Дифференциальная импульсно-кодовая модуляция

Уменьшение полосы частот, необходимой для передачи цифрового сигнала классической ИКМ, возможно только уменьшением разрядности кодовой комбинации (1.66), (1.67), что приводит к увеличению шага кван­тования и, следовательно, к снижению защищенности сигналов от шумов квантования. Этот недостаток можно значительно уменьшить, если вос­пользоваться корреляционными связями между соседними отсчетами пе­редаваемых сигналов, и квантованию и кодированию подвергать не абсо­лютную величину отсчета, а разность между предыдущим и последую­щим отсчетами исходного сигнала.

Системы передачи, где кодированию подвергаются разности сосед­них отсчетов, называются цифровыми разностными системами.

Поскольку диапазон разностей между отсчетами меньше самих отсче­тов, то для кодирования требуется меньшее число разрядов при той же защищенности от шумов квантования, что приведет к уменьшению поло­сы частот по сравнению с классической ИКМ. Одним из способов форми рования цифрового сигнала с использованием этого принципа является дифференциальная импульсно-кодовая модуляция (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.

Рис. 4.1. Структурная схема ДИКМ кодека

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. На приемном конце принятая цифровая последовательность сначала декодируется, в результате 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. 4.1, где используются следующие обозна­чения: ЭЗ - элемент задержки сигнала C(t) на время Г, равное периоду дискретизации ; на выходе ЭЗ формируется сигнал вида C(t-T^\ ДУ - дифференциальный усилитель, выполняющий роль вычитающего устройства, на выходе которого получается разностный сигнал вида C(t) - С(t-T)Дискр - дискретизатор, осуществляющий дискретизацию разност-ного лангаяяа на выходе ДУ с частотой f_a, на выходе которого получается сигнал n(Тn); Кодер - кодирующие устройство, формирующее ДИКМ цифровой сигнал; Декодер - декодирующее устройство, преобразующее принятый цифровой ДИКМ сигнал в отсчеты разностного сигнала; Интг -интегратор, преобразующий сигнал г(пТ_я) на выходе декодера в ступен­чатый сигнал, который с помощью ФНЧ приема преобразуется в сигнал вида С"(г), отличающийся от сигнала C(t) наличием шумов квантования и присущих ДИКМ искажений.

Рис. 4.2. Структурная схема кодека ДИКМ с обратной связью

На рис. 4.2 приведена схема кодека ДИКМ, содержащая в передающей части цепь обратной связи, включающей в себя декодер и интегратор. Преимущество реализации кодека ДИКМ с цепью обратной связи состоит в том, что при этом шумы квантования не накапливаются. 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 кодека ДИКМ, приведены на рис. 4.3.

В начальный момент времени ti сигнал на выходе интегратора отсут­ствует, а сигнал на выходе дифференциального усилителя (ДУ) соответст­вует непрерывному сигналу. Дискретный отсчет с амплитудой С\ кванту­ется и кодируется в кодере и затем через декодер поступает на интегратор (Интг), который запоминает его значение до момента времени t₂ (т. е. на время, равное периоду дискретизации ). В момент времени t% сигнал на неинвертирующем входе ДУ (+) равен аналоговому сигналу С₂, а на ин­вертирующем входе (-) - С\. На выходе ДУ получаем разностный сигнал , После квантования и кодирования в линию поступает кодо­вая комбинация, соответствующая разности двух соседних отсчетов. По цепи обратной связи через декодер амплитуда отсчета С₂ поступает на интегратор и запоминается им до момента ц. В этот момент времени опять происходит определение разности , ее квантование и кодирова­ние и т.д. Когда сигнал на выходе интегратора (в момент f₄) больше вход­ного 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. 4.3, значение разностей отсчетов меньше самих от­счетов, поэтому при одинаковом шаге квантования число разрядов в кодо

. 4.3. Временные диаграммы формирования ДИКМ сигнала:

а - определение разностного сигнала; б - разностный сигнал на выходе ДУ;

в - формирование сигнала на выходе декодера

вой комбинации при ДИКМ меньше, чем при обычной ИКМ, либо при одинаковом количестве разрядов шумы квантования уменьшаются.

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

Амплитуду разностного сигнала можно получить путем дифференци­рования c(t) и умножения ее на временной интервал между отсчетами

log2 (1/0,628) = 0,67 разряда.

Экономию числа разрядов можно определить по формуле log₂ (1/0,628) = 0,67 разряда.

Рассмотренный пример позволяет сделать вывод, что при одинаковом качестве в системе передачи на основе ДИКМ можно использовать на 2/3 разряда меньше, чем в системе с обычной ИКМ.

Кодеры и декодеры ДИКМ могут быть выполнены различными спосо­бами в зависимости от разделения функций обработки сигнала между аналоговыми и цифровыми цепями. В одном случае функции дифферен­цирования (формирования разностного сигнала) и интегрирования могут быть реализованы посредством аналоговых цепей, в другом случае вся обработка сигналов может быть выполнена цифровым способом.

В системах ДИКМ с аналоговым дифференцированием и интегриро­ванием аналого-цифровому преобразованию подвергается разностный сигнал, а цифро-аналоговому в цепи обратной связи - кодовая комбина­ция разностного сигнала. Для интегрирования используются аналоговые суммирующие и запоминающие устройства.

В связи с широким внедрением интегральных микросхем с большой степенью интеграции (БИС) все большее применение находят системы ДИКМ, где вся обработка сигнала выполняется при помощи цифровых логических схем. Аналого-цифровой преобразователь формирует кодовые комбинации, соответствующие отсчетам с полным амплитудным диапа­зоном (как в обычной ИКМ), которые затем сравниваются с кодовыми комбинациями предыдущего отсчета, формируя цифровую разность.

Декодеры во всех рассмотренных вариантах реализуются точно так же, как цепи обратной связи соответствующих кодеров. Это связано с тем, что в цепи обратной связи формируется аппроксимация входного сигнала (задержанного на один период дискретизации). Если в тракте передачи ДИКМ сигнала не происходят ошибки, то сигнал на выходе декодера (пе­ред фильтрацией) идентичен сигналу в цепи обратной связи.

Для медленно изменяющихся сигналов ДИКМ не имеет больших пре­имуществ по сравнению с обычной ИКМ. Так, для телефонного сигнала при частоте дискретизации = 8 кГц выигрыш в отношении сигнал-шум составляет примерно 2,5 раза или около 4 дБ, что соответствует экономии 0,67 разряда (рассмотренного ранее примера). Такой выигрыш вряд ли окупает усложнение аппаратуры при передаче телефонных сигналов.

При передаче сигналов звукового вещания, имеющих ту же корреля­ционную функцию, частота дискретизации = 32 кГц. Аналогичные рас­четы показывают, что в этом случае выигрыш от применения разностных методов составляет более 15 дБ. Это позволяет уменьшить число разрядовв кодовой комбинации на два-три. Еще большим оказывается выигрыш при передаче видеосигналов, основная энергия которых сосредоточена в области нижних частот. Доказано, что применение ДИКМ для передачи телевизионных сигналов позволяет с учетом особенностей восприятия видеосигналов уменьшить число разрядов в кодовой комбинации с семи-девяти до четырех-пяти.

Наибольшим искажениям квантования при ДИКМ подвергаются раз­ностные сигналы малой величины. Для уменьшения этих искажений мож­но применить неравномерное квантование, при котором шаг квантования возрастает по мере увеличения значения разностного сигнала. Такой ме­тод разностного кодирования называется адаптивной дифференциальной импульсно-кодовой модуляцией (АДИКМ), поскольку при этом происхо­дит адаптация величины шага квантования к параметрам кодируемого сигнала. Функциональная схема кодека АДИКМ приведена на рис. 4.4.

Рис. 4.4. Функциональная схема кодека АДИКМ

На выходе вычитающего устройства ВУ формируется разностный сиг­нал , получаемый как разность входного сигнала и суммарного сигнала предсказания и его разности, формируемого кодеком. Кодек АДИКМ представляет собой замкнутую систему с цепью обратной связи, в которую включено устройство, называемое предсказателем (ПРДС). На передающей стороне предсказанное значение С_пр1 формируется из пред­шествующих отсчетов входного сигнала в ПРДС, которые поступают на сумматор . На второй вход сумматора поступает разностный сигнал который формируется схемой сравнения СС, блоком управления БУ, нелинейным цифровым преобразователем НЦП, представляющим экспандер с коэффициентом экспандирования, изменяющимся под воз­действием сигналов от блока управления БУ. Этим самым изменяется шаг квантования в соответствии с изменениями крутизны входного сигнала и, следовательно, осуществляется процесс адаптации. Сигнал AC_npi формиру-

ется такой величины и знака, чтобы с точностью до ошибки квантования выполнялось условие Процесс взвешивания контро-

лируется схемой сравнения СС, второй вход которой имеет нулевой по­тенциал. Формирователь кода АЦП формирует кодовую комбинацию, соответствующую разностному сигналу На приемной стороне пре­образования производятся в обратном порядке, только преобразователь кода ПК формирует цифровую комбинацию, соответствующую в параллельном коде.

Рис. 4.5. Система ДИКМ с тремя порядками предсказания

С более общей точки зрения ДИКМ представляет собой особого рода линейный предсказатель с кодированием и передачей ошибок предсказа­ния. Сигнал в цепи обратной связи систем с ДИКМ (рис. 4.2 и рис. 4.4) представляет собой предсказание первого порядка значения следующего отсчета, а разность между значениями отсчетов является ошибкой пред­сказания. С этой точки зрения реализацию ДИКМ можно расширить та­ким образом, чтобы включить в цепь предсказания значения более чем одного предсказания (значения более одного предшествующего отсчета). За счет этого дополнительная избыточность, извлекаемая из всех предше­ствующих отсчетов, может быть взвешена и суммирована для получения лучшей оценки значения следующего входного отсчета. В связи с улуч­шенной оценкой диапазон ошибок предсказания уменьшается, что дает возможность кодирования с меньшим числом разрядов. Для систем с по­стоянными коэффициентами предсказания большая часть реализуемого выигрыша достигается, когда используются значения только трех послед­них отсчетов. Типовой вариант кодера с линейным предсказанием (КПП) на основе значений трех последних отсчетов, приведен на рис. 4.5, где а -весовые коэффициенты. Возможна реализация запоминающих устройств ЗУ (интеграторов) как аналоговой, так и цифровой схемотехникой

Ранее отмечалось, что с ДИКМ и АДИКМ (предсказание первого по­рядка) обычно получается уменьшение разрядности кодовой комбинации соответствующего отсчета на один разряд по сравнению с числом разря­дов в системах с ИКМ при эквивалентных показателях качества передачи. В системах с ДИКМ с предсказанием третьего порядка (рис. 4.5) может быть достигнуто уменьшение на 1,5...2 разряда. Таким образом, ДИКМ с предсказанием может обеспечить сопоставимое с ИКМ качество при ско­рости передачи 48 кбит/с. Рассмотренные виды ДИКМ могут существен­но снизить скорость передачи цифрового сигнала, но использование их невелико, так как дельта-модуляция, рассматриваемая ниже, дает сопоста­вимое качество передачи с ДИКМ при более простой реализации.