Дельта-модуляция

Дельта-модуляция (ДМ) представляет один из методов кодирования разностного сигнала, при котором в линию передается информация лишь о знаке приращения разности соседних отсчетов (предельный случай ДИКМ). При ДМ так же, как и при обычной ИКМ, непрерывный сигнал подвергается дискретизации и квантованию, в результате чего непрерыв­ная функция c(t) заменяется ступенчатой (кусочно-постоянной) функцией G(T) (рис. 4.6,а).

Однако, в отличие от ИКМ, при каждом шаге дискретизации допуска­ется приращение ступенчатой функции G(t), равное величине только од­ного шага квантования 5. В линию передаются сведения о знаке прираще­ния непрерывного сигнала c(t) в дискретные моменты времени кТ. Алго­ритм формирования линейного сигнала имеет вид

(4.1)

(4.2)

Таким образом, сигнал/(О при ДМ оказывается кодированным по дво­ичной системе и представляет собой последовательность двухполярных импульсов (рис. 4.6,6)- Из формулы (4.1) и рис. 4,7 ясно, что ступенчатый сигнал G(t) можно получить интегрированием линейного сигнала ДО» ^т-е. операция декодирования в приемнике системы передачи сводится к ин­тегрированию линейного сигнала f[t). Как и в системах с ИКМ или ДИКМ, при ДМ возникают шумы квантования (рис. 4.6,в). Упрощенная структурная схема цифрового канала на основе ДМ приведена на рис. 4.7

Первичный сигнал C{i) ограничивается с помощью ФНЧ по частоте и формируется сигнал c(t) с граничной частотой Сигнал c{i) поступает на один из входов вычитающего устройства ВУ, на другой вход которого поступает ступенчатый сигнал G(f), формируемый интегратором. На выходе ВУ получается разностный сигнал или сигнал ошибки е(г). Сигнал

ошибки поступает на кодер, на другой вход которого поступает периоди­ческая последовательность тактовых импульсов с частотой дискретизации Кодер формирует положительный импульс, если в момент посту­пления тактового импульса и отрицательный - приПо­следовательность двухполярных импульсов направляется в линию и одновременно подается на интегратор, формирующий ступенчатый сиг­нал G(t).

Функции декодирующего устройства в приемнике выполняет интегра­тор (аналогичный интегратору в схеме передатчика), на выходе которого получается ступенчатый сигнал G(t). После его сглаживания ФНЧ форми­руется сигнал , достаточно близкий к сигналу c(t). Совокупность уст­ройств, формирующих сигнал , называется дельта-кодером, совокуп­ность устройств, выполняющих преобразование сигнала ДО в сигнал с (г), называется дельта-декодером, а в целом эти устройства образуют дельта-кодек.

В связи с тем, что при ДМ приращение аппроксимирующей ступенча­той функции G(t) в моменты времени равно шагу квантования 5, на участках передаваемого сигнала c(t) с большой крутизной шум квантова­ния резко возрастает. Это явление называется перегрузкой кодера. На рис. 4.6,в перегрузка показана на участке Условие отсутствия перегрузок можно записать в виде

(4.4)

С другой стороны, чтобы шум квантования был достаточно мал, необ­ходимо задать минимально допустимое число М ступеней шкалы кванто­вания по уровню; следовательно

(4.5)

(4-6)

Из формулы (4.6) следует выражение для частоты дискретизации при ДМ

(4.7)

Расчеты показывают, что для передачи телефонных сообщений с дос­таточно высоким качеством при ДМ требуется в 2...3 раза более широкая полоса частот, чем при ИКМ. Это существенный недостаток ДМ. Основное достоинство ДМ - простота аппаратуры кодирования и декодирования.

Системы передачи на основе ДМ - это системы с линейным предска­занием. Одиночный интегратор в схеме, представленной на рис. 4.7, явля­ется простейшим видом предсказателя. Чем точнее предсказатель форми­рует копию сигнала (приближает функцию G(t) к сигналу c(t)), тем мень­ше шумы квантования. Один из возможных способов совершенствования предсказания состоит в использовании в качестве предсказателя в схеме дельта-кодера двойного интегратора. Переход к двойному интегратору повышает отношение сигнал-шумы квантования на 6... 10 дБ для всех видов сигналов.

При построении систем передачи на основе ДМ приходится удовле­творять противоречивым требованиям. С одной стороны, шаг квантова­ния должен быть настолько мал, чтобы шум квантования не превышал допустимого значения. С другой стороны, при заданной тактовой частоте шаг квантования необходимо 'выбирать достаточно большим, чтобы не возникали шумы перегрузки. Поскольку шаг квантования остается посто­янным, удовлетворить этим требованиям удается только при высокой час­тоте дискретизации, что приводит к увеличению тактовой частоты в 2-3 раза по сравнению с классической ИКМ при одинаковой защищенности от шумов квантования. Снизить частоту дискретизации для ДМ без уве­личения шумов квантования или повысить защищенность от шумов кван­тования при меньшем значении частоты дискретизации возможно приме­нением ДМ с компандированием или, как ее еще называют, адаптивной ДМ. При ДМ с компандированием шаг квантования в процессе формиро­вания ДМ сигнала изменяется в зависимости от параметров передаваемо­го сигнала. Компандирование бывает мгновенным и инерционным.

При мгновенном компандировании шаг квантования изменяется в каждом такте. Существует несколько разновидностей дельта-модуляции с мгновен­ным компандированием (ДММК), но все они основаны на изменении шага квантования при появлении перегрузки по крутизне (рис. 4.6,<?). Информацией о перегрузке может служить появление в выходном сигнале нескольких оди­наковых символов подряд. При ДММК используются различные правила из­менения шага квантования, каждое из которых является оптимальным для определенного типа сигналов. И в этом плане такие виды ДМ можно рассмат­ривать как варианты адаптивной дельта-модуляции (АДМ). В структуру дель­та-кодека ДММК (рис. 4.8) вводят анализатор (Анализ) вида импульсной по­следовательности и амплитудно-импульсный модулятор (АИМ).

Рис. 4.8. Структурная схема кодека ДММК

При появлении посылок одинаковой полярности анализатор управляет АИМ таким образом, что амплитуда импульсов, подаваемых на интегра­тор (Интегр), возрастает и соответственно возрастает шаг квантования сигнала. При обнаружении последовательных импульсов разной полярно­сти анализатор подает на АИМ напряжение, уменьшающее амплитуду выходных импульсов, и шаг изменения уменьшается. Существуют другие схемы кодеков ДММК, в которых вместо АИМ применяется широтно-импульсная модуляция (ШИМ). При ДММК защищенность от шумов квантования остается высокой в сравнительно большом диапазоне изме­нения мощностей входного сигнала, в то время как при ДМ она быстро уменьшается при увеличении входной мощности, что связано с ростом шумов перегрузки.