4.1. Дифференциальная импульсно-кодовая модуляция

4.2. Дельта-модуляция

В ЦСП с ИКМ квантованию и кодированию подвергаются дискретные по времени отсчеты непрерывного сигнала, взятые из условий теоремы отсчетов (Котельникова). Однако такой метод передачи не является единственно возможным методом цифровой передачи непрерывных аналоговых сигналов. Существуют и другие методы формирования цифровых сигналов называемые разностными. К ним относятся дифференциальная импульсно-кодовая модуляция (ДИКМ), дельта-модуляция (ДМ) и их адаптивные модификации АДИКМ и АДМ.

4.1. Дифференциальная импульсно-кодовая модуляция

Как известно, при передаче дискретизированных во времени непрерывных аналоговых сигналов с ограниченным спектром, отсчеты сигналов в соседних точках дискретизации с большой вероятностью мало отличаются друг от друга. Поэтому можно вместо кодирования и дальнейшей передачи отсчетов передавать по каналу связи кодированные значения разности соседних отсчетов, по которым на приемной стороне восстанавливаются значения отсчетов сигнала с АИМ-2. Такой метод и называется дифференциальная импульсно-кодовая модуляция (ДИКМ).

На рис. 4.1 приведены временные диаграммы формирования разностного сигнала с АИМ-1. Осуществляя квантование и кодирование разностей соседних отсчетов, получают цифровой канальный сигнал с ДИКМ.

Рис. 4.1. Принципы ДИКМ.

а) – отсчеты U_АИМ-2 непрерывного сигнала;

б) разностная амплитуда двух соседних отсчетов U_АИМ-1.

Как видно из рисунка, амплитуды разностей отсчетов меньше амплитуд самих отсчетов, поэтому при одинаковом шаге квантования число разрядов в кодовой канальной комбинации при ДИКМ меньше, чем при ИКМ. Уменьшение числа разрядов в кодовой группе при ДИКМ снижает скорость передачи цифрового канального сигнала.

Известно много вариантов технической реализации ДИКМ. Простейшая схема приведена на рис. 4.2 в виде кодера ДИКМ с декодером в цепи обратной связи.

Рис. 4.2. Структурная схема кодека ДИКМ:

а) – кодер; б) – декодер.

Структурная схема кодера включает в себя:

• ФНЧ, ограничивающий спектр частот входного непрерывного сигнала до F_МАКС;

• РУ, разностный усилитель, усиливающий разность двух сигналов поступающих на его входы: непрерывного сигнала и ступенчатого сигнала с АИМ-2 на выходе интегратора;

• АИМ-2, модулятор, осуществляющий дискретизацию разностного сигнала с частотой F_д;

• Кодер ИКМ, осуществляющий квантование и кодирование разностного сигнала;

• Декодер ИКМ, в котором кодовые комбинации преобразуются в дискретные отсчеты разностного сигнала с АИМ-2;

• Инт, интегратор, преобразующий разностные амплитудные отсчеты сигнала, поступающего на его вход, в ступенчатую функцию с АИМ-2;

• ФНЧ_ПР, выделяет из ступенчатой функции непрерывный сигнал с F_МАКС.

Если в качестве кодера ИКМ использовать кодер с нелинейной шкалой квантования, в которой шаг квантования изменяется в зависимости от величины разностного сигнала (по алгоритму описанному в разделе 3.4), число шагов квантования еще более уменьшается, а значит уменьшается и скорость передачи цифрового сигнала. Такая модификация получила название адаптивной ДИКМ (АДИКМ).

На практике АДИКМ используется для увеличения числа каналов на местной ТФ сети (в 2 раза по сравнению с обычными ЦСП с ИКМ), а также при передаче канальных сигналов цифрового телевидения (существенно уменьшается скорость передачи цифрового ТВ сигнала).

4.2. Дельта-модуляция

При рассмотрении принципов ИКМ и ДИКМ предполагалось, что период дискретизации выбран в соответствии с теоремой Котельникова: Т_д F_МАКС. Однако, если взять период дискретизации существенно меньшим: Т_д << F_МАКС, то различие между соседними отсчетами непрерывного аналогового сигнала уменьшится и не будет превышать минимального шага квантования , определенного для систем с ИКМ (раздел 3.2). в этом случае, за каждый период дискретизации при дельта-модуляции Т_{д ДМ}, достаточно передавать в цифровом виде информацию о приращении разности последующего i-го отсчета по отношению к предыдущему (i–1)-му: если U_{АИМ-2 i} (t) U_{АИМ-2 i-1} (t), то формируется импульсная посылка положительной полярности +1, а если U_{АИМ-2 i} (t) < U_{АИМ-2 i-1} (t), то отрицательной полярности –1, как показано на рис. 4.3, где U_{f т}(t) – импульсная последовательность с тактовой частотой при дельта-модуляции а U_ДМ(t) –цифровой дельта-сигнал.

Рис. 4.3. Временные диаграммы получения дельта-кода.

Таким образом, при выбранном шаге квантования , передается информация только о его знаке и для этого достаточно передавать один двоичный символ в каждый момент отсчета. Такой способ формирования канального сигнала называется классической дельта-модуляцией (ДМ).

Простейшая структурная схема модема дельта-модуляции и демодуляции приведена на рис 4.4.

Рис. 4.4. Структурная схема дельта-модулятора и демодулятора (модема).

Структурная схема модема включает в себя:

• ФНЧ, ограничивающий спектр частот входного сигнала;

• РУ, разностный усилитель, усиливающий разность двух поступающих на его входы сигналов: непрерывного аналогового сигнала U(t) и отсчетного значения U_{АИМ i}(t);

• ГТЧ, генератор тактовой частоты, управляющие импульсы с которого поступают на пороговое устройство ПУ с частотой f_т;

• ПУ, на выходе ПУ возникают импульсы положительной полярности, если U(t) – U_{АИМ i}(t) 0, и импульсы отрицательной полярности, если U(t) – U_{АИМ2 i}(t) < 0;

• Инт, идеальный интегратор, на выходе которого формируется ступенчатая во времени функция U_АИМ2(t) с интервалом Т_{д ДМ}, и амплитудой каждого отсчета, отличающегося от предыдущего на величину ±.

На приемной стороне в состав модема входят:

• ФУ, формирующее устройство, восстанавливающее искаженную форму импульсного сигнала;

• СС, систему синхронизации, выделяющую тактовую частоту f_Т из принимаемого цифрового сигнала с ДМ;

• Инт, идеальный интегратор, формирующий ступенчатую функцию;

• ФНЧ_ПР, преобразующий ступенчатую функцию в непрерывный аналоговый сигнал.

При использовании приведенной схемы дельта-модема возможна ситуация, когда ступенчатое напряжение U_АИМ2(t) с одинаковым шагом приращения , на участках резкого изменения крутизны непрерывного сигнала Т_ПЕР не “успевает следить” за изменением U(t). На этих участках возникают специфические, свойственные способу ДМ искажения передаваемых сигналов – перегрузка по крутизне, при этом

U_ПЕР = U(t) – U_АИМ2(t) > .

Для уменьшения шумов перегрузки при ДМ можно увеличивать шаг квантования, но при этом возрастает ошибка квантования, или же при том же шаге квантования увеличить тактовую частоту f_Т, что приведет к увеличению скорости передачи цифрового канального сигнала. Поэтому в рассмотренной классической схеме дельта-модулятора при одинаковых с ИКМ шумах квантования тактовая частота f_Т или скорость передачи импульсных посылок будет существенно больше. Если в канале ЦСП с ИКМ f_Т при передаче ТФ сигнала f_Т = F_д* m = 8 кГц * m = 64 кГц, то при ДМ она при тех же шумах квантования должна быть в 2 2,5 раза выше (примерно 150 кГц) [7]. По этой причине классическая ДМ практически не используется, а применяется ее модификации.

Тактовая частота в системах передачи с ДМ может быть существенно уменьшена, если для устранения перегрузки по крутизне менять шаг квантования в зависимости от скорости изменения амплитуды передаваемых непрерывных сигналов: если крутизна изменения аналогового сигнала увеличивается, шаг квантования также увеличивается, если крутизна уменьшается, шаг квантования – уменьшается. Такой способ получения цифрового дельта-сигнала называется адаптивной ДМ (АДМ), и является аналогом нелинейного кодирования, но только по крутизне, непрерывного сигнала.

Основными преимуществами АДМ по сравнению с ИКМ являются ее большая помехоустойчивость, вязанная с тем, что она менее чувствительная к ошибкам при передаче цифрового сигнала, чем ИКМ, а также простота и надежность выделения тактовой частоты [7, 12].

В настоящее время известно несколько десятков видов дельта-модуляции. Наиболее перспективными областями ее применения являются абонентские телефонные сети в сочетании с электронными системами коммутации и спутниковые системы связи [12].