Дельта-модулятор

 

Изобретение относится к автоматике и вычислительной технике. Его использование в системах передачи информации с дельта-модуляцией позволяет повысить точность преобразования за счет уменьшения среднеквад ратичной усредненной погрешности аппроксимации входного сигнала. Дельтамодулятор содержит блок 1 вычитания, пороговый блок 2, генератор 3 тактовых импульсов, интегратор 5 и сумматор 6. Благодаря введению генератора 4 случайных сигналов обеспечивается повышение отношения сигнал - шум аппроксимирующего сигнала дельта-модулятора . 1 з.п. ф-лы, 3 ил. с с

СОЮЗ СОВЕТСНИХ

СОЦИАЛИСТИ4ЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (50 4 Н 03 M 3/02

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К А BTOPCHOMV СВИДЕТЕЛЬСТЕЗУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТИЙ (21) 4030889/24-24 (22) 03.03.86 (46) 15.03.88. Бюл. Р 10 (72) Ю.Е.Коняшин, Н.Т.Коняшина, С.А.Сахабетдинов и Г.Н.Шилина (53) 621.376.56 (088.8) (56) Левин Л.С., Плоткин И.А. Цифровые системы передачи информации.

M. Радио и связь. 1982, с. 44, рис. 2 ° 19 °

Bell System Technical Journal, 1972, ч. 51,8 6, р. 1293-1304..

Авторское свидетельство СССР

У 641648, кл. Н 03 M 3/02, 1977

„„SU„„1381713 А1 (54) ДЕЛЬТА-ИОДУЛЯТОР (57) Изобретение относится к автоматике и вычислительной технике. его использование в системах передачи информации с дельта-модуляцией позволяет повысить точность преобразования за счет уменьшения среднеквад" ратичной усредненной погрешности аппроксимации входного сигнала. Дельтамодулятор содержит блок 1 вычитания, пороговый блок 2, генератор Э тактовых импульсов, интегратор 5 и сумматор 6. Благодаря введению генератора

4 случайных сигналов обеспечивается повышение отношения сигнал — шум аппроксимирующего сигнала дельта-модулятора. 1 s.ï. ф-лы, 3 ил.

1381713 где N — число отсчетов, по которым

,! усредняется погрешность;

К вЂ” число усредненных отсчетов, 50 по которым находим среднеквадратичную погрешность

d, Э

У;;

55 отсчеты соответственно входного и выходного сигналов. как в прототипе зависимость гимнрующего сигнала от входноТак аппрок

Изобретение относится к автоматике и вычислительной технике и может быть использовано в системах передачи информации с дельта-модуляцией.

Цель изобретения — повьш ение точ5 ности преобразования эа счет уменьшения среднеквадратичной усредненной погрешности аппроксимации входного сигнала, .и упрощение дельта-модулятора.

На фиг. 1 представлена блок-схема дельта-модулятора; на фиг. 2 приведены временные диаграммы работы дельта-модулятора; на фиг. 3 — графики зависимости отношения сигнал — шум на выходе дельта-модулятора от амплитуды входного сигнала (выходной сигнал пропущен через фильтр нижних частот), Дельта-модулятор содержит блок 1 вычитания, пороговый блок 2, генератор 3 тактовых импульсов, генератор

4 случайных сигналов, интегратор 5, сумматор 6, вход 7 и выход 8.

Все блоки дельта-модулятора, кроме генератора 4, могут быть выполнены на основе операционных усилителей.

Генератор 4 случайных сигналов может быть выполнен в виде генератора импульса случайной длительности, 30

В основе работы дельта-модулятора лежит следующее.

Дельта-модулятор с определенной величиной модуля приращения аппроксимирующего сигнала (прототип) нечувствителен к небольшим изменениям входного сигнала, меньшим моцуля приращения аппроксимирующего сигнала, что нрнводит к большой среднеквадратичной усредненной погрешности аппро40 ксимации. Кроме того, большая среднеквадратичная усредненная погрешность аппроксимации 6 в прототипе определяется большой погрешностью аппроксимации д .на каждом такте работы:

45 — - Е(р л, .), (1)

ro детерминирована, то при усреднении отсчетов, а следовательно и погрешности d ; по N реалиэациям,т.е. ч! при повторении И раз аппроксимации одного и того же сигнала (j — номер отсчета, такта; i — номер реализации), погрешность усредняемого отсчета во всех реализациях будет одна и та же, т.е. (2)

Выражение (2) показывает, что при усреднении по реализациям среднеквадратичная усредненная погрешность аппроксимации входного сигнала в прототипе равна среднеквадратичной погрешности аппроксимации, найденной по одной реализации. Таким образом, усреднять погрешность аппроксимации по реализациям для прототипа нельзя, т.е ° бессмысленно с точки зрения уменьшения среднеквадратичной погрешности накапливать одноименные отсчеты, например при использовании прототипа для дельта-модуляции повторяющихся квазидетерминированных сигналов.

При усреднении погрешности аппроксимация входного сигнала d ; по соседним отсчетам одной реализации (j — номер отсчета, i — порядковый номер отсчета в усредняемой группе отсчетов) среднеквадратичная усредненная погрешность (3)

В случае линейного изменения входного сигнала (в пределах усредняемой группы отсчетов) х. = х. + А11t 1 1 (4)

< =E-4 -А

141 где Š— модуль приращения аппроксимирующего напряжения в проПри этом иэ выражения (3)

Выражение (5) показывает, что при усреднении по соседним отсчетам для низкочастотных сигналов (т.е.

1381713

15 когда справедливо предположение о линейной зависимости погрешности от

4 номера отсчета в усредняемой группе отсчетов) среднеквадратичная усред5 ненная погрешность аппроксимации в прототипе также не зависит от усред-, нения, а зависит от величины модуля приращения, уменьшать которую можно лишь до некоторого предела. 1О

В предлагаемом дельта-модуляторе

v уменьшение среднеквадратичной усредненной погрешности связано с усред— нением, а не с уменьшением собственно погрешности аппроксимации.

Важным параметром, характеризующим дельта-модулятор, является отношение сигнал — шум на выходе, т.е. отношение дисперсии (мощности) входного сигнала к дисперсии погрешности аппроксимации входного сигнала. Однако практически повышение отношения сигнал — шум важно и необходимо не в собственно дельта-модуляторе, а на выходе системы, в которой работает дельта-модулятор. При этом аппроксимирующие сигналы дельта-модулятора фильтруются фильтром нижних частот или полосовым фильтром, или интегрируются. Фильтры и интегратор являются усредняющими устройствами, поэтому отношение сигнал — шум на выходе системы будет определяться не среднеквадратичной погрешност»ю аппроксимации входного сигнала дельта-модулятора, а среднеквадратичной усредненной погрешностью дельта-модулятора.

Таким образом, лучшим (обеспечивающим большее отношение сигнал — шум в системе) будет тот дельта-модуля40 тор, у которого меньше среднеквадратичная усредненная погрешность аппроксимации. Возможность уменьшения среднеквадратичной усредненной погрешности путем усреднения мгновенной

45 погрешности делает возможными и другие способы обработки аппроксимирующего напряжения (т.е. расширяет область применения), .".ри которых мгновенные значения погрешности аппроксимации предварительно усредняются.

Например, при дельта-модуляции периодического или повторяющегося сигнала (например, квазидетерминированного) может проводитьСя накопление (т,е. усреднение) соответствующих 55 одноименных отсчетов. Кроме того, что аппроксимирующее напряжение дельта-модулятора практически всегда усредняется (фильтруется), тактовая частота генератора тактовых импульсов обычно выбирается намного большей верхней частоты входного сигнала, поэтому выражения (4) »» (5) практически всегда справедливы.

Дельта-модулятор работает следующим образом.

Входной аналоговый сигнал »Ьиг.2а) с входа 7 поступает на первый вход вычитающего блока 1, на второй вход которого поступает аппроксимирующий сигнал (фиг. 2а, пунктир) с выхода интегратора 5. Разност»»ый сигнал с выхода вычитающего блока 1 поступает на вход порогового блока 2. Тактовые импульсы (фиг. 2б) с выхода генератора 3 поступают на соответствующие входы порогового блока 2, генератора

4 случайных сигналов и сумматора 6.

В момент поступления тактового импульса на тактовый вход порогового блока 2 на его выходе и соответственно на входе сумматора 6 появляется импульс (фиг. 2в) постоянной амплитуды, полярность которого соответствует полярности разностного сигнала. Каждому тактовому импульсу на входе генератора 4 соответствует выходной сигнал со случайными параметрами, например импульс случайной длительности (фиг. 2г). Сигнал с выхода генератора 4 поступает на вход сумматора 6. Таким образом, на каждом такте работы генератора 3 тактовых импульсов сумма трех сигналов (фиг. 2д), поступающая с выхода сумматора 6 на вход интегратора 5, вызывает приращение аппроксимирующего сигнала на выходе интегр тора 5. На некотором такте работы это приращение равно интегралу по времени за период работы генератора 3. На фиг. 2б-д форма сигналов изображена условно, как пример реализации. Кроме того, сигнал суммы (фиг. 2д) трех сигналов условно изображен как импульс переменной амплитуды. Действительная форма импульса может быть различной, т.е. определяется суммой соответствующих входных сигналов сумматора 6. Существенным дЛя входных сигналов сумматора 6 является то, что они интегрируются, причем интеграл за период работы генератора 3 от тактового сигнала постоянен; от

1 выходного сигнала порогового блока 2 постоянен по модулю, но может менять

1381713

Таким образом, приращение аппроксимирующего сигнала на i-м такте работы генератора 3 равно интегралу по времени за период работы генератора

3 тактовых импульсов:

15 входной сигнал дельта-модулятора на i-м такте; выходной сигнал интегратора

5 на i-м такте работы (аппроксимирующий сигнал), совместный коэффициент передачи сумматора 6 и интегратора 5 для соответствующе- 25 го сигнала на входе сумматора 6. х, 1 у;

p(n )— к 4 а П Л

И 4м))н 1 4 С (4максв пр

"М макс "% мнн

О, иначе макс мн н причем E,„ и E „«,могут быть найдены из выражений (6) и (7).

Конкретный закон распределения зависит от требований к дельта-модулятору и от условий работы, в частности от вида входных сигналов. Приме40 нение равномерного закона распределения длительности импульсов позволяет уменьшить среднеквадратичную усредненную погрешность аппроксимирующего сигнала. При этом согласно (6) пара45 метры распределения приращения аппроксимирующего сигнала могут изменяться также с помощью изменения коэффициентов усиления. Например, для упрощения требований к генератору 4 импульсов со случайной длительностью импульсы на его выходе могут быть однополярными, а для получения симметричного относительно О распределения приращения аппроксимирующего напряжения обеспечивают К Î и )К ) = И (А С41,где

И(х ) — математическое ожидание случайной величины х.

Моделирование работы устройствапрототипа и предлагаемого дельта-моК А С +К А Сд

4 макс К А

4 4 знак1 от выходного сигнала со случайными параметрами имеет случайный характер. т

D, - I (K (ядп(х;-y;, )1 f (t)

О 3Я()44(Г1, г)0, где sgn (z) =

1-1, z (О, К Аз i 3 К1А) С где

4м()н К4А 4

Остальные обозначения раскрыты в выражении (6).

Работа дельта †модулято и устройства-прототипа описывается выражением у =у(, +Esgn (X; у 1 ) (8) где — модуль приращения аппроксимирующего сигнала, яричем для прототипа амплитуда приращения аппроксимирующего сигнала E=Eg — постоянна.

Для рассматриваемого дельта-модулятора E = U — случайная величина, закон распределения которой определяется выражением (6) и законом распределения (7) случайного параметра генератора 4 случайных сигнапов. В случае выполнения генератора 3 в виде генератора импульсов случайной длительности П вЂ” случайная величина,распределенная по закону, соответствующему распределению (7):

Далее сигналы представляются в форме импульсов:

f (t) = (А, nT(t <пТ+ 0, иначе где п=О, 1, 2, А< "е — соответственно амплитуда и длительность импульса.

Индекс 1 = 2, 3, 4 соответствует обозначению функциональных блоков на фиг. 1.

Таким образом, на каждом такте работы устройства хотя бы один параметр, например длительность импульса выходного сигнала генератора 4, имеет случайное значение, причем количество случайных параметров этого сигнала и законы их распределения выбираются исходя из конкретных требований к устройству. В качестве генератора 4 случайных сигналов может быть использован, например, генератор импульсов случайной длительности с равномерным распределением °

Плотность распределения длительности импульсов

1381713.8 дулятора для входного гармонического сигнала с частотой, равной 0,01 от частоты выходных импульсов тактового генератора, при котором отношение

5 сигнал — шум вычислялось для отсчетов аппроксимирующего сигнала, пропущенного через цифровой фильтр нижних частот, показало не только увеличение отношения сигнал — шум дельтамодулятора (сплошная линия) по сравнению с прототипом (пунктир), но и дополнительный положительный эффект, связанный с рандомизацией приращения аппроксимирующего сигнала, обеспечивающей уменьшение среднеквадратичной усредненной погрешности: как видно из графика (фиг. 3) в рассматриваемом дельта-модуляторе при увеличении амплитуды входного сигнала позже, чем в прототипе, наступает режим перегрузки. формула изобретения

1. Дельта-модулятор, содержащий блок вычитания, первый вход которого является входом дельта-модулятора, выход соединен с информационным входом порогового блока, соединенные последовательно сумматор и интегратор, выход которого подключен к второму входу блока вычитания, и генератор тактовых импульсов, выход которого соединен с тактовым входом порогового блока-, выход которого является выходом дельта-модулятора, о тл и ч а ю шийся тем, что, с целью повышения точности преобразования за счет уменьшения среднеквадратичной усредненной погрешности аппроксимации входного сигнала, в дельта-модулятор введен генератор случайных сигналов, вход которого объединен с первым входом сумматора и подключен к выходу генератора тактовых импульсов, выход генератора случайных сигналов соединен с вторым входом сумматора, третий вход которого подключен к выходу порогового блока.

2. Дельта-модулятор по п. 1, о тл и ч а ю шийся тем, что, с целью упрощения дельта-модулятора,. генератор случайных сигналов выполнен в виде генератора импульсов случайной длительности.

1381713

-2 фиг Я

Составитель О.Ревинский

Редактор А.Лежнина Техред Л.Сердюкова Корректор А.Обручар

Заказ 1194/55 Тираж 928 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Производственно-полиграфическое предприятие, г. Ужгород, ул. Проектная, 4