Дифференциальная импульсно-кодовая модуляция

Лекция № 3 Шумы квантования в системе передачи с ИКМ.

Уменьшение полосы частот, необходимой для передачи цифро­вого сигнала классической импульсно-кодовой модуляции (ИКМ), возможно только с уменьшением разрядности кодовой комбинации. Этот путь приводит к увеличению шага квантования и, следова­тельно, к снижению защищенности сигналов от шумов квантования. Этот недостаток можно значительно ослабить, если воспользовать­ся корреляционными связями между соседними отсчетами речевых сигналов, сигналов вещания и телевидения, и квантованию и деко­дированию подвергать не абсолютную величину отсчета, а раз­ность между предыдущим и последующим отсчетами исходного сигнала. Системы передачи, где кодированию подвергаются разно­сти отсчетов, называются цифровыми разностными системами.

Поскольку диапазон разностей между отсчетами меньше самих отсчетов, то для кодирования величины разности требуется меньше разрядов при той же частоте дискретизации, что и в классической ИКМ. Такое формирование цифрового сигнала приводит к умень­шению полосы частот, необходимой для его передачи.

Способ формирования цифрового сигнала, при котором кванто­ванию и кодированию подвергается сигнал разности между двумя соседними отсчетами, называется дифференциальной импульсно-кодовой модуляцией - ДИКМ.

Совокупность устройств, формирующих цифровой сигнал на ос­нове ДИКМ, называется ДИКМ-кодером, а устройства, которые выполняют обратные преобразования, называются ДИКМ- декодером. ДИКМ-кодер и ДИКМ-декодер образуют ДИКМ-кодек.

Простейшим способом получения разности соседних отсчетов для ДИКМ-кодера является запоминание предыдущего входного отсчета непосредственно в аналоговой памяти и использование аналогового вычитающего устройства для получения разности, которая затем квантуется и кодируется для передачи. На приемном конце принятая цифровая последовательность сначала декодиру­ется, в результате чего сначала восстанавливается последователь­ность квантованных приращений сигнала в моменты отсчетов, а затем путем последовательного суммирования с помощью инте­гратора они преобразуются в последовательность квантованных отсчетов сигнала и далее в исходный аналоговый сигнал.

Структурная схема такой реализации ДИКМ-кодека показана на рис. 1. Здесь приняты следующие обозначения: ФНЧ - фильтр нижних частот, предназначенный для ограничения полосы частот первичного (информационного) сигнала и формирования сигнала C(t); ЭЗ - элемент задержки сигнала С (т) на время Т, равное пе­риоду дискретизации Т_д; на выходе ЭЗ формируется сигнал вида ДУ - дифференциальный усилитель, выполняющий роль вычитающего устройства, на выходе которого получается разност­ный сигнал вида Дискр - дискретизатор, осуществ­ляющий дискретизацию разностного сигнала на выходе ДУ с частотой на выходе которого получается сигнал Кодер -кодирующие устройство, формирующее ДИКМ цифровой сигнал; Декодер - декодирующее устройство, преобразующее принятый цифровой ДИКМ сигнал в отсчеты разностного сигнала; Интг -интегратор, преобразующий сигнална выходе декодера в ступенчатый сигнал, который с помощью ФНЧ приема преобразует­ся в сигнал видаотличающийся от сигнала С (t) наличием шумов квантования и присущих ДИКМ искажений.

На рис. 2 приведена схема кодека ДИКМ, содержащая в пере­дающей части цепь обратной связи, включающей в себя декодер и интегратор.

Схема кодека (см. рис. 2), является более сложной по сравнению со схемой (см. рис. 1), так как предыдущая входная величина вос­станавливается с помощью цепи обратной связи, в которой накапливаются кодированные разности значений отсчетов. По существу сигнал в цепи обратной связи представляет оценку входного сигна­ла, которая получается путем интегрирования кодированных разно­стей отсчетов.

Преимущество реализации кодека ДИКМ с цепью обратной связи состоит в том, что при этом шумы квантования не накапливаются неограниченно. Если сигнал в цепи обратной связи отклоняется от входного в результате накопления шумов квантования, то при сле­дующей операции кодирования разностного сигнала это отклонение автоматически компенсируется. В системе без обратной связи выходной сигнал, формируемый декодером на противоположном конце линии, может неограниченно накапливать шумы квантования.

Временные диаграммы, поясняющие принцип работы декодека ДИКМ, приведены на рис. 3.

В начальный момент ti сигнал на выходе интегратора отсутству­ет, а сигнал на выходе дифференциального усилителя (ДУ) соот­ветствует непрерывному сигналу. Дискретный отсчет с амплитудой d квантуется и кодируется в кодере и затем через декодер посту­пает на интегратор (Интг), который запоминает его амплитуду до момента (т.е. на время равное периоду дискретизации В момент сигнал на неинвертирующем входе ДУ (+) равен анало­говому сигналу а на инвертирующем входе (-) - Сi. На выходе ДУ получаем разностный сигнал . После квантования и кодирования этой разности в линию поступает кодовая комбинация, соответствующая разности двух соседних отсчетов. По цепи обрат­ной связи через декодер амплитуда отсчета _ поступает на инте­гратор и запоминается им до момента В этот момент опять происходит определение разности ее квантование, кодирование и т. д. Когда сигнал на выходе интегратора (в момент') больше аналогового сигнала, разность на выходе ДУ будет отрицательной. После квантования, кодирования и декодирования на выходе инте­гратора получится отрицательный скачок сигнала на величину этой разности.

Как видно из рис. 3, амплитуда разностей отсчетов меньше са­мих отсчетов, поэтому при одинаковом шаге квантования число разрядов в кодовой комбинации при ДИКМ меньше, чем при обыч­ной ИКМ.

Эффективность ДИКМ можно проиллюстрировать следующим приме­ром. Пусть преобразованию на основе ДИКМ подвергается синусоидальный сигнал с частотой 800 Гц и амплитудой U_c

Т =1/f =1/8000 (здесь= 8000 Гц - частота дискретизации)

амплитуду разностного сигнала можно получить путем дифференцирования c(t) и деление её на временной интервал между отсчетами

Дифференциальная импульсно-кодовая модуляция (ДИКМ) разработана специально для того, чтобы использовать преимущества, которые дает избыточность отсчетов ре­чевого сигнала. Так как диапазон изменения разностей отсчетов меньше диапазона из­менения самих отсчетов, то для кодирования этих разностей необходимо всего не­сколько разрядов. Частота дискретизации, как правило, не изменяется по сравнению с системами с обычной ИКМ, т.е., как и в системах с ИКМ, в кодере используется режекторный фильтр, а в декодере — сглаживающий.

Метод генерации разностей между отсчетами в ДИКМ-кодере состоит в запомина­нии значения предыдущего отсчета в схеме выборки-хранения и использовании анало­гового вычитающего устройства для вычисления изменения. Изменение сигнала затем квантуется и кодируется для передачи. Однако схема ДИКМ, показанная на рис. 3.27, сложнее из-за того, что предыдущее входное значение здесь восстанавливается при по­мощи цепи обратной связи, которая интегрирует кодированные значения разностей от­счетов. По существу, сигнал обратной связи представляет собой оценку входного сиг­нала, полученную путем интегрирования кодированных разностей отсчетов. Поэтому сигнал обратной связи, полученный таким же способом, используется и для восстанов­ления сигнала в декодере.

Преимущество использования обратной связи состоит в том, что ошибки квантова­ния не накапливаются неограниченно. Если сигнал обратной связи отклоняется от входного сигнала из-за накопления ошибок квантования, то при кодировании следую­щего разностного сигнала это отклонение автоматически компенсируется. В системах без обратной связи на выходе декодера на другом конце соединения ошибки квантова­ния могут накапливаться неограниченно.

Дата добавления: 2014-10-31