Рис. 4. Структурная схема кодека с мгновенной компрессией по структуре цифрового потока
Схема содержит классический дельта-модулятор, к которому дополнительно подключены амплитудно-импульсный модулятор и импульсный преобразователь ИП. Импульсный преобразователь в зависимости от характеристик двоичной последовательности изменяет величину приращений аппроксимирующего напряжения, для чего используется модулятор. Главным достоинством данного тина мгновенного компандирования является возможность реализации аппаратуры на современных элементах счетной техники, что обеспечивает точное соответствие характеристик компрессии на стороне передачи и экспандирования на стороне приема. Принцип работы такой схемы можно пояснить с помощью временных диаграмм, приведенных на Рис. 5.
Рис. 5. Временные диаграммы работы кодека с мгновенной компрессией по структуре цифрового потока
В системах с КДМ при вероятности ошибочною приема символа, равной , качество телефонной связи оказывается вполне удовлетворительным. В системах с ИКМ при передачи телефонных сообщений вероятность ошибочного приема символов не должна превышать .
Основным недостатком КДМ по сравнению с ИКМ является более высокая стоимость оконечного оборудования, т.к. кодеки являются индивидуальными устройствами, в то время как в системах с ИКМ кодеки включаются в групповую часть аппаратуры. Совершенствование элементной базы и интегральных схем сглаживают этот недостаток.
Вместо того, чтобы квантовать значение входного аналогового сигнала, дельта-модуляция квантует разницу между текущим и предыдущим шагом, как показано на блок-схеме на рис.
Передаточные характеристики
Двумя источниками шума при дельта-модуляции являются «перегрузка наклона», когда размер шага слишком мал для отслеживания исходной формы сигнала, и «гранулярность», когда размер шага слишком велик. Но исследование 1971 года показывает, что перегрузка наклона менее нежелательна по сравнению с детализацией, чем можно было бы ожидать, основываясь исключительно на показателях отношения сигнал / шум.
Мощность выходного сигнала
При дельта-модуляции существует ограничение на амплитуду входного сигнала, потому что, если передаваемый сигнал имеет большую производную (резкие изменения), то модулированный сигнал не может следовать за входным сигналом, и возникает перегрузка по наклону. Например, если входной сигнал
м ( т ) знак равно А потому что ( ω т ) <\ Displaystyle м (т) = <А \ соз (\ омега т)>> ,
модулированный сигнал (производная входного сигнала), который передается модулятором, равен
| м ˙ ( т ) | м а Икс знак равно ω А <\ displaystyle | <\ dot > (t) | _ = \ omega A> ,
тогда как условие предотвращения перегрузки на склоне
| м ˙ ( т ) | м а Икс знак равно ω А σ ж s <\ displaystyle | <\ dot > (t) | _ = \ omega A .
Таким образом, максимальная амплитуда входного сигнала может быть
Битрейт
Адаптивная дельта-модуляция
В противном случае размер шага со временем будет постепенно уменьшаться. ADM уменьшает ошибку наклона за счет увеличения ошибки квантования. Эту ошибку можно уменьшить, используя фильтр нижних частот. ADM обеспечивает надежную работу при наличии битовых ошибок, что означает, что обнаружение и исправление ошибок обычно не используются в конструкции радиостанции ADM, это очень полезный метод, который позволяет применять адаптивную дельта-модуляцию.
Приложения
Современные приложения дельта-модуляции включают, но не ограничиваются, воссоздание форм сигналов унаследованных синтезаторов. С увеличением доступности ПЛИС и связанных с играми ASIC, частота дискретизации легко контролируется, чтобы избежать перегрузки наклона и проблем с детализацией. Например, C64DTV использовал частоту дискретизации 32 МГц, обеспечивая достаточный динамический диапазон для воссоздания выходного сигнала SID до приемлемых уровней.
Приложение SBS с дельта-модуляцией 24 кбит / с
Дельта-модуляция использовалась компанией Satellite Business Systems или SBS для своих голосовых портов для предоставления услуг междугородной телефонной связи крупным национальным корпорациям, которым требуется значительная связь между корпорациями (например, IBM). Эта система находилась в эксплуатации на протяжении 1980-х годов. Голосовые порты использовали цифровую дельта-модуляцию 24 кбит / с со сжатием голосовой активности (VAC) и подавители эха для управления полусекундным трактом эха через спутник. Они выполняли формальные тесты прослушивания для проверки 24 кбит / с дельта модулятор достигается полное качество передачи голоса без заметной деградации по сравнению с телефонной линией высокого качества или стандартного 64 кбит / с μ-закон компандируемой PCM. Это позволило увеличить пропускную способность спутниковых каналов в восемь-три раза. IBM разработала контроллер спутниковой связи и функции голосового порта.
Окончательная реализация заменила интегратор на предиктор, реализованный с двухполюсным комплексным парным фильтром нижних частот, предназначенным для аппроксимации долгосрочного среднего речевого спектра. Теория заключалась в том, что в идеале интегратор должен быть предсказателем, предназначенным для согласования спектра сигнала. Почти идеальный Shindler Compander заменил модифицированную версию. Было обнаружено, что модифицированный компандер привел к менее чем идеальному размеру шага на большинстве уровней сигнала, а быстрое восстановление ошибки усиления увеличило шум, как определено в реальных тестах на прослушивание, по сравнению с простыми измерениями отношения сигнал / шум. Последний компандер добился очень небольшого восстановления ошибки усиления из-за ошибки округления естественного усечения, вызванной двенадцатибитной арифметикой.
Полная функция дельта-модуляции, VAC и управления эхом для шести портов была реализована в одной микросхеме цифровой интегральной схемы с двенадцатиразрядной арифметикой. Один цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП) использовался всеми шестью портами, обеспечивая функции сравнения напряжения для модуляторов и питающие схемы выборки и хранения для выходов демодулятора. Одна карта содержала микросхему, ЦАП и все аналоговые схемы для интерфейса телефонной линии, включая трансформаторы.
Дельта-модуляция (ДМ) — способ преобразования аналогового сигнала в цифровую форму. Метод дельта-модуляции был изобретён в 1946 г.
В каждый момент отсчёта сигнал сравнивается с пилообразным напряжением на каждом шаге дискретизации. Если отсчёт сигнала превышает по амплитуде пилообразное напряжение, то последнее нарастает до следующей точки дискретизации, в противном случае оно спадает. В простейшей системе наклон пилообразного напряжения сохраняется неизменным на всём протяжении процесса. Полученный бинарный сигнал можно рассматривать как производную от пилообразного напряжения. Выбирая достаточно малым значение шага Δ, можно получить любую заданную точность представления сигнала.
Фактически, дельта-модуляция представляет собой разновидность другого, более известного, способа преобразования — импульсно-кодовой модуляции (ИКМ), в которой число уровней квантования равно двум. При ДМ по каналу связи передаётся не абсолютное значение сигнала, а разность между исходным аналоговым сигналом и аппроксимирующим напряжением (сигнал ошибки). По сравнению со своими вечными конкурентами, ИКМ и АДИКМ, дельта-модуляция характеризуется меньшей сложностью технической реализации, более высокими помехозащищённостью и гибкостью изменения скорости передачи. В простейшем случае принцип простой дельта-модуляции можно пояснить на осциллограммах.
Преимущество дельта-модуляции по сравнению, например, с ИКМ, которая также генерирует бинарный сигнал, заключается не столько в реализуемой точности при заданной частоте дискретизации, сколько в простоте реализации.
Основной недостаток ДМ состоит в том, что дельта-кодер не успевает отслеживать быстрые изменения уровня сигнала, вследствие чего возникает перегрузка по крутизне. Существует большое число разновидностей ДМ, в которых задействуются различные механизмы устранения этого вида искажений. Большинство из них основаны на использовании мгновенного или инерционного компандирования аналогового сигнала либо адаптивного изменения ступеньки аппроксимирующего напряжения в соответствии с крутизной входного сигнала. На следующем рисунке показано в чём суть данного недостатка.
Содержание
Преобразование сигнала при дельта-модуляции
Пилообразное напряжение можно восстановить из бинарного сигнала путём интегрирования, а более гладкая аппроксимация достигается последующим пропусканием сигнала через фильтр нижних частот. Скорость передачи цифровых кодов, необходимую для получения заданного качества, можно значительно уменьшить, используя, например, линейное кодирование с предсказанием.
Структурные схемы модема, то есть модулятора и демодулятора, линейной ДМ показаны на илл. Входной аналоговый (речевой) сигнал ограничивается по спектру полосовым фильтром Фвх, имеющим граничные частоты fн и fв. Этот сигнал преобразуется дельта-модулятором в двоичную последовательность импульсов, которая с помощью интегратора, имеющегося в цепи обратной связи, преобразуются обратно в аналоговый сигнал и вычитается из входного сигнала. В результате формируется сигнал ошибки. Последний кодируется одним из двух возможных уровней квантования в зависимости от его полярности. В результате кодирования на выходе квантователя формируется выходная двоичная последовательность импульсов, которыми представляется знак разности между входным сигналом и сигналом обратной связи.
Процесс ДМ является линейным, потому что местный декодер, то есть интегратор, является линейным устройством (под местным декодером далее понимается схема, включенная в цепи обратной связи модулятора. При линейной ДМ это всего лишь интегратор, но в иных случаях могут быть весьма сложные схемы.) При безошибочной передаче, двоичные импульсы восстанавливаются на приёмной стороне и поступают на местный декодер (интегратор) для формирования сигнала, который отличается от исходного на сигнал ошибки в модуляторе. Выходной демодулированый сигнал получается после фильтра нижних частот (ФНЧ), включенного на выходе местного декодера с целью устранения высокочастотных составляющих шума квантования.
Дельта-модулятор функционирует как аналого-цифровой преобразователь, который аппроксимирует аналоговый сигнал x(t) линейной ступенчатой функцией. Для обеспечения хорошей аппроксимации сигнал x(t) должен меняться медленно относительно скорости стробирования. Это требует, чтобы его частота дискретизации была бы в несколько раз (не менее 5) больше частоты Найквиста-Котельникова.
Если в некоторой тактовой точке сигнал ошибки e(t)>0, на выходе дельта-модулятора появится положительный импульс. В результате интегрирования этого импульса аппроксимирующее напряжение у(t) увеличивается на одну положительную ступеньку. Это приращение напряжения у(t) далее вычитается из сигнала x(t), и тем самым изменяется абсолютное значение сигнала ошибки. До тех пор, пока e(t)>0, в последующих тактах будет формироваться непрерывная последовательность положительных импульсов. В конце концов, аппроксимирующее напряжение y(t) окажется больше исходного сигнала x(t), и сигнал ошибки e(t) в этом такте изменит знак. Поэтому на выходе модулятора появится отрицательный импульс, что приведёт к уменьшению аппроксимирующего напряжения у=f(t) на один шаг квантования Δ. Следовательно, дельта-модулятор стремится минимизировать сигнал ошибки.
Модулятор стремится сформировать такую структуру последовательности L(n), чтобы её среднее значение было примерно равно среднему значению крутизны гармонического сигнала за короткий интервал времени. Одиночный импульс последовательности L(n) формирует на выходе интегратора перепад аппроксимирующего напряжения с амплитудой Δ=Vτ вольт. Тогда на интервале длительностью Т среднее значение последовательности L(n) может быть теперь записано как 0.4Δ /Т. Изменение же исходного сигнала x(t) за тот же интервал времени составляет ЗА, что соответствует средней крутизне 0,3Δ/Т, являющейся приближением к среднему значению последовательности L(n).
Если Δ мало, а fд велико, то это приближение улучшается. На интервале времени в 10 тактов между моментами t3 и t4 крутизна сигнала x(t) равна 0.1Δ/T а среднее значение последовательности L(n) равно 0,2Δ/Т. Однако если среднее значение последовательности L(n) вычисляется на интервале между моментами t5 и t6, то оно равно нулю, тогда как средняя крутизна сигнала x(t) свидетельствует о целесообразности минимизации величины Δ при условии, что сохраняется возможность слежения за исходным сигналом x(t).
Демодулятор
Демодулятор линейной ДМ состоит из интегратора и полосового фильтра. Предполагая, что передача последовательности L(n) осуществляется без ошибок, в результате её восстановления на приёмной стороне получим аппроксимирующее напряжение y(t). Этот сигнал y(t) тождественен сигналу обратной связи в модуляторе. Поскольку сигнал y(t) отличается от исходного сигнала x(t) на относительно небольшое значение сигнала ошибки e(t), то можно заключить, что сигнал на выходе интегратора демодулятора является хорошим воспроизведением исходного аналогового сигнала. Ступенчатая форма сигнала y(t) сглаживается при прохождении этого сигнала через фильтр с полосой пропускания, равной полосе частот сигнала, то есть фильтры Фвх и Фвых можно считать идентичными. Дальнейшее упрощение в демодуляторе связано с заменой выходного полосового фильтра фильтром нижних частот. Это связано с тем, что шум ниже частоты fн в общем не очень существенен. Простота демодулятора линейной ДМ является одним из достоинств, особенно когда интегратор можно реализовать всего из одного резистора и одного конденсатора.
Преобразование сигнала при дельта-модуляции Пилообразное напряжение можно восстановить из бинарного сигнала путем интегрирования, а более гладкая аппроксимация достигается последующим пропусканием сигнала через фильтр нижних частот. Скорость передачи цифровых кодов, необходимую для получения заданного качества, можно значительно уменьшить, используя, например, линейное кодирование с предсказанием. Фактически, дельта-модуляция представляет собой разновидность другого, более известного, способа преобразования — импульсно-кодовой модуляции (ИКМ), в которой число уровней квантования равно двум. При ДМ по каналу связи передается не абсолютное значение сигнала, а разность между исходным аналоговым сигналом и аппроксимирующим напряжением (сигнал ошибки). По сравнению со своими вечными конкурентами, ИКМ и АДИКМ, дельта-модуляция характеризуется меньшей сложностью технической реализации, более высокими помехозащищенностью и гибкостью изменения скорости передачи В простейшем случае принцип простой дельта –модуляции можно пояснить на осциллограммах.
Основной недостаток ДМ состоит в том, что дельта-кодер не успевает отслеживать быстрые изменения уровня сигнала, вследствие чего возникает перегрузка по крутизне. Существует большое число разновидностей ДМ, в которых задействуются различные механизмы устранения этого вида искажений. Большинство из них основаны на использовании мгновенного или инерционного компандирования аналогового сигнала либо адаптивного изменения ступеньки аппроксимирующего напряжения в соответствии с крутизной входного сигнала. На следующем рисунке показано в чем суть данного недостатка.
Структурные схемы модема, те. модулятора и демодулятора, линейной ДМ показаны на рис. 1.3. Входной аналоговый (речевой) сигнал ограничивается по спектру полосовым фильтром Фвх имеющим граничные частоты fн и fв. Этот сигнал преобразуется дельта-модулятором в двоичную последовательность импульсов, которая с помощью интегратора, имеющегося в цепи обратной связи, преобразуются обратно в аналоговый сигнал и вычитается из входного сигнала. В результате формируется сигнал ошибки. Последний кодируется одним из двух возможных уровней квантования в зависимости от его полярности. В результате кодирования на выходе квантователя формируется выходная двоичная последовательность импульсов, которыми представляется знак разности между входным сигналом и сигналом обратной связи. Процесс ДМ является линейным, потому что местный декодер, т.е. интегратор, является линейным устройством (под местным декодером далее понимается схема, включенная в цепи обратной связи модулятора. При линейной ДМ это всего лишь интегратор, но в иных случаях могут быть весьма сложные схемы.) При безошибочной передаче, двоичные импульсы восстанавливаются на приемной стороне и поступают на местный декодер (интегратор) для формирования сигнала, который отличается от исходного на сигнал ошибки в модуляторе. Выходной демодулированый сигнал получается после фильтра нижних частот (ФНЧ), включенного на выходе местного декодера с целью устранения высокочастотных составляющих шума квантования. Дельта-модулятор функционирует как аналого-цифровой преобразователь, который аппроксимирует аналоговый сигнал x(t) линейной ступенчатой функцией. Для обеспечения хорошей аппроксимации сигнал x(t) должен меняться медленно относительно скорости стробирования. Это требует, чтобы его частота дискретизации была бы в несколько раз (не менее 5) больше частоты Ко-тельникова. На. рис. 1.4 показано, как изменяются во времени сигналы в некоторых точках схемы дельта-модулятора при исходном гармоническом сигнале. Для удобства элементы выходной двоичной последовательности представлены импульсами, имеющими пренебрежимо малую длительность т. Если в некоторой тактовой точке сигнал ошибки e(t)>0, на выходе дельта-модулятора появится положительный импульс. В результате интегрирования этого импульса аппроксимирующее напряжение у(t) увеличивается на одну положительную ступеньку. Это приращение напряжения у(t) далее вычитается из сигнала x(t), и тем самым изменяется абсолютное значение сигнала ошибки. До тех пор, пока e(t)>0, в последующих тактах будет формироваться непрерывная последовательность положительных импульсов. В конце концов, аппроксимирующее напряжение y(t) окажется больше исходного сигнала x(t), и сигнал ошибки e(t) в этом такте изменит знак. Поэтому на выходе модулятора появится отрицательный импульс, что приведет к уменьшению аппроксимирующего напряжения у ft) на один шаг квантования Δ. Следовательно, дельта-модулятор стремится минимизировать сигнал ошибки. Модулятор стремится сформировать такую структуру последовательности L(n), чтобы ее среднее значение было примерно равно среднему значению крутизны гармонического сигнала за короткий интервал времени. Это обстоятельство иллюстрируется на рис. 1.5. Одиночный импульс последовательности L(n) формирует на выходе интегратора перепад аппроксимирующего напряжения с амплитудой Δ=Vτ вольт. Тогда на интервале длительностью Т среднее значение последовательности L(n) может быть теперь записано как 0.4Δ /Т. Изменение же исходного сигнала x(t) за гот же интервал времени составляет ЗА. что соответствует средней крутизне 0,3Δ/Т, являющейся приближением к среднему значению последовательности L(n). ЕСЛИ Δ мало, а fд велико, то это приближение улучшается. На интервале времени в 10 тактов между моментами t3 и t4 крутизна сигнала x(t) равна 0.1Δ/T а среднее значение последовательности L(n) равно 0,2Δ/Т. Однако если среднее значение последовательности L(n) вычисляется на интервале между моментами t5 и t6 то оно равно нулю, тогда как средняя крутизна сигнала x(t) свидетельствует о целесообразности минимизации величены Δ при условии, что сохраняется возможность слежения за исходным сигналом x(t). Демодулятор. Демодулятор линейной ДМ состоит из интегратора и полосового фильтра. Предполагая, что передача последовательности L(n) осуществляется без ошибок, в результате ее восстановления на приемной стороне получим аппроксимирующее напряжение y(t). Этот сигнал y(t) тождественен сигналу обратной связи в модуляторе, Поскольку сигнал y(t) отличается от исходного сигнала x(t) на относительно небольшое значение сигнала ошибки e(t), то можно заключить, что сигнал на выходе интегратора демодулятора является хорошим воспроизведением исходного аналогового сигнала.. Ступенчатая форма сигнала y(t) сглаживается при прохождении этого сигнала через фильтр с полосой пропускания, равной полосе частот сигнала, т.е. фильтры Фвх и Фвых можно считать идентичными. Дальнейшее упрощение в демодуляторе связано с заменой выходного полосового фильтра фильтром нижних частот. Это связано с тем, что шум ниже частоты fн в общем не очень существенен. Простота демодулятора линейной ДМ является одним из достоинств, особенно когда интегратор можно реализовать всего из одного резистора и одного конденсатора.
При передаче по проводным и радиоканалам аналогового сигнала, преобразованного в цифровую форму, возникает несколько проблем, связанных с аналого-цифровым преобразованием, синхронизацией,реализацией системы и т.д.
Важное значение в процессе преобразования аналогового сигнала играет форма аппроксимирующей функции. Так как осуществляется кодирование с предсказанием, а дельта-модуляция (ДМ) асинхронна, она может быть ступенчатой (у=1), линейной (у=х), квадратичной у=х2 и т.д. С возрастанием степени функции возрастает точность аппроксимации исходной функции, но увеличивается и сложность модема. На практике функция второго порядка является уже более чем достаточной для преобразования речевого сигнала.
Puc.1
Puc.2
При анализе сигнала с ДМ можно сказать, что ширина его спектра зависит от тактовой частоты. Для сужения спектра сигнала используется дельта-сигма-модуляция. При ней исходный аналоговый сигнал подвергается интегрированию перед его квантованием, как по уровню, так и по времени. На приемной стороне после демодуляции он подвергается дифференцированию для восстановления своей формы.
Дельта-модуляция может быть использована в системах передачи информации, цифровых фильтрах на основе PIC-процессоров, системах закрытия информации при передаче по каналам связи, охранных системах, кодовых замках и т.д. ДМ можно, например, использовать в УКВ-диапазонах, модулируя носитель информации в одном из разрешенных видов, и при этом не будет нарушен ни один пункт инструкции ГИЭ.
Заинтересованных прошу обращаться к автору, вложив конверт с обратным адресом.
, качество телефонной связи оказывается вполне удовлетворительным. В системах с ИКМ при передачи телефонных сообщений вероятность ошибочного приема символов не должна превышать 
.
,
