Дифференциальная импульсно-кодовая модуляция

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-тодером, 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 (t) на время Т, равное пе­риоду дискретизации Т_д; на выходе ЭЗ формируется сигнал видаC(t- Т_д); ДУ - дифференциальный усилитель, выполняющий роль вычитающего устройства, на выходе которого получается разност­ный сигнал видаC(t) -C(t- Т_д); Дискр - дискретизатор, осуществ­ляющий дискретизацию разностного сигнала на выходе ДУ с частотойf_A, на выходе которого получается сигналr(пТ_д); Кодер -кодирующие устройство, формирующее ДИКМ цифровой сигнал; Декодер - декодирующее устройство, преобразующее принятый цифровой ДИКМ сигнал в отсчеты разностного сигнала; Интг -интегратор, преобразующий сигналr(пТ_д) на выходе декодера в ступенчатый сигнал, который с помощью ФНЧ приема преобразует­ся в сигнал видаC'(t), отличающийся 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 t₁сигнал на выходе интегратора отсутству­ет, а сигнал на выходе дифференциального усилителя (ДУ) соот­ветствует непрерывному сигналу. Дискретный отсчет с амплитудойdквантуется и кодируется в кодере и затем через декодер посту­пает на интегратор (Интг), который запоминает его амплитуду до моментаt₂(т.е. на время равное периоду дискретизации Т_д). В моментt₂сигнал на не инвертирующем входе ДУ (+) равен анало­говому сигналу С₂, а на инвертирующем входе (-) – С₁. 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 С₂поступает на инте­гратор и запоминается им до моментаt₃. В этот момент опять происходит определение разности, ее квантование, кодирование и т. д. Когда сигнал на выходе интегратора (в моментt₄) больше аналогового сигнала, разность на выходе ДУ будет отрицательной. После квантования, кодирования и декодирования на выходе инте­гратора получится отрицательный скачок сигналана 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

.

Амплитуду разностного сигнала можно получить путем дифференциро­вания c(t) и деления ее на временной интервал между отсчетами(здесьГц - частота дискретизации)

Экономию числа разрядов можно определить по формуле

Iog₂(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 множеством способов в зависимости от разделения функций обработки сигнала между аналоговыми и цифровыми цепями. В одном крайнем случае функции дифференцирования (формирования разностного сигнала) и интегрирования могут быть реализованы посредством аналоговых цепей, в то время как в другом крайнем случае вся обработка сиг­налов может быть выполнена цифровым способом, а на вход по­ступают отсчеты в форме обычного ИКМ сигнала.

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

Находят применение системы с ДИКМ, где интегрирование вы­полняется в цифровой форме. Кодовая комбинация разностного сигнала вместо непосредственного преобразования снова в анало­говую форму в цепи обратной связи подвергается суммированию и накапливается в регистре для получения цифрового представле­ния предыдущего входного отсчета. Затем для получения из цепи обратной связи аналогового сигнала, применяемого для вычитания, используется цифро-аналоговый преобразователь на полный дина­мический диапазон сигнала.

В связи с достижениями в технологии 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, полученными цифровым способом. Отметим, что в этом случае аналого-цифровой преобразователь должен форми­ровать кодовые комбинации во всем динамическом диапазоне входных сигналов, в то время как в предыдущих случаях обрабаты­ваются только разностные сигналы.

Декодеры во всех трех 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 происходит ошибки, то сигнал на выходе декодера (перед фильтрацией) иден­тичен сигналу в цепи обратной связи. Таким образом, чем точнее сигнал в цепи обратной связи повторяет входной сигнал, тем точнее сигнал на выходе декодера повторяет входной сигнал.