Файл: Лавриненко О.Ю. - Алгоритми та програмні засоби фільтрації і стиснення сигналів в ТКС.pdf

16 

1.3. Дельта-модуляція 

Прикладом простого застосування різничного квантування є дельта - модуляція 

(ДМ).  У  системах  такого  типу  частота  дискретизації  вибирається  у  багато  разів 

більше,  ніж  частота  Котельникова.  В  результаті  сусідні  відліки  виявляються  у 

великій  мірі  корельованими.  У  системі  з  дельта  -  модуляцією  використовується 

простий  однорозрядний  (дворівневий)  квантуватель.  Таким  чином,  швидкість 

передачі при використанні ДМ чисельно дорівнює частоті дискретизації. 

1.3.1. Лінійна дельта-модуляція 

У  цьому  випадку  квантуватель  має  тільки  два  рівні  і  крок  квантування 

фіксований. Позитивний рівень квантування відповідає c(n)=0, а негативний c(n)=1. 

Таким  чином,  згідно  з 





















.

1

)

(

,

;

0

)

(

,

)

(

n

c

n

c

n

d

  Якщо  крутизна  вхідного  сигналу 

максимальна,  то  для  того,  щоб  послідовність  відліків 

)}

(

{ n

x



  (на  виході  кодера) 

зростала  так  само  швидко,  як  і  послідовність 

)}

(

{ n

x

  (на  вході  кодера)  в  області 

максимальної крутості, необхідно зажадати виконання нерівності: 

dt

t

dx

T

a

)

(

max





. 

Інакше  відновлений  сигнал  буде  "відставати"  від  початкового.  Оскільки 

максимальна  крутизна 

)

(n

x



обмежується  кроком  квантування,  то  зростання  або 

спадання послідовності 

)

(n

x



 відбувається по відповідній ступінчастій лінії.  

Крок квантування визначає також і максимальну помилку, коли крутизна мала. 

Наприклад  ,  якщо  сигнал  на  вході  дорівнює  нулю  (канал  не  зайнятий),  сигнал  на 

виході  квантувателя  являє  собою  змінну  послідовність  нулів  і  одиниць,  що 

призводить  до  флуктуації  відновленого  сигналу  навколо  нульового  чи  іншого 

постійного рівня з розмахом 



. Це викликає т. н. шум дроблення. 

1.3.2. Адаптивна дельта-модуляція 

Відомий  ряд  методів  адаптивної  дельта-модуляції  (АДМ).  Більшість  цих 

методів засновано на адаптації по виходу, коли крок квантування перебудовується 

17 

по  вихідний  послідовності  кодових  слів.  Подібна  побудова  кодеків  АДМ  володіє 

тою  перевагою,  що  не  вимагає  синхронізації  по  кодовим  словам,  оскільки  за 

відсутності  помилок  крок  квантування,  як  передавача,  так  і  приймача 

перебудовується в одній і тій же кодової послідовності. Оскільки мінімальний крок 

квантування  може  бути  зроблений  значно  менше,  ніж  той,  який  необхідний  для 

оптимальної  роботи  лінійного  дельта-модулятора,  шум  дроблення  може  бути 

істотно  зменшений.  Аналогічно  максимальний  крок  квантування  можна  зробити 

більшим, ніж  максимальна  крутизна  вхідного  сигналу,  що  призведе  до  зменшення 

шуму перенавантаження по крутизні.  

Поліпшення якості систем АДМ досягнуто шляхом її незначного ускладнення. 

Оскільки адаптація здійснюється по вихідному потоку двійкових символів, система 

АДМ  зберігає  основну  перевагу  систем  з  дельта-модуляцією,  тобто  не  вимагає 

синхронізації по кодовим словам.  

По  суті,  дельта-модулятор  являє  собою  систему  з  диференціальною  ІКМ 

(ДІКМ). Дельта-модулятор також можна назвати однорозрядною системою з ІКМ. У 

загальному  випадку,  однак,  термін  "різнична  ІКМ"  застосовується  по  відношенню 

до систем, в яких квантуватель має більше двох рівнів квантування. 

1.4. Диференційна ІКМ 

Диференціальна  ІКМ  заснована  на  нелінійному  відстеженні  за  переданим 

сигналом. У кодері можна виділити ланцюг зворотного зв'язку, де використовується 

місцевий  декодер.  З  вихідного  цифрового  сигналу  формується  сигнал  (оцінка, 

копія), порівнюваний з вихідним переданим сигналом (рис.1.2). Сигнал різниці після 

дискретизації  квантуется  і  за  знаком,  і  за  величиною,  після  чого  формуються 

двійкові символи або кодові слова цифрового сигналу. На відміну від випадку ІКМ 

при диференціальної ІКМ квантуванню піддається не сам вихідний сигнал, а різниця 

між  ним  і  результатом  передбачення,  який  формується  на  виході  передвісника. 

Похибка  квантування  цієї  різниці,  що  визначається  використовуваним  в  кодері 

квантувателя, характеризує відмінність між вихідним сигналом і його квантованною 

копією (апроксимуючим сигналом) на виході передвісника. 

18 

На  приймальній  стороні  з  прийнятого  цифрового  сигналу  аналогічним  чином 

формується  квантований  апроксимуючий  сигнал,  який  після  низькочастотної 

фільтрації та посилення надходить на вихід телефонного каналу. 

Рис.1.2. Структурна схема кодека ДІКМ. 

1.5. Адаптивна диференційна ІКМ 

Врахувати нестаціонарний характер мовного сигналу, а зокрема повільна зміна 

його  потужності  (дисперсії),  дозволяє  адаптивний  квантуватель.  Крок  квантування 

змінюється  відповідно  до  дисперсією  квантуемого  сигналу,  при  цьому  оцінка 

дисперсії  може  здійснюватися  в  результаті  аналізу  або  вхідного,  або  вихідного 

сигналу  квантувателя.  Відповідно  маємо  пряме  (ПУ)  і  зворотне  (ЗУ)  управління 

квантуванням.  Перевагою  алгоритмів  з  ПУ,  коли  оптимальне  навантаження 

квантувателя  регулюється  за  оцінкою  короткочасної  дисперсії  вхідного  сигналу,  є 

19 

висока  завадостійкість  передачі  інформації  про  крок  квантування.  Однак  потрібна 

додаткова пропускна здатність тракту для передачі сигналу керування в декодер. 

Структурна  схема  адаптивного  квантувателя  з  прямим  управлінням  (рис.1.3) 

містить  блок  адаптації  та  адаптивно-керовані:  аналого-цифровий  (АЦП)  і  цифро-

аналоговий (ЦАП) перетворювачі.  

При  зворотному  управлінні  квантуванням  оцінюється  короткочасна  дисперсія 

стисненого  квантованного  сигналу.  У  цьому  випадку  сигнал  управління  кроком 

квантування  виділяється  з  послідовності  кодових  слів  з  виходу  кодера  на 

передавальній стороні і з входу декодера на приймальній стороні. Структурна схема 

адаптивного квантувателя з ЗУ (рис.1.4) містить ті ж функціональні елементи, що і 

квантуватель з ПУ, змінилося лише місце включення входу блоку адаптації.  

У  диференціальних  кодеках  формується  апроксимуючя  напруга,  зрівняна  з 

переданим  сигналом.  Ця  процедура  прогнозу  може  бути  фіксованою  або 

адаптивною. 

L - число відліків прямокутного вагового вікна,    

k



 - крок квантування.   

Рис.1.3. Структурна схема квантувателя з прямим управлінням. 

20 

          Рис.1.4. Структурна схема квантувателя із зворотним керуванням. 

1.6. Кодер АДІКМ 

На рис.1.5 представлена  структурна схема кодера АДІКМ. Після перетворення 

вхідного  сигналу  ІКМ  з  A  -  або  μ  -  закону  в  стандартну  ІКМ,  виходить  сигнал 

відмінності, відніманням оцінки вхідного сигналу від самого вхідного сигналу. 

Адаптивний  квантуватель  рівня  використовується  для  того,  щоб  призначити 

п'ять,  чотири,  три  або  дві  довічних  цифри  для  передачі  в  дешифратор  величини 

сигналу  відмінності.  Зворотній  квантуватель  виробляє  квантування  сигналу 

відмінності.  Сигнальна  оцінка  додається  до  цієї  квантованої  різниці  сигналів,  для 

того  щоб  можна  було  провести  відновлення  вхідного  сигналу.  Як  відновлений 

сигнал  так  і  квантований  різнисний  сигнал  обробляються  адаптивним 

передвісником, який проводить оцінку вхідного сигналу, цим самим завершує цикл 

зворотного зв'язку. 

На рис.1.5 представлена структурна схема кодера (для кожної описаної змінної, 

k - індекс дискретизації і відліки взяті з інтервалами 125 мкс). 

• Вхідний сигнал s(k) перетворюється з A- закону або μ - закону ІКМ в сигнал 

sl(k) - стандартної ІКМ. 

•  Обчислюється  різниця d(k)  між  сигналом  sl(k)  стандартної  ІКМ  і  сигнальної 

оцінкою s

e

(k). 

Використовується  неоднорідний  адаптивний  квантуватель  для  квантування 

різнисного  сигналу  d(k),  для  того  щоб  оперувати  з  40,  32, 24  або  16  кбіт/с.  Перед