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-кодером, 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 (т) на время Т, равное периоду дискретизации Т_д; на выходе ЭЗ формируется сигнал вида ДУ - дифференциальный усилитель, выполняющий роль вычитающего устройства, на выходе которого получается разностный сигнал вида Дискр - дискретизатор, осуществляющий дискретизацию разностного сигнала на выходе ДУ с частотой на выходе которого получается сигнал Кодер -кодирующие устройство, формирующее ДИКМ цифровой сигнал; Декодер - декодирующее устройство, преобразующее принятый цифровой ДИКМ сигнал в отсчеты разностного сигнала; Интг -интегратор, преобразующий сигнал на выходе декодера в ступенчатый сигнал, который с помощью ФНЧ приема преобразуется в сигнал вида 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 ti сигнал на выходе интегратора отсутствует, а сигнал на выходе дифференциального усилителя (ДУ) соответствует непрерывному сигналу. Дискретный отсчет с амплитудой d квантуется и кодируется в кодере и затем через декодер поступает на интегратор (Интг), который запоминает его амплитуду до момента (т.е. на время равное периоду дискретизации В момент сигнал на неинвертирующем входе ДУ (+) равен аналоговому сигналу а на инвертирующем входе (-) - Сi. 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 _ поступает на интегратор и запоминается им до момента В этот момент опять происходит определение разности ее квантование, кодирование и т. д. Когда сигнал на выходе интегратора (в момент ' ) больше аналогового сигнала, разность на выходе ДУ будет отрицательной. После квантования, кодирования и декодирования на выходе интегратора получится отрицательный скачок сигнала на 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

Т =1/f =1/8000 (здесь = 8000 Гц - частота дискретизации)

амплитуду разностного сигнала можно получить путем дифференцирования c(t) и деление её на временной интервал между отсчетами

Дифференциальная импульсно-кодовая модуляция (ДИКМ) разработана специально для того, чтобы использовать преимущества, которые дает избыточность отсчетов речевого сигнала. Так как диапазон изменения разностей отсчетов меньше диапазона изменения самих отсчетов, то для кодирования этих разностей необходимо всего несколько разрядов. Частота дискретизации, как правило, не изменяется по сравнению с системами с обычной ИКМ, т.е., как и в системах с ИКМ, в кодере используется режекторный фильтр, а в декодере — сглаживающий.

Метод генерации разностей между отсчетами в ДИКМ-кодере состоит в запоминании значения предыдущего отсчета в схеме выборки-хранения и использовании аналогового вычитающего устройства для вычисления изменения. Изменение сигнала затем квантуется и кодируется для передачи. Однако схема ДИКМ, показанная на рис. 3.27, сложнее из-за того, что предыдущее входное значение здесь восстанавливается при помощи цепи обратной связи, которая интегрирует кодированные значения разностей отсчетов. По существу, сигнал обратной связи представляет собой оценку входного сигнала, полученную путем интегрирования кодированных разностей отсчетов. Поэтому сигнал обратной связи, полученный таким же способом, используется и для восстановления сигнала в декодере.

Преимущество использования обратной связи состоит в том, что ошибки квантования не накапливаются неограниченно. Если сигнал обратной связи отклоняется от входного сигнала из-за накопления ошибок квантования, то при кодировании следующего разностного сигнала это отклонение автоматически компенсируется. В системах без обратной связи на выходе декодера на другом конце соединения ошибки квантования могут накапливаться неограниченно.