Модуль сжатия речевых сигналов цифровой атс. Дельта - модуляция с инœерционным компандированием

Дельта-сигма модуляция - это экономичный метод преобразования аналогового сигнала в цифровой. Несмотря на то, что теория ее была разработана еще в первой половине ХХ века, только в последнем десятилетии этот метод кодирования аналоговых сигналов начал находить применение на практике. Все чаще в последнее время встречается термин дельта-сигма модуляция - в описании формата новых SACD аудиодисков, в сверхточных и малошумящих АЦП и ЦАП, в профессиональной звукозаписывающей аппаратуре. Поэтому имеет смысл оценить дальнейший путь развития этого метода аналогово-цифрового преобразования.

Введение

Начнем с краткого исторического обзора. В 1939 году Джоном Ривзом из лаборатории Александра Г. Бэлла был изобретен способ преобразования и передачи аналоговых телефонных сигналов в виде дискретных импульсов, названный впоследствии импульсно-кодовой модуляцией (ИКМ). Позднее появилась идея передавать не абсолютное значение сигнала в каждый момент времени, а лишь его изменение относительно предыдущего значения (дифференциальная ИКМ - ДИКМ). Но ДИКМ была все еще многобитной системой. Следующим шагом по направлению к дельта-сигма модуляции стала разработка принципов дельта-модуляции, где изменение сигнала передается всего лишь 1 битом информации. С него и имеет смысл начать.

Дельта-модуляция

Рассмотрим блок-схему дельта-модулятора, изображенную на рис. 1. Принцип его действия можно описать следующим образом: на основании некоторого набора предыдущих выборок сигнала делается предположение о последующей. Затем предполагаемое значение сравнивается с фактическим и выносится решение о знаке их различия, что и является выходным сигналом.

Рис. 1. Блок-схема дельта-модулятора: ФНЧ - фильтр низких частот

Напряжение входного сигнала подается на вычитатель, где из него вычитается аппроксимирующее напряжение, созданное на основании предыдущих значений сигнала. Далее разность поступает на стробируе-мый компаратор, где сравнивается с нулевым уровнем. Таким образом, логическая единица на выходе компаратора означает, что эта разность положительна или что входной сигнал больше предполагаемого (аппроксимирующего), а логический ноль, соответственно, означает, что входной сигнал меньше аппроксимирующего. Далее последовательность нулей и единиц поступает на однобитный местный ЦАП, который обычно представляет из себя преобразователь уровней одно-полярного напряжения (лог. «0» и лог. «1») в двухполярное (±ипит). С выхода ЦАП сигнал поступает на вход интегратора, на выходе которого формируется аппроксимирующее напряжение, с заданной точностью повторяющее входное. Точность определяется частотой стробирования компаратора и шагом приращения напряжения в интеграторе. Схема приемной части состоит из однобитного ЦАП, интегратора и ФНЧ.

Эта схема имеет ряд существенных недостатков, которые препятствовали ее применению в аппаратуре аналогово-цифрового преобразования. Попытки ее модернизации привели к переходу от дельта-модуляции к дельта-сигма модуляции.

Дельта-сигма модуляция

Дельта-сигма модуляция обладает всеми достоинствами дельта-модуляции и в то же время лишена многих ее недостатков. Для того чтобы разобраться в ее структуре и понять, как был выполнен переход от схемы дельта-модулятора к схеме дельта-сигма модулятора (ДСМ), можно рассуждать следующим образом. Как известно, дельта-модулятор пригоден для работы только с хорошо коррелированными сигналами, поэтому для повышения кор-релированности входного сигнала его можно пропустить через интегратор, а на приемной стороне выходной преобразованный сигнал пропустить, соответственно, через дифференциатор (рис. 2).

Рис. 2. Переход от дельта-модулятора к дельта-сигма модулятору

Поскольку разность интегралов равна интегралу разности, то два интегратора на входах вычитателя можно заменить одним на его выходе. Что касается дифференциатора на приемной стороне, то он вместе с приемным интегратором может быть исключен. Таким образом, схема ДСМ, изображенная на рис. 3, отличается от дельта-модулятора положением интегратора на передающей стороне и его отсутствием на приемной. Такое незначительное изменение в схеме значительно улучшило ее характеристики и, в частности, позволило достичь отношения сигнал/шум -120 дБ.

Рис. 3. Схема дельта-сигма модулятора

Рассмотрим работу схемы ДСМ. Когда образуется высококоррелированный сигнал, то коррелированными оказываются не только его отсчеты, но и ошибки при каждом квантовании. Следовательно, их легко предсказать и вычесть из сигнала, отправляемого на устройство квантования, прежде чем произойдет квантование. Хорошей оценкой текущей ошибки в таком случае выступает предшествующая ошибка. Предшествующая ошибка, образованная как разность между входом и выходом устройства квантования, помещается в схему задержки (триггер). Таким образом, в контуре обратной связи циркулирует сигнал ошибки.

Выходной сигнал ДСМ представляет собой однобитный поток импульсов. Рассмотрим его в терминах теории вероятности. Так, вероятность появления в потоке логической единицы P(1) и вероятность появления логического нуля P(0) связаны следующим выражением: P(0)+P(1) = 1. Более того, если на вход модулятора подается сигнал ж (ограниченный в динамическом диапазоне 0-1), то вероятность P(1) = х, а P(0) = (1-х). Иными словами, чем плотнее представлены импульсы определенной полярности в потоке, тем выше уровень сигнала в этот момент. Нулевой уровень сигнала кодируется одинаковой плотностью положительных и отрицательных импульсов. Импульсные последовательности при кодировании синусоидального напряжения представлены на рис. 4. Видно, что плотность положительных и отрицательных импульсов одинакова в точках, близких к 0, плотность отрицательных импульсов максимальна в точке -1, и плотность положительных импульсов максимальна в точке +1.

Рис. 4. Осциллограмма выходного сигнала дельта-сигма модулятора

Такие особенности позволяют кодировать в формате дельта-сигма модуляции сигналы с частотой от 0 до 100 кГц. В частности, прямоугольное аналоговое напряжение и уровни постоянного напряжения, последнее актуально при применении дельта-сигма модуляции в датчиках медленно меняющихся сигналов. Демонстрационные материалы из документа о формате дельта-сигма модуляции Square-wave reproduction, опублико

ванного на сайте фирмы Philips, результаты которых изображены на рис. 5, подтверждают вышесказанное. Здесь показано, как прямоугольное напряжение частотой 10 кГц проходит через цепь кодер-декодер в форматах ИКМ (16 бит, 44 кГц), ИКМ (24 бита, 96 кГц) и в формате дельта-сигма модуляции (2,8 МГц). Причем в ИКМ-формате на выходе получается сигнал синусоидальной формы, в то время как в формате дельта-сигма модуляции сигнал воспроизводится ближе всего к исходному.

Рис. 5. Результаты тестирования

Шумы

Исследование шумов в ДСМ заслуживает отдельного рассмотрения. Ведь методы достижения отношения сигнал/шум -120 дБ при разрядности 1 бит представляют известный интерес. В 1954 году С. Катлер из той же лаборатории Александра Бэлла предложил концепцию передискретизации и формирования спектра шума. Как известно, каждый дополнительный бит при преобразовании аналогового сигнала в цифровой добавляет 6 дБ к отношению сигнал/шум (рис. 6а). Одним из основополагающих принципов дельта-модуляции является превышение частоты Котельникова в К раз. При такой передискретизации эффективная разрядность, а соответственно, и отношение сигнал/шум, увеличивается согласно формуле К = 2 м, где К - коэффициент передискретизации, а N - количество дополнительных битов. Обычно применяется К = 64, и в этом случае эффективная разрядность будет 7 бит, а отношение сигнал/шум будет равно 42 дБ (рис. 6б). Однако передискретизация сама по себе не является эффективным средством. Дальнейшее подавление шума производится благодаря самой структуре дельта-сигма модулятора. В иностранной литературе часто применяется термин «нойзшейпинг», что означает формирование спектра шума. Чтобы понять, как именно происходит формирование, используем линеаризованную дискретную модель системы, в которой входной сигнал представлен последовательностью ж(п), выходной сигнал у(х) и шум квантования, вносимый компаратором и триггером, - е (п), что изображено на рис. 7.

Рис. 6. Спектры выходного сигнала

Рис. 7. Схема линеаризованной дискретной модели системы

Рассмотрим Z-преобразование этой системы дельта-сигма модулятора:

Видно, что полезный сигнал Х(t) проходит эту цепь без изменений, с задержкой на 1 такт, в то время как для шума возникает препятствие в виде ФНЧ. Таким образом, осуществляется формирование спектра шума в дельта-сигма модуляторе. Интегратор в данном случае выступает в качестве ФНЧ для шумовой составляющей сигнала. Энергия шума сосредотачивается в области верхних частот, и большая ее часть может быть отфильтрована выходным ФНЧ (рис. 6в). Таким образом, в выходном сигнале после демодулирования дельта-сигма последовательности наблюдается намного более низкий уровень шума, чем можно было бы предполагать. Следующим шагом по улучшению параметров по шумам является повышение порядка модулятора. Следует особо отметить, что дельта-сигма АЦП с высочайшей (24 бита) эффективной разрядностью можно построить, всего лишь используя интегратор и стробируемый компаратор.

Информационные параметры

Еще одним важным на сегодня параметром сигнала является его информационная емкость. Здесь следует отметить, что сигнал в формате дельта-сигма модуляции не требует кадровой синхронизации, а значит, считывать его можно в любой момент времени в записи или в канале передачи. В этом его сходство с аналоговым сигналом. Еще одно важное его отличие - это факт одинаковой информационной емкости каждого бита в потоке, что повышает помехоустойчивость сигнала в формате дельта-сигма модуляции.

Оценим теперь информационные параметры сигнала. В качестве требуемого диапазона возьмем порог слышимости, принятый в различных стандартах звукозаписи, - 22 кГц. Частота Котельникова в ИКМ для такого диапазона, следовательно, будет равняться 44 кГц. Оверсэмплинг в формате дельта-сигма модуляции (например, SACD фирмы Sony) предполагает 64-кратное увеличение частоты Котельникова. Таким образом, получается, что частота дискретизации в формате дельта-сигма модуляции с овер-сэмплингом будет равна 2,82 МГц для передачи диапазона от 0 до 22 кГц. Учитывая, что передача цифровых сигналов в обоих форматах ведется в последовательном режиме, оценим количество бит в секунду. При последовательной передаче в формате ИКМ 44 кГц/16 бит поток равен 705 кБод, в формате дельта-модуляции - 2,8 мБод. Однако качество сигнала в формате дельта-модуляции 2,8 МГц приближается к качеству сигнала в формате ИКМ - 192 кГц/24 бита, поток которого составляет уже 4,8 мБод. Также следует учесть, что, в отличие от дельта-сигма модуляции, при передаче ИКМ-сигналов требуется жесткая кадровая синхронизация.

Применение

В настоящее время дельта-сигма модуляторы широко применяются в системах аналогово-цифрового и цифро-аналогового преобразования благодаря чрезвычайно простой архитектуре при высокой разрядности (как было сказано выше) и высокому отношению сигнал/шум. И хотя такие системы пользуются сейчас заслуженной популярностью, сама по себе дельта-сигма модуляция как метод передачи и хранения информации остается пока лишь вспомогательной, второстепенной технологией. Пожалуй, единственным примером полноценного использования дельта-сигма модуляции в области записи данных является разработка фирмы Sony под названием Super Audio Compact Disk (SACD), призванная заменить популярную, но уже устаревающую технологию Audio Compact Disk (Audio CD). Не вдаваясь в особенности этой технологии, скажем лишь, что информация на таком диске записана в формате дельта-сигма модуляции, что, по оценкам некоторых специалистов, обеспечивает более реалистичное звучание, чем при обычной, даже сверхвысококачественной записи в формате ИКМ. На рис. 8 приведены спектры шумов в различных форматах на выходе профессиональной звуковоспроизводящей аппаратуры. Нетрудно заметить, как энергия шума сосредоточена преимущественно в области частот более 20 кГц.

Рис. 8. Спектры шума в различных форматах

Однако как бы ни был хорош формат дельта-сигма модуляции, все существующие системы сбора, обработки и передачи информации предназначены для работы с сигналами в формате ИКМ. И даже в технологии SACD мастеринг записи и любые другие операции над записанными данными, вплоть до регулировки громкости, происходят в формате ИКМ. Это, конечно же, сводит на нет многие плюсы формата дельта-сигма модуляции и ставит под сомнение заявленный выигрыш в реалистичности записи. В настоящее время системы вида «АЦП-обработка, передача или хранение сигнала ЦАП» строятся так, как показано на рис. 9а.

Рис. 9. Структуры «кодер - ЦСП - декодер»: ДСДМ - дельта-сигма демодулятор; ЦСП - цифровой сигнальный процессор

Сначала аналоговый сигнал поступает на дельта-сигма модулятор, преобразовывается в 1-битный цифровой поток, поступает на фильтр-преобразователь, который производит одновременно и цифровую фильтрацию высокочастотной шумовой составляющей сигнала, и преобразование в многоразрядный ИКМ-код. Обычно он строится по схеме, в англоязычной литературе именуемой Integrate and Dump (или, в переводе на русский, схема накопления и сброса), выполненной на двоичном счетчике и регистре. Далее многоразрядный ИКМ-код подвергается любым математическим операциям, передается по линии связи или сохраняется в памяти. При обратном преобразовании полученные отсчеты сигнала интерполируются и снова преобразовываются в битовый поток с помощью сложного цифрового ДСМ. Ну, а с его выхода сигнал поступает на демодулятор, который представляет собой фильтр нижних частот.

С появлением прецизионных и дешевых дельта-сигма АЦП и ЦАП возникает возможность избавиться от лишних ступеней преобразования форматов и перейти к новой схеме обработки и передачи сигналов уже без формата ИКМ. На рис. 9б изображена такая схема. Поток с выхода дельта-сигма модулятора поступает непосредственно на вход специального сигнального процессора (или ПЛИС) и на приемной стороне дельта-сигма ЦАП.

Однако попробуем разобраться, какие препятствия стоят на пути подобного упрощения системы, и рассмотрим их по порядку. Во-первых, пока не существует отработанных методов цифровой обработки дельта-сигма потоков для многих важных операций. Во-вторых, существующие методы не позволяют поддерживать качество обработанных с их помощью сигналов на приемлемом уровне. Иными словами, при выполнении каждой операции прямой обработки дельта-сигма сигналов существенно возрастает уровень шумов в сигнале.

Итак, какие же операции может выполнять разработчик над дельта-сигма сигналами? Одной из методик цифровой обработки дельта-сигма модулированных сигналов является так называемый метод Кувараса. Пусть Х п и У п - две синхронные дельта-сигма последовательности. Для их сложения используем полный двоичный одноразрядный сумматор, описываемый выражениями:

S = X n Y n v X n C n-1 v Y n C n-1 ,
C n = X n ⊕ Y n ⊕ C n-1 .

Видно, что кроме сумматора требуется еще элемент задержки на 1 такт, роль которого выполняет триггер. Таким образом, схема сумматора двух дельта-сигма потоков будет выглядеть, как показано на рис. 10.

Рис. 10. Сумматор дельта-сигма потоков

После демодулирования потока S n получается сигнал, равный полусумме X n и Y n , который описывается следующим выражением:

S(t) = (x (t)+y (t))/2+(e 1 (t)+e 2 (t))/2,

где e 1 (t) и e 2 (t) - ошибки квантования сигналов x (t) и y (t). Уменьшить эти ошибки в k раз можно, подавая на тактовый вход триггера сигнал с частотой, в k раз превышающей f квантования. Однако следует учесть, что с каждым последующим сложением ошибка будет все больше возрастать, а значит, будет повышаться и уровень шумов.

Также, используя несколько вышеописанных сумматоров, базисные сигналы x (n), x(n) и нулевую дельта-сигма последовательность (101010___), можно построить умножитель ax(n), где 0 < a < 1, кратный 2 n . Как можно заметить, умножение на коэффициент меньше 1 равносильно ослаблению сигнала. Но что делать, если сигнал необходимо усилить, то есть умножить его в 2, 3, 4 раза? В ходе анализа существующих научных работ по обработке сигналов в формате дельта-сигма модуляции выяснилось, что к настоящему моменту методы умножения на коэффициент больше 1 не публиковались. Автор берет на себя смелость высказать несколько собственных соображений по этому вопросу. Поскольку, как уже говорилось, уровень сигнала описывается плотностью импульсов, то, вероятно, умножение сигнала на коэффициент есть не что иное, как повышение плотности импульсов в n раз. Подобная задача решается с помощью схемы, изображенной на рис. 11, которая состоит из n D-триггеров и n-входового логического элемента «исключающее ИЛИ», таблица истинности которого приведена в таблице 1.

Таблица 1. Таблица истинности 3-входового элемента

X1	X2	X3	Y
0	0	0	0
0	0	1	1
0	1	0	1
0	1	1	0
1	0	0	1
1	0	1	0
1	1	0	0
1	1	1	1

Рис. 11. Схема умножителя на 3

Приведем наглядный пример. Когда в устройство попадают единичные импульсы, разделенные большим количеством нулевых, на выходе плотность единичных импульсов увеличивается в данном случае втрое. В дельта-сигма модуляции, как было сказано, уровень сигнала представляется плотностью единичных импульсов. Указанная схема моделировалась в различных компьютерных программах и показала свою работоспособность при сигналах малой амплитуды, симметричных относительно 0.

Следовательно, увеличивается и уровень сигнала в данном временном окне. Графики сигналов представлены на рис. 12. Красным цветом примерно обозначено соответствующее аналоговое напряжение.

Рис. 12. Графики входного и выходного сигналов умножителя

При реализации в ПЛИС семейства Spartan 3A обе рассмотренные схемы для обработки дельта-сигма потока требуют значительно меньше аппаратных ресурсов, чем подобные схемы для потока данных в формате ИКМ. Так, например, результаты моделирования двух указанных операций над сигналами S1 и S2 по формуле:

SUM = (3(S1+S2))/2

показаны в таблице 2. (Общие для обеих реализаций элементы в таблице не учтены.)

Таблица 2. Необходимые для различных форматов

Ресурс	ДСМ	ИКМ
FLIP-FLOPS	5	17
LOOK-UP TABLES	5	30
SLICES	4	18

Заключение

Таким образом, получается, что уже на простейших операциях видна значительная экономия ресурсов ПЛИС. Используя умножители, сумматоры и цепи D-триггеров в качестве элементов задержки, можно построить более сложные устройства обработки сигналов в формате дельта-сигма модуляции, которые требуют намного меньше ресурсов ПЛИС. Здесь необходимо учесть, что при увеличении числа операций над дельта-сигма сигналом из-за ошибок пропорционально падает и отношение сигнал/шум. Следовательно, реализация сложных многоступенчатых устройств обработки сигналов становится затруднительной. Это обстоятельство и является главным препятствием, которое необходимо преодолеть исследователям, чтобы формат дельта-сигма модуляции смог стать уверенным конкурентом для ИКМ в области обработки, хранения и передачи аналоговых сигналов.

Литература

1. Погрибной В. А. Дельта-модуляция в цифровой обработке сигналов. М.: Радио и связь, 1990.
2. Zrilich D. G. Circuits and Systems Based on Delta Modulation: Linear, Nonlinear and Mixed Mode Processing (Signais and Communication Technology). Springer, 2005.
3. Schreier R., Temes G. C. Understanding Delta-Sigma converters. Wiley, 2004.
4. Maloberti F., O"Leary P. Processing of signals in their oversampled domain. CICCAS, 1991.

Дельта модуляция

Дельта-модуляция. Метод дельта-модуляции (ДМ) был изобретен более 60 лет назад (в 1946 г.). Эффективным способом преобразования сигналов в цифровую форму является дельта-модуляция, которая иллюстрируется рисунке(см. ниже). В каждый момент отсчета сигнал сравнивается с пилообразным напряжением на каждом шаге дискретизации  . Если отсчет сигнала превышает по амплитуде пилообразное напряжение, то последнее нарастает до следующей точки дискретизации, в противном случае оно спадает. В простейшей системе наклон пилообразного напряжения сохраняется неизменным на всем протяжении процесса. Полученный бинарный сигнал можно рассматривать как производную от пилообразного напряжения. Выбирая достаточно малым значение шага  , можно получить любую заданную точность представления сигнала. Преимущество дельта-модуляции по сравнению, например, с ИКМ , которая также образует бинарный сигнал, заключается не столько в реализуемой точности при заданной частоте дискретизации, сколько в простоте реализации.

Fig. 1 - Block diagram of a Δ-modulator/demodulator

Преобразование сигнала при дельта-модуляции Пилообразное напряжение можно восстановить из бинарного сигнала путем интегрирования, а более гладкая аппроксимация достигается последующим пропусканием сигнала через фильтр нижних частот. Скорость передачи цифровых кодов, необходимую для получения заданного качества, можно значительно уменьшить, используя, например, линейное кодирование с предсказанием. Фактически, дельта-модуляция представляет собой разновидность другого, более известного, способа преобразования - импульсно-кодовой модуляции (ИКМ), в которой число уровней квантования равно двум. При ДМ по каналу связи передается не абсолютное значение сигнала, а разность между исходным аналоговым сигналом и аппроксимирующим напряжением (сигнал ошибки). По сравнению со своими вечными конкурентами, ИКМ и АДИКМ, дельта-модуляция характеризуется меньшей сложностью технической реализации, более высокими помехозащищенностью и гибкостью изменения скорости передачи В простейшем случае принцип простой дельта –модуляции можно пояснить на осциллограммах.

Основной недостаток ДМ состоит в том, что дельта-кодер не успевает отслеживать быстрые изменения уровня сигнала, вследствие чего возникает перегрузка по крутизне. Существует большое число разновидностей ДМ, в которых задействуются различные механизмы устранения этого вида искажений. Большинство из них основаны на использовании мгновенного или инерционного компандирования аналогового сигнала либо адаптивного изменения ступеньки аппроксимирующего напряжения в соответствии с крутизной входного сигнала. На следующем рисунке показано в чем суть данного недостатка.

Структурные схемы модема, те. модулятора и демодулятора, линейной ДМ показаны на рис. 1.3. Входной аналоговый (речевой) сигнал ограничивается по спектру полосовым фильтром Фвх имеющим граничные частоты fн и fв. Этот сигнал преобразуется дельта-модулятором в двоичную последовательность импульсов, которая с помощью интегратора, имеющегося в цепи обратной связи, преобразуются обратно в аналоговый сигнал и вычитается из входного сигнала. В результате формируется сигнал ошибки. Последний кодируется одним из двух возможных уровней квантования в зависимости от его полярности. В результате кодирования на выходе квантователя формируется выходная двоичная последовательность импульсов, которыми представляется знак разности между входным сигналом и сигналом обратной связи. Процесс ДМ является линейным, потому что местный декодер, т.е. интегратор, является линейным устройством (под местным декодером далее понимается схема, включенная в цепи обратной связи модулятора. При линейной ДМ это всего лишь интегратор, но в иных случаях могут быть весьма сложные схемы.) При безошибочной передаче, двоичные импульсы восстанавливаются на приемной стороне и поступают на местный декодер (интегратор) для формирования сигнала, который отличается от исходного на сигнал ошибки в модуляторе. Выходной демодулированый сигнал получается после фильтра нижних частот (ФНЧ), включенного на выходе местного декодера с целью устранения высокочастотных составляющих шума квантования. Дельта-модулятор функционирует как аналого-цифровой преобразователь, который аппроксимирует аналоговый сигнал x(t) линейной ступенчатой функцией. Для обеспечения хорошей аппроксимации сигнал x(t) должен меняться медленно относительно скорости стробирования. Это требует, чтобы его частота дискретизации была бы в несколько раз (не менее 5) больше частоты Ко-тельникова. На. рис. 1.4 показано, как изменяются во времени сигналы в некоторых точках схемы дельта-модулятора при исходном гармоническом сигнале. Для удобства элементы выходной двоичной последовательности представлены импульсами, имеющими пренебрежимо малую длительность т. Если в некоторой тактовой точке сигнал ошибки e(t)>0, на выходе дельта-модулятора появится положительный импульс. В результате интегрирования этого импульса аппроксимирующее напряжение у(t) увеличивается на одну положительную ступеньку. Это приращение напряжения у(t) далее вычитается из сигнала x(t), и тем самым изменяется абсолютное значение сигнала ошибки. До тех пор, пока e(t)>0, в последующих тактах будет формироваться непрерывная последовательность положительных импульсов. В конце концов, аппроксимирующее напряжение y(t) окажется больше исходного сигнала x(t), и сигнал ошибки e(t) в этом такте изменит знак. Поэтому на выходе модулятора появится отрицательный импульс, что приведет к уменьшению аппроксимирующего напряжения у ft) на один шаг квантования Δ. Следовательно, дельта-модулятор стремится минимизировать сигнал ошибки. Модулятор стремится сформировать такую структуру последовательности L(n), чтобы ее среднее значение было примерно равно среднему значению крутизны гармонического сигнала за короткий интервал времени. Это обстоятельство иллюстрируется на рис. 1.5. Одиночный импульс последовательности L(n) формирует на выходе интегратора перепад аппроксимирующего напряжения с амплитудой Δ=Vτ вольт. Тогда на интервале длительностью Т среднее значение последовательности L(n) может быть теперь записано как 0.4Δ /Т. Изменение же исходного сигнала x(t) за гот же интервал времени составляет ЗА. что соответствует средней крутизне 0,3Δ/Т, являющейся приближением к среднему значению последовательности L(n). ЕСЛИ Δ мало, а fд велико, то это приближение улучшается. На интервале времени в 10 тактов между моментами t3 и t4 крутизна сигнала x(t) равна 0.1Δ/T а среднее значение последовательности L(n) равно 0,2Δ/Т. Однако если среднее значение последовательности L(n) вычисляется на интервале между моментами t5 и t6 то оно равно нулю, тогда как средняя крутизна сигнала x(t) свидетельствует о целесообразности минимизации величены Δ при условии, что сохраняется возможность слежения за исходным сигналом x(t). Демодулятор. Демодулятор линейной ДМ состоит из интегратора и полосового фильтра. Предполагая, что передача последовательности L(n) осуществляется без ошибок, в результате ее восстановления на приемной стороне получим аппроксимирующее напряжение y(t). Этот сигнал y(t) тождественен сигналу обратной связи в модуляторе, Поскольку сигнал y(t) отличается от исходного сигнала x(t) на относительно небольшое значение сигнала ошибки e(t), то можно заключить, что сигнал на выходе интегратора демодулятора является хорошим воспроизведением исходного аналогового сигнала.. Ступенчатая форма сигнала y(t) сглаживается при прохождении этого сигнала через фильтр с полосой пропускания, равной полосе частот сигнала, т.е. фильтры Фвх и Фвых можно считать идентичными. Дальнейшее упрощение в демодуляторе связано с заменой выходного полосового фильтра фильтром нижних частот. Это связано с тем, что шум ниже частоты fн в общем не очень существенен. Простота демодулятора линейной ДМ является одним из достоинств, особенно когда интегратор можно реализовать всего из одного резистора и одного конденсатора.

Wikimedia Foundation . 2010 .

Смотреть что такое "Дельта модуляция" в других словарях:

Дельта модуляция, дельта модуляции … Орфографический словарь-справочник

дельта-модуляция - — Тематики электросвязь, основные понятия EN delta modulation …

Технологии модуляции п·Аналоговая модуляция AM · SSB · ЧМ(FM) · ЛЧМ · ФМ(PM) · СКМ Цифровая модуляция АМн … Википедия

дельта-модуляция - delta moduliavimas statusas T sritis automatika atitikmenys: angl. delta modulation vok. Deltamodulation, f; Dreieckmodulation, f rus. дельта модуляция, f pranc. modulation delta, f … Automatikos terminų žodynas

дельта-модуляция - де/льта модуля/ция, де/льта модуля/ции (δ модуля/ция) … Слитно. Раздельно. Через дефис.

дельта-модуляция сигнала электросвязи - Дифференциальная импульсно кодовая модуляция сигнала электросвязи, при которой разность между текущими и предсказанными значениями этого сигнала квантуется с использованием только двух уровней квантования сигнала электросвязи. [ГОСТ 22670 77]… … Справочник технического переводчика

дельта-модуляция с непрерывно изменяемой крутизной наклона - Дельта модуляция с инерционным компандированием по крутизне, при которой размер шага аппроксимации выбирается в зависимости от скорости нарастания/спадания входного аналогового сигнала. Данный метод модуляции применяется в речевых кодеках ряда… … Справочник технического переводчика

дельта-модуляция с внешним управлением компандированием - — [Л.Г.Суменко. Англо русский словарь по информационным технологиям. М.: ГП ЦНИИС, 2003.] Тематики информационные технологии в целом EN externally companded delta modulation … Справочник технического переводчика

дельта-модуляция с инерционным (слоговым) компандированием - — [Л.Г.Суменко. Англо русский словарь по информационным технологиям. М.: ГП ЦНИИС, 2003.] Тематики информационные технологии в целом EN syllabically companded DM … Справочник технического переводчика

дельта-модуляция с компандированием - — [Л.Г.Суменко. Англо русский словарь по информационным технологиям. М.: ГП ЦНИИС, 2003.] Тематики информационные технологии в целом EN companded delta modulation (DM … Справочник технического переводчика

· СКМ АМн · ФМн · КАМ · ЧМн · GMSK
OFDM · COFDM · TCM АИМ · ДМ · ИКМ · ΣΔ · ШИМ · ЧИМ · ФИМ FHSS · DSSS · CSS

Сигма-дельта модуляция (ΣΔ ; или дельта-сигма , ΔΣ ) - способ модуляции , обеспечивающий оцифровку сигнала с заданными характеристиками в рабочей полосе частот .

Принцип действия

Сигма-дельта модулятор основан на периодическом неполном уравновешивании заряда конденсатора интегратора. Одноразрядный сигма-дельта модулятор первого порядка работает следующим образом: на первом такте работы интегрируется входной сигнал до тех пор, пока выходной сигнал интегратора не достигнет порога переключения синхронного компаратора. Выходной сигнал компаратора изменяется только по внешнему сигналу тактирования. Данный цифровой сигнал является выходом модулятора, он же поступает в отрицательную обратную связь , где с помощью ЦАП формируется аналоговый сигнал, который вычитается из входного аналогового сигнала, и тем самым, уравновешивает интегратор, заставляя его выход меняться в обратном направлении. Таким образом, интегратор начинает интегрировать эту разность и его выходной сигнал изменяется в противоположную сторону до тех пор, пока компаратор не переключится в обратную сторону. Далее эти циклы повторяются, формируя на выходе синхронного компаратора цифровую последовательность.

Сигма-дельта АЦП

Аудиозапись

Как следствие широкого применения сигма-дельта ЦАП в воспроизведении аудиосигнала возникли попытки оптимизировать форматы хранения аудио на цифровых носителях под эту технологию. Преимущества форматов, основанных на сигма-дельта модуляции - отсутствие необходимости понижения частоты дискретизации сигнала (децимации).

Наиболее известный пример формата - Super Audio CD (SACD), предложенный фирмами Sony и Philips. Параметры формата - 1 бит, 2,8224 МГц. Относительно прогрессивности данного формата широко ведутся споры. Тестовые замеры устройств, реализующих кодирование в поток DSD (Direct Stream Digital , Прямой цифровой поток), используемый в SACD, показывают значительное преимущество над PCM , который используется в DVD-Audio .

См. также

Напишите отзыв о статье "Сигма-дельта-модуляция"

Примечания

Литература

• Аналогово-цифровое преобразование. - Под ред. Уолта Кестера. - Москва: Техносфера, 2007. - 1016 с. - ISBN 978-5-94836-146-8 .

Ссылки

Отрывок, характеризующий Сигма-дельта-модуляция

– Отступления войск за Неман, государь, – сказал Балашев.
– За Неман? – повторил Наполеон. – Так теперь вы хотите, чтобы отступили за Неман – только за Неман? – повторил Наполеон, прямо взглянув на Балашева.
Балашев почтительно наклонил голову.
Вместо требования четыре месяца тому назад отступить из Номерании, теперь требовали отступить только за Неман. Наполеон быстро повернулся и стал ходить по комнате.
– Вы говорите, что от меня требуют отступления за Неман для начатия переговоров; но от меня требовали точно так же два месяца тому назад отступления за Одер и Вислу, и, несмотря на то, вы согласны вести переговоры.
Он молча прошел от одного угла комнаты до другого и опять остановился против Балашева. Лицо его как будто окаменело в своем строгом выражении, и левая нога дрожала еще быстрее, чем прежде. Это дрожанье левой икры Наполеон знал за собой. La vibration de mon mollet gauche est un grand signe chez moi, [Дрожание моей левой икры есть великий признак,] – говорил он впоследствии.
– Такие предложения, как то, чтобы очистить Одер и Вислу, можно делать принцу Баденскому, а не мне, – совершенно неожиданно для себя почти вскрикнул Наполеон. – Ежели бы вы мне дали Петербуг и Москву, я бы не принял этих условий. Вы говорите, я начал войну? А кто прежде приехал к армии? – император Александр, а не я. И вы предлагаете мне переговоры тогда, как я издержал миллионы, тогда как вы в союзе с Англией и когда ваше положение дурно – вы предлагаете мне переговоры! А какая цель вашего союза с Англией? Что она дала вам? – говорил он поспешно, очевидно, уже направляя свою речь не для того, чтобы высказать выгоды заключения мира и обсудить его возможность, а только для того, чтобы доказать и свою правоту, и свою силу, и чтобы доказать неправоту и ошибки Александра.
Вступление его речи было сделано, очевидно, с целью выказать выгоду своего положения и показать, что, несмотря на то, он принимает открытие переговоров. Но он уже начал говорить, и чем больше он говорил, тем менее он был в состоянии управлять своей речью.
Вся цель его речи теперь уже, очевидно, была в том, чтобы только возвысить себя и оскорбить Александра, то есть именно сделать то самое, чего он менее всего хотел при начале свидания.
– Говорят, вы заключили мир с турками?
Балашев утвердительно наклонил голову.
– Мир заключен… – начал он. Но Наполеон не дал ему говорить. Ему, видно, нужно было говорить самому, одному, и он продолжал говорить с тем красноречием и невоздержанием раздраженности, к которому так склонны балованные люди.
– Да, я знаю, вы заключили мир с турками, не получив Молдавии и Валахии. А я бы дал вашему государю эти провинции так же, как я дал ему Финляндию. Да, – продолжал он, – я обещал и дал бы императору Александру Молдавию и Валахию, а теперь он не будет иметь этих прекрасных провинций. Он бы мог, однако, присоединить их к своей империи, и в одно царствование он бы расширил Россию от Ботнического залива до устьев Дуная. Катерина Великая не могла бы сделать более, – говорил Наполеон, все более и более разгораясь, ходя по комнате и повторяя Балашеву почти те же слова, которые ои говорил самому Александру в Тильзите. – Tout cela il l"aurait du a mon amitie… Ah! quel beau regne, quel beau regne! – повторил он несколько раз, остановился, достал золотую табакерку из кармана и жадно потянул из нее носом.
– Quel beau regne aurait pu etre celui de l"Empereur Alexandre! [Всем этим он был бы обязан моей дружбе… О, какое прекрасное царствование, какое прекрасное царствование! О, какое прекрасное царствование могло бы быть царствование императора Александра!]
Он с сожалением взглянул на Балашева, и только что Балашев хотел заметить что то, как он опять поспешно перебил его.
– Чего он мог желать и искать такого, чего бы он не нашел в моей дружбе?.. – сказал Наполеон, с недоумением пожимая плечами. – Нет, он нашел лучшим окружить себя моими врагами, и кем же? – продолжал он. – Он призвал к себе Штейнов, Армфельдов, Винцингероде, Бенигсенов, Штейн – прогнанный из своего отечества изменник, Армфельд – развратник и интриган, Винцингероде – беглый подданный Франции, Бенигсен несколько более военный, чем другие, но все таки неспособный, который ничего не умел сделать в 1807 году и который бы должен возбуждать в императоре Александре ужасные воспоминания… Положим, ежели бы они были способны, можно бы их употреблять, – продолжал Наполеон, едва успевая словом поспевать за беспрестанно возникающими соображениями, показывающими ему его правоту или силу (что в его понятии было одно и то же), – но и того нет: они не годятся ни для войны, ни для мира. Барклай, говорят, дельнее их всех; но я этого не скажу, судя по его первым движениям. А они что делают? Что делают все эти придворные! Пфуль предлагает, Армфельд спорит, Бенигсен рассматривает, а Барклай, призванный действовать, не знает, на что решиться, и время проходит. Один Багратион – военный человек. Он глуп, но у него есть опытность, глазомер и решительность… И что за роль играет ваш молодой государь в этой безобразной толпе. Они его компрометируют и на него сваливают ответственность всего совершающегося. Un souverain ne doit etre a l"armee que quand il est general, [Государь должен находиться при армии только тогда, когда он полководец,] – сказал он, очевидно, посылая эти слова прямо как вызов в лицо государя. Наполеон знал, как желал император Александр быть полководцем.
– Уже неделя, как началась кампания, и вы не сумели защитить Вильну. Вы разрезаны надвое и прогнаны из польских провинций. Ваша армия ропщет…
– Напротив, ваше величество, – сказал Балашев, едва успевавший запоминать то, что говорилось ему, и с трудом следивший за этим фейерверком слов, – войска горят желанием…
– Я все знаю, – перебил его Наполеон, – я все знаю, и знаю число ваших батальонов так же верно, как и моих. У вас нет двухсот тысяч войска, а у меня втрое столько. Даю вам честное слово, – сказал Наполеон, забывая, что это его честное слово никак не могло иметь значения, – даю вам ma parole d"honneur que j"ai cinq cent trente mille hommes de ce cote de la Vistule. [честное слово, что у меня пятьсот тридцать тысяч человек по сю сторону Вислы.] Турки вам не помощь: они никуда не годятся и доказали это, замирившись с вами. Шведы – их предопределение быть управляемыми сумасшедшими королями. Их король был безумный; они переменили его и взяли другого – Бернадота, который тотчас сошел с ума, потому что сумасшедший только, будучи шведом, может заключать союзы с Россией. – Наполеон злобно усмехнулся и опять поднес к носу табакерку.
На каждую из фраз Наполеона Балашев хотел и имел что возразить; беспрестанно он делал движение человека, желавшего сказать что то, но Наполеон перебивал его. Например, о безумии шведов Балашев хотел сказать, что Швеция есть остров, когда Россия за нее; но Наполеон сердито вскрикнул, чтобы заглушить его голос. Наполеон находился в том состоянии раздражения, в котором нужно говорить, говорить и говорить, только для того, чтобы самому себе доказать свою справедливость. Балашеву становилось тяжело: он, как посол, боялся уронить достоинство свое и чувствовал необходимость возражать; но, как человек, он сжимался нравственно перед забытьем беспричинного гнева, в котором, очевидно, находился Наполеон. Он знал, что все слова, сказанные теперь Наполеоном, не имеют значения, что он сам, когда опомнится, устыдится их. Балашев стоял, опустив глаза, глядя на движущиеся толстые ноги Наполеона, и старался избегать его взгляда.
– Да что мне эти ваши союзники? – говорил Наполеон. – У меня союзники – это поляки: их восемьдесят тысяч, они дерутся, как львы. И их будет двести тысяч.
И, вероятно, еще более возмутившись тем, что, сказав это, он сказал очевидную неправду и что Балашев в той же покорной своей судьбе позе молча стоял перед ним, он круто повернулся назад, подошел к самому лицу Балашева и, делая энергические и быстрые жесты своими белыми руками, закричал почти:
– Знайте, что ежели вы поколеблете Пруссию против меня, знайте, что я сотру ее с карты Европы, – сказал он с бледным, искаженным злобой лицом, энергическим жестом одной маленькой руки ударяя по другой. – Да, я заброшу вас за Двину, за Днепр и восстановлю против вас ту преграду, которую Европа была преступна и слепа, что позволила разрушить. Да, вот что с вами будет, вот что вы выиграли, удалившись от меня, – сказал он и молча прошел несколько раз по комнате, вздрагивая своими толстыми плечами. Он положил в жилетный карман табакерку, опять вынул ее, несколько раз приставлял ее к носу и остановился против Балашева. Он помолчал, поглядел насмешливо прямо в глаза Балашеву и сказал тихим голосом: – Et cependant quel beau regne aurait pu avoir votre maitre!

Тактовая частота в системах передачи с ДМ может быть суще­ственно уменьшена, если для устранения перегрузки по крутизне шаг квантования менять в зависимости от характеристик переда­ваемых сигналов. По инерционности методы компандирования де­лятся на два типа. При мгновенном компандировании управляе­мый параметр ДМ может быстро изменяться от такта к такту, а при инерционном компандировании время регулирования соизме­римо с длительностью слогов речевого сообщения.

Компандирование позволяет не только уменьшить тактовую частоту, но и под­держивать постоянным отношение сигнал-шум квантования при изменении мощности сигнала в достаточно широких пределах и тем самым расширять динамический диапазон канала. В зависимо­сти от характеристик передаваемых сигналов может использовать­ся тот или иной вид компандирования. Считается, что мгно­венное компандирование целесообразно использовать при переда­че сообщений с резкими изменениями значения (например, сигна­лов телевидения), тогда как инерционное компандирование более эффективно при передаче речевых сообщений. В некоторых случа­ях используют одновременно и мгновенное, и инерционное компан­дирование.

Упрощенная структурная схема дельта-кодека с инерционной компрессией по структуре цифрового сигнала на выходе модулятора показана на рис. 2.15, а.

Основу структурной схемы дельта-кодека с инерционной компрессией составляет обычный классический дельта модулятор с одинарным интегратором. Основной принцип работы схемы заключается в том, что амплитуда импульсов на вход интегратора изменяется в соответствии со структурой цифрового потока, получающейся на выходе дельта-модулятора. Инерционная компрессия в модуляторе осуществляется с по мощью формирователя сигнала управления ФУ и амплитудно-импульсного модулятора М, включенного на входе интегратора. Формирователь сигнала управления состоит из дополнительного интегратора ДИ, ограничивающего спектр частот импульсной последовательности в области высоких частот, сглаживающего фильтра СФ, детектора огибающей ДО и схемы сложения огибающей с не которым постоянным напряжением определяющим заданное минимальное значение амплитуды импульсов на входе интегратора.

Работа схемы поясняется с помощью временных диаграмм (рис. 2.16).

Непрерывный сигнал (1) поступает на вход ДУ и на выходе ПУ при нарастании входного сигнала начинает формироваться последовательность положительных единичных импульсов (З). Формируемая импульсная последовательность поступает на дополнительную интегрирующую цепь, на выходе которой из-за ограничения спектра верхних частот и расширения длительности импульсов возникают межсимвольные искажения (искажения первого рода), что приводит к появлению сигнала огибающей импульсной последовательности (4). Сглаживающий фильтр выделяет сигнал огибающей (5), амплитуда которого зависит от плотности единиц в импульсной последовательности, детектор огибающей осуществляет двухполупериодное выпрямление этого сигнала (6).

К напряжению огибающей подмешивается некоторое постоянное напряжение Uо, которое обеспечивает постоянную амплитуду импульсов на выходе модулятора при равномерной плотности положительных н отрицательных единиц на его входе, т. е. при отсутствии напряжения огибающей. При увеличении плотности единиц амплитуда импульсов, поступающих на интегратор по цепи обратной связи, будет изменяться (7) под действием напряжения огибающей, и аппроксимирующая ступенчатая функция (8) в зависимости от крутизны нарастания непрерывного сигнала будет иметь переменный шаг квантования.

Структурная схема декодера изображена на рис. Включенный последовательно с интегратором модулятор и ФУ позволяют восстановить аппроксимирующий сигнал, как это было описано выше, и получить на выходе ФНЧ исходный непрерывный сигнал. Упрощенная структурная схема кодека с мгновенной компрессией по структуре цифрового потока показана на рис. Схема содержит классический дельта-модулятор, к которому дополнительно подключены амплитудно-импульсный модулятор и импульсный преобразователь ИП. Импульсный преобразователь в зависимости от характеристик двоичной последовательности изменяет величину приращений аппроксимирующего напряжения, для чего используется модулятор, Главным достоинством данного типа мгновенного компандирования является возможность реализации аппаратуры на современных элементах счетной техники, что обеспечивает точное соответствие характеристик компрессии на стороне передачи и экспандирования на стороне приема.

Принцип работы такой схемы можно пояснить с помощью временных диаграмм. Импульсный преобразователь анализирует плотность единиц и при комбинациях вида 111 или на его выходе возникает импульс, который увеличивает амплитуду импульса на выходе модулятора в 2 раза, при этом шаг квантования на выходе интегратора возрастает также в 2 раза.

Дельта-декодер работает точно таким же образом, но дополнительно включает в себя схему синхронизация СС и формирователь импульсов ФИ. Использование компандирования позволяет снизить тактовую частоту цифрового потока по сравнению с классической ДМ почти в 4 раза и довести ее до 48 кГц для одного канала ТЧ.

Преимуществом ДМ в сравнении с ИКМ является ее большая помехоустойчивость, связанная с тем, что она менее чувствительна к ошибкам в цифровом сигнале, чем ИКМ. Величина ошибки при ИКМ зависит от разряда неправильно принятого символа кодовой группы. При 7-разрядной группе ошибка в старшем разряде кодовой группы приводит к ошибочному восстановлению амплитуды отсчета, величина которой ΔUош = 2 6 Δ = 64Δ, т. е. поло вине максимального отсчета сигнала. При ДМ ошибочный прием символов цифрового потока всегда приводит к ошибке в один шаг квантования. В ЦСП неправильный прием символов кодовой группы оценивают вероятностью ошибочного приема.

В настоящее время известно несколько десятков видов дельта модуляции, Наиболее перспективными областями ее применения считаются: абонентские телефонные сети в сочетании их с электронными системами коммутации; радиорелейные, тропосферные и кабельные линии связи; спутниковые системы связи; системы ком мутации, телеуправления и промышленного телевидения.

4. Контрольные вопросы

Глоссарий

Тема 6. Цифровые системы передачи

6.1 Многоканальные системы телекоммуникаций с временным разделением каналов и импульсно-кодовой модуляцией.

6.2 Аналого-цифровое преобразование (дискретизация по времени, квантование по уровню, кодирование) и цифро-аналоговое преобразование сигнала. Формирование группового цифрового сигнала. Другие виды цифровой модуляции.

6.3 Типовые каналы и групповые тракты цифровых систем передачи.

6.4 Методы и устройства синхронизации ЦСП.

Многоканальные системы телекоммуникаций с временным разделением каналов и импульсно-кодовой модуляцией.

В процессе обработки сигналов в системах МСП с ВРК в тракте передаче получается групповой амплитудно-модулированный сигнал (АИМ), полезная информация заключена в изменениях амплитуды импульсов тактовой частоты. При передаче такого АИМ-сигнала по линии на него будут влиять помехи, величина и знак которых носят случайный характер. В результате на приемной стороне получим сигнал, не соответствующий сигналу на передаче.

Поэтому как правило на практике групповой АИМ-сигнал подвергается операции кодирования , т.е. представление выборок АИМ-сигнала цифровой последовательностью. Процесс преобразования группового АИМ-сигнала в цифровой называют импульсно-кодовой модуляцией (ИКМ) , а сам сигнал, полученный в результате кодирования АИМ-сигнала, называется ИКМ-сигналом.

Указанный принцип осуществляет оконечная станция ВРК с ИКМ, структурная схема которой приведена ниже.

Рисунок - Обобщенная структурная схема цифровой системы передачи

ГОпд, ГОпр – генераторное оборудование передачи и приема

СС, ПСС – генератор и приемник синхросигнала

ЭК – электронный ключ

ВС – временной селектор

АЦП – аналого-цифровой преобразователь

ЦАП – цифро-аналоговый преобразователь

ЛК – линейный кодер

ЛД – линейный декодер

f i (t) – импульсная последовательность, которая управляет временными селекторами

Принцип работы:

Передаваемый первичный сигнал C i (t) поступает от абонента на вход фильтра нижних частот ФНЧ, который ограничивает спектр сигнала, подавляя высокочастотные импульсные помехи. С выхода ФНЧ сигнал поступает на амплитудно-импульсный модулятор АИМ1, который представлен канальным электронным ключом и с помощью которого производится дискретизация непрерывного аналогового сигнала с частотой F д , задаваемой генераторным оборудованием передатчика ГО пд. Групповой сигнал в виде амплитудно-модулированных импульсов всех каналов (АИМ1,…АИМN) поступает на вход аналого-цифрового преобразователя (АЦП), который осуществляет квантование и кодирование импульсных сигналов с тактовой частотой F т . Таким образом осуществляется импульсно-кодовая модуляция (ИКМ) и формируется соответствующий цифровой ИКМ-сигнал. Для того обеспечить синхронность выделения на приеме соответствующих канальных сигналов в ИКМ сигнал в свободный канальный интервал через сумматор помещают специальным образом, сформированный синхросигнал (СС). Для СС структура кодовой группы (значения всех разрядов) известна априорно.

Для согласования параметров сформированного ИКМ-сигнала + СС с линией связи используют линейное кодирование (ЛК), суть которого заключается в представлении цифровой последовательности линейным сигналом, который пройдя через линию связи под воздействием шума и искажений обеспечивал бы наибольшую помехозащищенность (например, QPSK, цифровые виды манипуляции и пр.).

На приемной стороне устанавливается соответствующий линейный декодер (ЛД), который обеспечивает обратную операцию линейного декодирования и формирования цифровой последовательности. Приемник СС регулирует работу ГО на приемной стороне, который в свою очередь обеспечивает выделение советующего АИМ-i сигнала для своего канала, путем временной селекции (ВС) из группового АИМ-сигнала.

ФНЧ – восстанавливает форму первичного сигнала из АИМ-сигнала.

Аналого-цифровое преобразование (дискретизация по времени, квантование по уровню, кодирование) и цифро-аналоговое преобразование сигнала. Формирование группового цифрового сигнала. Другие виды цифровой модуляции.

Для преобразования аналогового сигнала в цифровой в цифровых системах передачи (ЦСП) в основном применяют 3 вида модуляции (аналого-цифрового преобразования АЦП ):

- ИКМ (импульсно-кодовая модуляция)

- ДИКМ (дифференциально-импульсная модуляция)

- ДМ (дельта-модуляция)

1) Импульсно-кодовая модуляция

В МСП с ВРК в основном используется в сочетании с ИКМ, когда полученный групповой АИМ-сигнал подвергается процедуре аналого-цифрового преобразования (АЦП).

Сигнал ИКМ из аналогового получают в 3 этапа:

1) Дискретизация по времени.

2) Квантование полученных отсчетов по уровню.

3) Кодирование.

Рисунок - Схема формирования ИКМ-сигнала

1. Дискретизация по времени – процесс представления непрерывного аналогового сигнала последовательностью его значений (выборок), взятых с частотой дискретизации F д .

Частота дискретизации определяется по теореме Котельникова: если непрерывный сигнал С(t) имеет ограниченный верхней частотой F ­В спектр, то он может быть восстановлен однозначно и без потерь по своим дискретным отсчётам, взятым с частотой F д ≥ 2F ­В .

Непрерывный сигнал можно представить в виде произведения отсчетов на ряд Котельникова:

(1)

Чтобы без потерь восстановить сигнал, необходимо иметь бесконечное множество членов ряда (1). Поэтому в действительности сигнал восстанавливается приближённо.

Рисунок – Варианты АИМ, 1-го рода (а) и 2-го рода (б)

2. Квантование по уровню – процесс замены величины отсчёта ближайшим числом из набора фиксированных значений – уровней квантования. Разность двух соседних уровней квантования называется шагом квантования Δ . Если шаг Δ=const, то квантование называется линейным (рис.а), иначе – нелинейным (рис.б).

рис.1 рис.2

Т.к. кантование – округление значение выборки до ближайшего уровня, возникают погрешности - шумы квантования - ошибка квантования ). Мощность шумов квантования не зависит от амплитуды сигнала и определяется как
.

Мощность шума квантования зависит от шага квантования. Для уменьшения этой мощности необходимо уменьшать шаг квантования.

Защищённость от шумов квантования :

= Р с – Р Ш.КВ = 25….30 дБ (2)

где мощность шумов определяется по отношению к эталонной мощности .

Рисунок - Зависимость защищенности квантования

от уровня входного сигнала

Для увеличения защищённости от шумов квантования можно увеличивать количество уровней квантования L , что увеличивает разрядность кодовой комбинации m . Это приводит к значительному усложнению оборудования. Данную проблему можно решить, используя неравномерное квантование - для малых значений сигнала шаг квантования выбирается минимальным и постепенно увеличивается, достигая максимального для больших значений уровней сигналов. При этом для слабых сигналов Р Ш.КВ уменьшается, а для сильных - возрастает, что обеспечивает увеличение А З.КВ для слабых сигналов и снижению А З.КВ для сильных.

3. Кодирование – процесс представления номеров уровней квантования в виде двоичной последовательности.

Для линейного квантования

1) полярность выборки;

2) номер уровня квантования.

Для нелинейного квантования последовательность состоит из:

1) полярность выборки;

2) номер сегмента на шкале квантования;

3) номер уровня квантования в сегменте.

Скорость цифрового потока определяется следующим образом:

B=N∙F д ∙m (бит/с) ,

где N – число каналов;

F д – частота дискретизации (т. Котельникова);

m – разрядность кодовой группы.

Разрядность кода определяется по формуле:

где Ц – целое число;

L – количество уровней квантования.

Квантование по уровню производится с целью определения разрядности кода. Тогда, количество уровней квантования сигнала можно определить, если известна разрядность выбранного кода:

Обычная стандартная разрядность кода в ЦСП с ИКМ равна 8. Кодовая комбинация определяет номер разрешенного для передачи уровня, которого достиг квантуемый отсчет. Квантованное значение сигнала может быть определено по формуле:

где: – кодовый символ разряда (0 или 1).

Пример:

Пусть нужно закодировать номер уровня 53:

Итого, кодовая группа 00110101.

Если число уровней квантования L увеличить в два раза, то разрядность кодовой комбинации увеличится на 1 разряд. Если шаг квантования уменьшить в 2 раза, то Р Ш.КВ уменьшится на 6 дБ.

Для уменьшения m необходимо пропустить сигнал через компрессор . Тем самым сжимая динамический диапазон, мы уменьшаем m , но шаг квантования остается постоянным. m можно уменьшать до 8, следовательно скорость цифрового потока одного канала B=N∙F д ∙m = 1*8кГц*8=64 кбит/с (ОЦК). На приемной стороне сигнал пропускают через экспандер , который выполняет функцию обратную компрессору.

2) Дифференциально-импульсная модуляция (ДИКМ)

ДИКМ (дифференциально-импульсная модуляция) и ДМ (дельта-модуляция) относятся к таким видам цифровой модуляции, в которых исследуют свойства самого сигнала и, следовательно, применяются только при обработке индивидуального канала. Для группового сигнала такие методы применять нельзя , т.к. отсчеты от разных каналов не коррелированы между собой.

Многообразие таких методов заключается в том, что кодируются и передаются на приемную сторону не сами отсчетные значения сигнала взятые в момент дискретизации, как это имеет место в ИКМ, а величины, отражающие изменение (разность) сигнала между двумя соседними выборками. Поэтому эти методы иногда называют разностными .

Примечание. Применение таких методов в основном ограничено в технике малоканальной связи, где требуется обеспечить превосходное качество оцифровывания аналоговых сигналов. Например, использование дельта-модуляции в звукозаписывающих студиях.

ДИКМ целесообразно применять при передаче сигналов с возможными резкими изменениями мгновенных значений. При этом частота дискретизации F д выбирается такой же, как и при ИКМ, в соответствии с теоремой Котельникова F д =8 кГц m<8 (m-разрядность кодовой группы)

Обобщённая структурная схема кодека ДИКМ представлена на рисунке.

Рисунок - Обобщенная структурная схема кодека ДИКМ с обратной связью

ФНЧ – ограничивает спектр частот входного сигнала частотой F max ;

ДУ – дифференциальный (разност.) усилитель, усиливает разность двух поступающих сигналов;

Дискретизатор – осуществляет дискретизацию разностного сигнала с частотой F д;

Кодер и декодер ИКМ – осуществляют квантование и кодирование разностного сигнала и соответствующее преобразование кодовых группы в дискретные отсчеты разностного сигнала; Инт – интегратор, преобразует амплитудные отсчеты поступающие на его вход в ступенчатую функцию.

Способ генерации разности между отсчётами при ДИКМ состоит в запоминании значения предыдущего отсчёта в интеграторе (накопителе) и в использовании аналогового вычитающего устройства (ДУ) для вычисления разностного значения, которое затем дискретизируется, квантуется и кодируется в кодере ИКМ для передачи в линию. Для формирования сигнала предсказания используется цепь обратной связи, содержащая декодер ИКМ для восстановления значений отсчётов разностного сигнала и накопителя для восстановления значений отсчётов собственно сигнала. Декодер ДИКМ содержит те же функциональные блоки, что и цепь ОС кодера, на выходе интегратора дополнительно применяется сглаживающий фильтр – ФНЧ.

Принцип ДИКМ заключается в том, что в данном случае квантуются и кодируются не мгновенные значения кодируемого сигнала в моменты дискретизации, а разности между действительным и предсказанным значениями сигнала в тактовый момент. При ДИКМ предсказанное значение сигнала в i-ый тактовый момент принимается равным значению сигнала в предыдущий (М) тактовый момент.

Принятый алгоритм предсказания при ДИКМ является достаточно простым, а техническая реализации его не вызывает затруднений, что объясняет наибольшее распространение ДИКМ среди методов кодирования с предсказанием. Особенности формирования разностного сигнала при ДИКМ объясняются на временных диаграммах.

Рис . Формирование разностного сигнала при ДИКМ Рис . Принцип ДИКМ

Ниже на рисунке приведены временные диаграммы формирования сигнала при ДИКМ.

Рисунок – Временные диаграммы формирования сигнала при ДИКМ.

А - определение разностного сигнала; б - разностный сигнал;

в - сформирование сигнала на выходе декодера

При ДИКМ процесс аналого-цифрового преобразования может быть равномерным, компандированным или адаптивным с подстройкой величины шага квантования в соответствии со средним уровнем мощности сигнала.

Условие работы цепи обратной связи

где с - коэффициент глубины обратной связи.

Мощность шумов квантования при ДИКМ определяется

где - нормированная корреляционная функция разности между сигналами r(t) и R(t+T д ).

Если , а , то ДИКМ лучше по помехозащищенности чем ИКМ.

Использование ДИКМ для передачи речевых сигналов позволяет на 1…2 разряда log 2 (A икм /А дикм) уменьшить разрядность кодовой комбинации при кодировании каждого отсчёта по сравнению с ИКМ с тем же шагом квантования. Например, если

m икм =log 2 (A икм / ∆);

m дикм =log 2 (A дикм / ∆);

m икм - m дикм =log 2 (A икм / А дикм)=log 2 1,6≈0,67

Для уменьшения искажений квантования при ДИКМ, как уже отмечалось, применяется адаптивная ДИКМ (АДИКМ), когда происходит адаптация величины шага квантования к параметрам кодируемого сигнала. Рекомендация МСЭ-Т G.721 определяет стандарт для кодеков речи с использованием АДИКМ со скоростью 32 кбит/с и качеством 4,1 в соответствии со шкалой MOS (Mean Opinion Score), в то время как ИКМ обеспечивает качество 4,3 по этой же шкале. При АДИКМ B=8кбит/с, при m=4

3) Дельта-модуляция

Дельта-модуляция (ДМ) представляет собой разновидность ДИКМ. При ДМ как и при ИКМ аналоговый сигнал подвергается дискретизации во времени, но кодируется не квантованное значение аналогового сигнала, а знак приращения данного отсчета по отношению к предыдущему за тактовый интервал (период дискретизации). За каждый период дискретизации в линию можно будет передавать, либо - 1, если разность отсчетов U < , где - выбранный шаг квантования, либо + 1, если U > . Таким образом, при выбранном приращении передаются сведения только о его знаке и для этого достаточно передавать один двоичный символ в каждый момент отсчета. Такой способ формирования цифрового сигнала называется классической дельта - модуляцией (ДМ) в отличии от других, более поздних ее разновидностей. Рассмотрим подробнее процесс преобразования аналогового сигнала в импульсную последовательность, а также процесс обратного преобразования при дельта - модуляции. Структурная схема дельта - кодека приведена на рис.

Рисунок - Обобщенная структурная схема кодека ДМ с обратной связью

ФНЧ – фильтр нижних частот;

ДУ – дифференциальный усилитель;

ГТЧ – генератор тактовой частоты;

ПУ – пороговое устройство;

СС – система синхронизации;

ФУ – формирующее устройство.

На выходе ПУ возникают импульсы положительной полярности, если на выходе ДУ > 0, и импульсы отрицательной полярности, если < 0. В цепь обратной связи включается интегратор с помощью которого осуществляется формирование копии сигнала (аппроксимирующего сигнала) по совокупности кодовых импульсов, поступающих с выхода порогового устройства. После каждого поступившего на вход интегратора положительного импульса, сигнал на выходе (аппроксимирующий сигнал) увеличивается, а при отрицательном - уменьшается на один шаг квантования. Таким образом, на выходе интегратора формируется ступенчатая функция (аппроксимирующее напряжение).

Временные диаграммы, поясняющие принцип дельта-модуляции

Следует отметить, что при ДМ тактовая частота сигнала в линии берется значительно выше частоты дискретизации по Котельникову для увеличения степени предсказания сигнала и составляет как правило F д =160кГц .

Мощность шумов квантования при ДМ определяется

где шаг квантования (при ДМ )

Тогда отношение сигнал/шум (ОСШ) для систем с ДМ

Системы передачи с компандированной дельта - модуляцией (КДМ) характеризуются следующими основными преимуществами перед системами с ИКМ:

1. В системах с КДМ тактовая частота цифрового сигнала, соответствующего одному каналу ТЧ в 1.3 - 1.5 раза меньше, чем в системах с 8 - разрядной ИКМ. Во столько же раз меньше полоса частот занимаемая в линии связи для передачи цифрового линейного сигнала.

2. В системах с КДМ переходные помехи между каналами меньше, т.к. объединение и разделение каналов осуществляется в цифровой форме, в то время как в системах с ИКМ эти операции производятся в импульсной форме.

3. Системы с КДМ менее чувствительны к ошибкам при приеме символов, т.к. почетность декодирования не может превышать шага квантования.

Похожая информация.