Спилкер Дж. Цифровая спутниковая связь (1979) (1151860), страница 15
Текст из файла (страница 15)
Описан метод искусственной флуктуации как возможное средство для уменьшения этого явления без изменения числа уровней квантования или увеличения числа передаваемых символов. Глава 4 ДЕЛЬТА-МОДУЛЯЦИЯ И ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНАЯ ИКМ 4ДН ВВЕДЕНИЕ Если передаваемый сигнал имеет ограниченный по ширине полосы и неравномерный спектр (возможно с большим подъемом низких частот), то имеется возможность улучшить качество его передачи, если охватить квантующее устройство петлей обратной связи.
Идея состоит в использовании принципа предсказания, т. е. угадывания значения отсчета передаваемого сигнала, следующего за обработанным, и последующего квантования только разности между предсказанным и действительным значениями этого отсчета. Этот метод позволяет уменьшить пределы изменения сигнала непосредственно на входе квантующего устройства по сравнению с пределами изменения сигнала на входе системы. Далее анализируется несколько вариантов такого квантования с предсказанием.
Простейший случай — это дельта-модуляция (ДМ) (!79, 4621, когда используется одноразрядное (двухуровневое) квантование, а частота дискретизации увеличена по сравнению с требуемой, исходя из теоремы отсчетов, т. е. по сравнению с 2)У. В этом случаевозникают две компоненты шума квантования: шум дробления, аналогичный шуму квантования при ИКМ, описанному в гл.
3, и шум перегрузки по крутизне, который присущ квантованию сигналов при ДМ или дифференциальной ИКМ (ДИКМ). Шум перегрузки по крутизне в определенной мере сходен с искажениями насыщения (перегрузки) при ИКМ. Принципы простейшей двоичной ДМ могут быть обобщены на общий случай 1-разрядного (2'-уровневого) квантования, на случай неравномерного квантования или же на случай более сложной фильтрации с предсказанием.
В этой главе рассмотрено несколько вариантов устройств квантования по принципу ДИКМ, включая устройство адаптивной ДИКМ. В более сложных вариантах адаптивной ДИКМ с предсказанием значения коэффициентов, определяющих предсказание, изменяются во времени, и эти оптимизированные значения коэффициентов предсказания передаются вместе с квантованной разностью между предсказанным и действительным значениями отсчетов входного сигнала. Входной сигнал, в 74 принципе, может быть и нестационарным процессом, таким, например, как речекой сигнал. рассмотрены примеры квантования как речевых, так и телевизионных сигналов. В случае передачи телевизионного сигнала или в общем случае сигнала изображения входной сигнал может быть как аналоговым телевизионным сигналом, так и результатом преобразований Адамара, Хаара или Фурье сигнала изображения.
4.2. ДЕЛЬТА-МОДУЛЯЦИЯ Описанные в гл. 3 устройства квантования обеспечивают безынерционное преобразование дискретизированных сигналов. В этой главе речь пойдет об устройствах квантования с обратной связью или с предсказанием, в которых процедуры дискретизации и квантования объединены в одной Петле обратной связи и не могут быть разделены, как при ИКМ.
В этих вариантах ДИКМ используется наличие корреляции между отсчетами входного сигнала для уменьшения шума квантования. Дельта-модулятор (модулятор ДМ) является наиболее простым по реализации типом преобразователей аналог/цифра для систем связи (рис. 4.1) и простейшим вариантом устройства кванто- л(() е-х-г к и бы) уп) теис.
4.Ь Структурная схема модема двоичной дельта-модуля- ции: К вЂ” конпаратар; Инт — идеальный интегратор; ФНЧ вЂ” Фильтр нижних частот; х(Г) — входной ограниченный по ширине спектра аналоговый сигнал; х(Г) — предскааываеный сигнал (аппроксинырующее напра. жение); е=х — х — сигнал ошибки в ыадулнторе; Ьг, Ьг+(... — дваичнаа последовательность символов вания с предсказанием, или вариантом устройства ДИКМ. В дельта-модуляторе осуществляется одноразрядное (двухуровневое) квантование разности между действительным и предсказанным значениями исходного сигнала, в результате чего формируется последовательность двоичных символов, которая затем может быть передана по каналу связи методом ФМ (фазовой манипуляцией) несущего колебания или каким-либо другим методом цифровой передачи.
Как показано на рис. 4.1, предсказанное значение г('1) выходного сигнала вычитается из действительного значения х('1), знак втой Разности (ошибки предсказания) подвергается регулярной дискретизации, т. е, опробованию с постоянной частотой. Получаемая в Результате двоичная последовательность символов далее пе- 7о редается в канал связи.
Если на приемной стороне зта двоичная последовательность принимается без ошибок, то сигнал на выходе сглаживающего фильтра идентичен сигналу г11), поскольку на приемной и передающей сторонах обычно использу)ются фильтры (интегрирующие устройства) одного и того же типа. Сигнал г)'г) затем сглаживается, чтобы получить оценку у)г) входного сигнала. На практике для того чтобы одиночная ошибка передачи не сохранялась на выходе в течение бесконечного времени, идеальный интегратор (см.
рис. 4.1) периодически разряжается до нуля или заменяется интегратором с ограниченной постоянной времени (игС-цепочка или фильтр 2-го порядка). Типичная форма сигнала г)1) (досглаживающей фильтрации) показана на рис. 4.2. Величина шага квантования обозначена бук- Рис. 4.х. Примеры сигналов нри ДМ; яма Ыг б)а — максимальная скорость изменения аппроксимирующего напряженна з)1). В общем случае частота дискрезизация Уа значительна больше 1 а„с — наибольшей частоты спектра входного сигнала, т. е. )лв хт'м кс Штриховкой показан сигнал ошибки — разность между входным сигналом хд) и авпрокоимирующим напряжением вой 6.
Отметим, когда крутизна входного сигнала превышает максимальную крутизну характеристики дельта-модулятора, возникает явление перегрузки, и выходной сигнал может довольно сильно отличаться от входного. Если же перегрузки по крутизне нет, то шум квантования является по существу шумом дроблениа (зернистости) . Если в момент времени 1=0 величина г имеет четное значение, то, как легко заметить, на четных интервалах дискретизации (1=2)Т) значение функции г будет четным [г(1) =2Я, а на нечетных интервалах дискретизации (1=,(2) — 1)Т) будет нечетным [и(4) = (21 — 1)б). Поскольку функция г на каждом интервале дискретизации изменяется иа -)-6, то через один тактовый интервал она либо остается постоянной, либо меняется на -+26. Четные и нечетные значения выходного' сигнала поменялись бы ролями, если бы при 1=0 выходной сигнал имел бы нечетное значение.
Предполагается, что начальное значение может быть равновероятно четным или нечетным. При достаточно медленном изменении входного сигнала (без перегрузки по крутизне) отсчеты я((Т) на любом тактовом интервале соответствуют выходному сигналу устройства равномерного 16.
квантования, имеющего на четных интервалах дискретизации (4=2(Т) только четные уровни квантования !4„а на нечетных— только нечетные уровни квантования !4н, или наоборот, если квантование в момент времени у=О начинается с нечетного уровня. Таким образом, при ДМ входной сигнал как бы поочередно обрабатывается двумя квантователями с четной и нечетной характеристиками (рис. 4.3), и, следовательно, квантование при ДМ осуществляется так, каи если бы характеристика квантования была фиксированной равноМерной и с эффективным шагом 26. О„!и! ри (и! а! Рис.
4,З. Два типа характеристики квантования, используемые при упрощенном представлении дельта-модуля- пии в отсутствии перегрузки по крутизне: а — характеристика с четными уровнями квантования; б — характеристика с нечетными уровнями квантования. Шаг квантования равен 26 Характер зависимости отношения сигнал/шум на выходе канала с ДМ от шага квантования б иллюстрируется на рис. 4.4. При слишком малом шаге квантования преобладают шумы из-за перегрузки по крутизне (дельта-модулятор не успевает следить за переда- педеглезяа иснаженсгл ваемым сигналом), а при слишком денег!лгезче ер~бпенел большом шаге квантования опреде- / ляющим является шум дробления.
! Шуле дробления без учета сглажиеающей фильтрации. Рассмотрим сначала простейший критерий каче- ! ства передачи сигналов — шум кван- ! тования в отсутствие перегрузки по ! кРутизне и без сглаживающей филь- б!би трации на в а выходе. Так как шаг рис 4.4. Общий вид зависимости квантова ия равен 26 и нет сглаживающей фильт канала от ветичииы шага кванто фильтрации, мощность шу- ванна 6 при постоянной частоте ма квантования на выходе будет та- дискретизапии (в. кой ж , По оси абсцисс отложено огиоюеиие Каи И Прн ИКМ С танин жс шага иваитоваиия б и срелиеивааоашагом ква гичесиому значению иаугизиы вчоииоквантования 26 (см. (3.5)) о и 77 п2 (2 6)2/12 = 62/3 (4.1) для входного сигнала с равномерным распределением мгновенных значений и в отсутствие перегрузки по крутизне.
Таким образом, в этом случае мощность шума получается такой же, как и прп равномерном безынерционном квантовании с эффективным шагом квантования 26. Однако дельта-модулятор имеет произвольно большой динамический диапазон до тех пор, пока отсутствует перегрузка по крутизне, тогда как обычное устройство квантования ограничено по амплитудному диапазону пределами +.2' '6, где 1 — число разрядов кодового слова. Отношение сигнал/шум без сглаживающей фильтрации. Для анализа качества передачи сигналов необходимо определить следующие параметры системы: мощность входного сигнала о',=х'=~6„„(//а/, где бм,О)— энергетический спектр входного сигнала х, а черточка сверху означает усреднение во времени. Ширина энергетического спектра входного сигнала ограничена частотой (/~(/ма„с. Эффективная ширина спектра этого сигнала п2 /макс 12 б (/) с(/ /макс /,ф= /макс и- (/) л/ макс Среднеквадратическое значение крутизны входного сигнала и.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
