Дослідження ефективності використанні ДІКМ при передачі сигналів звукомовлення

 

Рисунок 1.6 - Схема системи зв'язку з ІКМ 

      Квантування за рівнями полягає  в тому, що вимірюється миттєве  значення безперервного повідомлення (відліку) і йому присвоюється  один рівень із загального  числа можливих. Число рівнів  квантування залежить від характеру  переданого повідомлення. Так, наприклад,  для передачі мовного повідомлення, згідно міжнародного стандарту,  передбачено число рівнів N = 128, для  телевізійного сигналу - N = 30, а  фототелеграфної - N = 12. У загальному  випадку N = m∙n, де n - число розрядів коду, за допомогою якого передається дане повідомлення, а m - підстава коду.

 

                  Рисунок 1.7-  Квантування ІКМ 

      Процес перетворення безперервного  повідомлення в цифровий сигнал ілюструється графіками на рисунку 1.7. Під кроком квантування Dlвх на вході системи розуміється різниця значень сусідніх порогів квантування hi. При рівномірному квантуванні Dl = сonst. Крок квантування на виході системи дорівнює різниці сусідніх рівнів оцінюваного повідомлення ∆λ.

       При рівномірному квантуванні крок квантування на вході і виході системи однаковий і не залежить від номера області квантування. Рівномірний квантування реалізується простіше, але при нерівномірному квантуванні, якщо крок вибирати у відповідності з характеристиками повідомлення, можна забезпечити більш високу точність передачі.

      Причинами, що приводять до відмінності отримане повідомлення від переданого в системі з ІКМ, є:

а) шум  квантування e(t);  

б) перешкоди  в каналі, які накладаються на передані символи кодових комбінацій і  можуть викликати помилки. Помилки  в символах (за відсутності надмірності) призводять до помилкового декодуванню  всієї кодової комбінації.

      Шум квантування не пов'язаний із перешкодами в каналі і повністю визначається вибором числа рівнів квантування. Очевидно, чим більше рівнів квантування, тим менше різниця між квантованим та істинним значеннями повідомлення, тому що  

e(t)= λ_кв(t)- λ(t), 

при  е=∆λ_вх. Його можна зробити як завгодно малим, збільшуючи число рівнів квантування. Однак, при цьому збільшується довжина кодових комбінацій, а, отже, пропорційно автоматично скорочується тривалість елементарного символу, що призводить до розширення спектру сигналу. Можна збільшити інтервал дискретизації, але збільшиться і помилка (при постійній тривалості символу).

      Нерівномірне квантування. Якщо ймовірність досягнення сигналом різних рівнів квантування неоднакова, то зменшуючи крок квантування для найбільш ймовірних значень сигналу і збільшуючи для менш ймовірних значень сигналу, можна знизити вплив шуму. Однак шкала квантування, що мінімізує рівень шуму для одного сигналу, виявляється неоптимальною при іншому сигналі.

       У телефонних системах з ІКМ зазвичай ставиться завдання: вибором закону зміни кроку квантування забезпечити приблизно рівний вплив шуму квантування в досить широкому діапазоні рівнів вхідних сигналів.

       Одним з можливих способів здійснення безперервного квантування - використання компандера. При цьому на передавальній стороні за рахунок використання компресора динамічний діапазон сигналу стискається, а потім рівномірно квантуєтся. На приймальному боці виробляється зворотне перетворення, тобто цифро-аналогове перетворення з рівномірним кроком, а потім за допомогою еспандера відновлюється вихідний динамічний діапазон. Система, що складається з послідовно включених компресора і експандера, називається компандер. 
 

      1.6 Перетворення сигналу при дельта-модуляції  

      Дельта-модуляція являється варіантом  диференційної імпульсно-кодової  модуляції,  для кодування різницевого  сигнал використовується тільки  один біт. Цей біт служить  для того, аби збільшити або  зменшити оціночний рівень. Прикладом  реалізації дельта-модуляції може  служити схема, показана на  рисунку 1.8. Сигнал ЦАП відстежує  вхідний сигнал in (t). Тут компаратор  замінив диференціальний підсилювач, який використовується в диференціальному  імпульсно-кодовому модуляторі. 

Рисунок 1.8 – Схема пристрою лінійної ДМ 

      Якщо швидкість наростання вхідного  сигналу велика, то рівень на  виході ЦАП буде відставати  і зможе нагнати In (t) тільки, коли  вхідний сигнал почне зменшуватися. Даний метод не є розумною  альтернативою PCM. Для поліпшення  характеристик дельта-перетворювача  реверсивний лічильник можна замінити цифровим процесором, при цьому крок S стає змінним, але кратним деякому базового значення.

      Пікоподібну напругу можна відновити з бінарного сигналу шляхом інтегрування, а більш гладка апроксимація досягається наступним пропусканням сигналу через фільтр нижніх частот. Швидкість передачі цифрових кодів, необхідну для отримання заданої якості, можна значно зменшити, використовуючи, наприклад, лінійне кодування з прогнозом.

     Фактично, дельта-модуляція є різновидом іншого, більш відомого, способу перетворення - імпульсно-кодової модуляції (ІКМ), в якій число рівнів квантування дорівнює двом. При ДМ по каналу зв'язку передається не абсолютне значення сигналу, а різниця між вихідним аналоговим сигналом і апроксимуючою напругою (сигнал помилки). У порівнянні зі своїми вічними конкурентами, ІКМ і АДІКМ, дельта-модуляція характеризується меншою складністю технічної реалізації, більш високими перешкодозахищеністю і гнучкістю зміни швидкості передачі. У найпростішому випадку принцип простий дельта-модуляції можна пояснити на осцилограмах.

      Основний недолік ДМ полягає в тому, що дельта-кодер не встигає відстежувати швидкі зміни рівня сигналу, внаслідок чого виникає перевантаження по крутизні. Існує велика кількість різновидів ДМ, в яких задіяні різні механізми усунення цього виду спотворень. Більшість з них засновані на використанні миттєвого або інерційного компандування аналогового сигналу або адаптивної зміни сходинки апроксимує напруги у відповідності з крутизною вхідного сигналу. На наступному малюнку показано в чому суть даного недоліку.

     Процес ДМ є лінійним, тому що місцевий декодер, тобто інтегратор, є лінійним пристроєм (під місцевим декодером далі розуміється схема, включена в ланцюзі зворотного зв'язку модулятора. При лінійної ДМ це всього лише інтегратор, але в інших випадках можуть бути вельми складні схеми).

     При безпомилкової передачі, виконавчі імпульси відновлюються на приймальній стороні і надходять на місцевий декодер (інтегратор) для формування сигналу, який відрізняється від вихідного на сигнал помилки у модуляторі. Вихідний демодульований сигнал виходить після фільтра нижніх частот (ФНЧ), включеного на виході місцевого декодера з метою усунення високочастотних складових шуму квантування.

       Дельта-модулятор функціонує як аналого-цифровий перетворювач, який апроксимує аналоговий сигнал x (t) лінійної ступінчастою функцією. Для забезпечення гарної апроксимації сигнал x (t) має змінюватися поволі щодо швидкості стробування. Це вимагає, щоб його частота дискретизації була б у кілька разів (не менше 5) більше частоти Найквіста-Котельнікова. 
 
 
 
 

 

Рисунок 1.8 – Перетворення сигналу при  ДМ 

     На рис. 1.8 показано, як змінюються в часі сигнали в деяких точках схеми дельта-модулятора при вихідному гармонійному сигналі. Для зручності елементи вихідний двійковій послідовності представлені імпульсами, що мають малу тривалість t.

      Якщо в деякій тактовою точці сигнал помилки e (t)> 0, на виході дельта-модулятора з'явиться позитивний імпульс. У результаті інтегрування цього імпульсу апроксимуючої напруга у(t) збільшується на одну позитивну сходинку. Це збільшення напруги у(t) далі віднімається з сигналу x(t), і тим самим змінюється абсолютне значення сигналу помилки. До тих пір, поки e (t)> 0, у наступних тактах буде формуватися безперервна послідовність позитивних імпульсів. Зрештою, апроксимуючої напруга y(t) виявиться більше вихідного сигналу x(t), і сигнал помилки e (t) в цьому такті змінить знак. Тому на виході модулятора з'явиться негативний імпульс, що приведе до зменшення апроксимує напруги у = f (t) на один крок квантування Δ. Отже, дельта-модулятор прагне мінімізувати сигнал помилки.

      Модулятор прагне сформувати таку структуру послідовності L(n), щоб її середнє значення було приблизно дорівнює середньому значенню крутизни гармонійного сигналу за короткий інтервал часу. Одиночний імпульс послідовності L(n) формує на виході інтегратора перепад апроксимує напруги з амплітудою Δ = Vτ вольт. Тоді на інтервалі тривалістю Т середнє значення послідовності L (n) може бути тепер записано як 0,4Δ / Т. Зміна ж вихідного сигналу x (t) за той же інтервал часу становить З А, що відповідає середній крутизні 0,3 Δ / Т, що є наближенням до середнього значення послідовності L(n).

       Якщо Δ мало, а fд велике, то це наближення поліпшується. На інтервалі часу в 10 тактів між моментами t3 і t4 крутизна сигналу x (t) дорівнює 0,1Δ / T а середнє значення послідовності L (n) дорівнює 0,2 Δ / Т. Однак якщо середнє значення послідовності L (n) обчислюється на інтервалі між моментами t5 і t6, то воно дорівнює нулю, тоді як середня крутизна сигналу x(t) свідчить про доцільність мінімізації величини Δ за умови, що зберігається можливість стеження за вихідним сигналом x(t). 
 
 

       1.7 Диференціальна імпульсно-кодова модуляція (ДІКМ) 

       У бакалаврській роботі використовується  ДІКМ. Диференціальна імпульсно-кодова модуляція (ДІКМ) - це метод кодування сигналу, який грунтується на імпульсно-кодової модуляції, але використовує додаткові можливості для компактного представлення, грунтуючись на прогнозуванні відліків сигналу. ДІКМ може бути застосовуватися для аналогового сигналу або цифрового сигналу.

       Диференціальна ІКМ відрізняється  від простої  ІКМ тим, що при передачі даних використовується різниця між поточним значенням сигналу і попереднім. Диференціальна ІКМ заснована на тому факті, що різниця вимагає меншої кількості біт, ніж повна величина амплітуди сигналу.

     Розглянемо, що собою являє диференціальна імпульсно-кодова модуляція (ДІКМ). Аналоговий мовний сигнал має велику надмірність. Це дозволяє передбачати черговий відлік і передавати тільки різницю між фактичним і передбаченим значенням кожного відліку. Під системою ДІКМ розуміють систему з квантуванням і передачею залишку прогнозу. 

 

Рисунок 1.9 - Структуна схема ДІКМ 

      Цей вид модуляції призначений  саме для всіх видів аналогових  сигналів, в тому числі і для  сигналів звукомовлення. Щоб одержати  на вході каналу зв'язку (передавальний  кінець) ІК-модульований сигнал з  аналогового, амплітуда аналогового  сигналу вимірюється через рівні  проміжки часу. Кількість оцифрованих  значень у секунду (або швидкість  оцифрування) кратна максимальній  частоті (Гц) у спектрі аналогового  сигналу. Миттєве обмірюване значення  аналогового сигналу округляється  до найближчого рівня з декількох  заздалегідь певних значень. Цей  процес називається квантуванням, а кількість рівнів завжди  береться кратним ступеню двійки, наприклад, 8, 16, 32 або 64. Номер рівня  може бути відповідно представлений  3, 4, 5 або 6 бітами. Таким чином,  на виході модулятора виходить  набір бітів (0 або 1).

      На прийомному кінці каналу  зв'язку демодулятор перетворює  послідовність бітів в імпульси  з тим же рівнем квантування,  що використав модулятор. Далі  ці імпульси використовуються  для відновлення аналогового  сигналу.

      Диференціальна (або дельта) імпульсно-кодова модуляція (ДІКМ) кодує сигнал у вигляді різниці між поточним і попереднім значенням. Для звукових даних такий тип модуляції зменшує необхідну кількість біт на відлік приблизно на 25%. При застосуванні спеціальних методів кодування мовного сигналу можливо подальше зменшення швидкості передачі.

     Використання цифрових методів кодування мови визначається наступними чинниками:

      а) передачею сигналів по лініях з мінімальною пропускною спроможністю;

      б) мінімальним заповненням масивів пам'яті систем, що надають різні послуги;

      в) поліпшенням якості передачі сигналів шляхом збільшення

смуги частот, що передається в межах  тієї ж пропускної спроможності лінії .