur more often for the speech signals,
  92.          resulting in an associated decrease in performance in the
  93.          form of higher quantizing distortion.  The choice of ADPCM
  94.          algorithm for the DCME has an important bearing on this
  95.          problem.
  96.  
  97.          [+] CCITT EFFORTS
  98.  
  99.            The CCITT is considering using the basic G.721 algorithm
  100.          for speech at 32 kbps for DCME, but due to that algorithm's
  101.          inablity to handle 9600-bps data at 32 kbps, encoding at 40
  102.          kbps per channel is needed for data signals at such rates.
  103.          This is clearly having a more profound influence on the use
  104.          of available bearer transmission capacity than if encoding of
  105.          data could be limited to using the 32-kbps bearer rate per
  106.          channel.  For example, a 60-channel DCME system employing a
  107.          proprietary ADPCM developed by OKI Electric of Japan can
  108.          accommodate 10 percent data traffic up to 9.6 kbps, whereas
  109.          G.721 ADPCM can only accommodate 6.7 percent data and
  110.          maintain the same speech performance.  Moreover, the DCME
  111.          design is considerably simpler with the proprietary ADPCM,
  112.          since there is no need to reconfigure the frame structure for
  113.          including 5-bit/sample encoding for data.
  114.            Another aspect of ADPCM in DCME systems is the need to
  115.          tandem such systems for multilink networking purposes.  It
  116.          can generally be argued that no more than two DCME links
  117.          should be allowed to be switched in any end-to-end
  118.          connection.  If such switching is performed by an analog
  119.          switch (asynchronous tandeming), an accumulation of
  120.          distortion will be experienced in the second link.
  121.          However, if a digital switch would be employed, directly
  122.          operating on the PCM output of the first DCME link, passing
  123.          it digitally on to the second link (synchronous tandeming),
  124.          no additional distortion will be experienced.  Both the OKI
  125.          ADPCM and the G.721-related technique in DCME application
  126.          will have the "synchronous" capability as an inherent part of
  127.          the design.  A third algorithm, mentioned earlier, does, not
  128.          possess that capability, and it will not be discussed.
  129.            Digital switching will increasingly be employed in the
  130.          public networks.  Therefore, the loss of performance due to
  131.          asynchronous tandeming, if it occurs at all, may only be
  132.          temporarily experienced and should not pose a serious
  133.          concern.  This aspect of tandeming is not uniquely related to
  134.          DMCE systems.  Any application of 32 kbps could encounter the
  135.          need for tandeming in a network.  As digital switching will
  136.          be increasingly applied, either by replacing analog switches
  137.          or in new installations, the advantage of the ADPCM technique
  138.          will be even more evident because of its capability of
  139.          transmitting up to 9.6-kbps voice-band data signals.
  140.            The CCITT nevertheless has decided to hold on to the G.721
  141.          technique, even though a clearly superior technique in now
  142.          available.
  143.  
  144.          [+] OKI ADPCM
  145.  
  146.          PERFORMANCE
  147.  
  148.          Data
  149.  
  150.            Extensive performance measurements have been made in a
  151.          carefully assembled test bed at COMSAT Laboratories. (This
  152.          test bed received approval by the organizations that
  153.          submitted ADPCM equipment for evaluation and comparison in a
  154.          CCITT context.  This made comparisons between algorithms
  155.          valid and accurate.)  The circuit in which the ADPCM
  156.          equipment was tested included a simulated analog access link
  157.          which introduced typical distortion effects (analog
  158.          impairments) that a voice-band data signal may experience
  159.          before being encoded by the ADPCM link.
  160.            The typical performance after encoding by OKI ADPCM of a
  161.          CCITT V.29 modem (The V.32 modems will perform even better
  162.          than V.29 modems because of their inherent design.  Thus,
  163.          V.29 performance shown (graphs are not shown here in this
  164.          text due to the inablility to draw or copy it here with
  165.          this word processor) here is more critical to the user.)
  166.          in terms of block error rate (BLER), as a function of S/N
  167.          ratio of the data signal in the analog impairment circuit
  168.          (i.e, just before being encoded), is illustrated in figure 1.
  169.          Ther lower curve shown resulted after a single ADPCM
  170.          encoding, whereas the higher curve resulted after a second
  171.          ADPCM link was added to the first by means of an analog
  172.          interconnection between the two links.  Thus, this second
  173.          curve is the result of asynchronous tandeming of two links.
  174.          The curve showing single encoding perfomance applies also for
  175.          the case of multiple encodings via digital switches, referred
  176.          to as synchronous tandeming.  A reference performance
  177.          threshold of BLER = 10-2nd power at S/N =30.5 db (this
  178.          reference point was selected by an SG XVIII expert group.) is
  179.          well met by both curves.  This indicates the excellent
  180.          capability of the ADPCM equipment for transmitting 9.6-kbps
  181.          V.29 signals.
  182.            The performance of a V.29 modem operating at the back-off
  183.          rate of 4.8-kbps tandem through four asynchronous encodings
  184.          of the ADPCM equipment is shown in figure 2.  For comparison,
  185.          the dashed curve in fig. 2 shows the performance of the same
  186.          modem when four asychronous links of G.721 ADPCM equipment
  187.          are substituted for the OKI equipment.  At S/N values to be
  188.          expected in the networks, the OKI advanced ADPCM can perform
  189.          two or more orders of magnitude better than G.721.  This may
  190.          not be required for this modem speed, but it is simply a
  191.          consequence of its inherently more powerful predictor than
  192.          that employed in G.721, and, as such, it provides an
  193.          increased performance margin.
  194.  
  195.          Voice
  196.  
  197.            When considering ADPCM designs, the primary purpose has
  198.          always been to provide high performance for voice signals.
  199.          This objective has unquestionably been attained by the
  200.          G.721 designers.  Extensive subjective tests have proven
  201.          the algorithm delivers the speech performance required for
  202.          the networks.
  203.            Similarly, the OKI ADPCM equipment provides the required
  204.          performance when speech is transmitted through it.  Tests
  205.          similar to those used for evaluating the G.721 algorithm have
  206.          been performed with the OKI ADPCM equipment, particulary for
  207.          the English and Japanese languages.
  208.  
  209.          DCME Gain
  210.  
  211.            As has been pointed out earlier in the article, when
  212.          applied in DCME systems, the proprietary ADPCM technique
  213.          offers the advantage of encoding all voice-band data by using
  214.          only only 4 bits/sample.  This offers a bearer-channel
  215.          efficiency advantage of up to 20 percent when transmitting 60
  216.          channels with 20 percent data.  This includes a
  217.          bearer-capacity increase to avoid speech degradation.  Such
  218.          an advantage may be particularly important for countries that
  219.          may want to minimize their cost of communication.
  220.            It should be emphasized, however, that without DCME, the
  221.          main advantage of the propietary ADPCM resides in its
  222.          capability of transmitting up to 9.6-kbps voice-band data.
  223.          This has an important bearing on networks, since meeting
  224.          this requirement is or will become indispensable.
  225.  
  226.          -------------------------------------------------------------
  227.  
  228.          Yoshihiko Yokoyama is the General Representative for OKI
  229.          America, Inc., New York office.
  230.  
  231.          --------------------------------------------------------------
  232.  
  233.