Дельта-сигма-кодер

 

Изобретение относится к вычислительной технике и технике связи. Его использование в системах передачи речевых сигналов позволяет повысить качество преобразования путем расширения полосы частот преобразуе-i мых сигналов. Дельта-сигма-кодер содержит входной фильтр 1, вычитатель 2,интегратор 4, компаратор 6, дискретизатор 8, перемножитель 9, сумматор 10, слоговый фильтр 11, источник 15 постоянного напряжения и анализатор 16 последовательности импульсов . Благодаря введению вьгчитателя 3,интегратора 5, компаратора 7, слоговых фильтров 12,13, усилителя 14, преобразователя 17 полярности, регистра 18 сдвига и дельта-декодера 19 обеспечивается такой алгоритм компандирования, когда рабочая точка удерживается на границе перегрузки по критерию максимально достигаемого отношения сигнал/шум независимо от частоты передаваемого сигнала . 3 ил. § (Л

СОЮЗ СОВЕТСНИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (бц g Н 03 M 3/02

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Н А ВТОРСНОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТНРЬП ИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР (21) 4250747/24-24 (22) 27.05.87 (46) 15.01.89. Бюл. Ф 2 (71) Рижский политехнический институт им.А.Я.Пельше (72) N.Á.ßíåíêî, Г.Н.Котович и К.С.Комаров (53) 621.376.56 (088.8) (56) Авторское свидетельство СССР

Р 1181152, кл. Н 03 M 3/02, 1983.

Стил Р, Принципы дельта-модуляции.

M. Связь, 1979. с.178, рис.7.1.

Там же, с.199, рис.7. 10. (54) ДЕЛЬТА-СИГМА-КОДЕР (57) Изобретение относится к вычислительной технике и технике связи.

Его использование в системах передачи речевых сигналов позволяет повысить качество преобразования путем

„„ЯУ„„1451866 А1 расширения полосы частот преобразуемых сигналов. Дельта-сигма-кодер содержит входной фильтр 1, вычитатель

2, интегратор 4, компаратор 6, дискретизатор 8, перемножитель 9, сумматор 10, слоговый фильтр 11, источник 15 постоянного напряжения и анализатор 16 последовательности импульсов. Благодаря введению вычитателя

3, интегратора 5, компаратора 7, слоговых фильтров 12,13, усилителя

14, преобразователя 17 полярности, регистра 18 сдвига и дельта- декодера 19 обеспечивается такой алгоритм компандирования, когда рабочая точка удерживается на границе перегрузки по критерию максимально достигаемого отношения сигнал/шум независимо от частоты передаваемого сигнала. 3 ил.

1451866 чек импульсов.

Изобретение относится к вычисли- тельной технике и технике связи и может применяться в системах передачи, например, речевых сигналов.

Цель изобретения — повышение качества преобразования путем расширения полосы частот преобразуемых

1 сигналов.

На фиг.1 приведена блок-схема 10 дельта-сигма-кодера; на фиг.2 и 3 временные диаграммы его работы.

Дельта-сигма-кодер содержит входной фильтр I первый и второй вычитатели.2,3, первый и второй интегра- 15 торы 4,5, первый и второй компараторы 6,7, дискретизатор 8, перемножитель 9, сумматор 10, первый — третий слоговые фильтры 11-13,усилитель 14, источник 1.5 постоянного на- 20 напряжения, анализатор 16 последовательности импульсов, преобразователь

17 полярности, регистр 18 сдвига, дельта-декодер 19. На фиг.1 обозначены информационный и тактовый входы 25

20,21 и выход 22.

Дискретизатор 8 может быть реализован на триггере.

Анализатор 16 последовательности импульсов может бить виполнен на 30 регистре сдвига, прямые и инверсные выходы разряддв которого подключены к первым и вторым входам элемента эквивалентности.

Дельта-декодер 19 производит калибровку многоэлементных пачек нулей или единиц.

Необходимо отметить, что разрядность калибруемых пачек зависит от технических характеристик, предъяв- 40 ляемых к дельта-сигма-кодеру, и определяется оптимальным соотношением между минимально допустимой защищенностью, которую необходимо обеспечить при передаче аналоговых сиг- 45 налов, и аппаратурными затратами.

При этом необходимо использовать известные соотношения для расчета коэффициентов при калибровке паВ дельта-сигма-кодере реализован дельта-декодер 19, осуществляющий калибровку пачек с количеством симводов от двух до восьми. При этом обеспечиваются достаточно высокая

55 степень сжатия динамического диалаэона и защищенность Передаваемых сигналов.

На фиг.2,3 приняты следующие обозначения:

X(t) — вхо ной с д игнал на вхо де 20;

a(t) — выходная цифровая последовательность на выходе

22;

Upper(c) — сигнал на выходе десятого разряда регистра 18 сдвига;

Ц

1gg,q(t) — сигнал разности на выходе вычитателя 2;

11 (t) — напряжение шума на выходе интегратора 5;

U () — напряжение на выходе слогового фильтра 13;

U„ (c) — напряжение на выходе слогового фильтра 12;

U „,(t) — усиленное напряжение

Uc (t) на выходе усилите— ля 14;

V „ (t) — напряжение на выходе слогового фильтра 11;

U „ (t) — сигнал на выходе компа.— ратора 7;

Y(t) — сигнал обратной связи на выходе леремножителя 9;

U — опорный пороговый уровень на выходе источника 15;

f — частота дискретизации на

1 входе 21.

Алгоритм работы петли инерционного компандирования организован таким образом, что рабочая точка кодера удерживается на границе перегрузки в заданном динамическом диапазоне передаваемых сигналов ло критерию максимально достижимого отношения сигнал/шум.

Аналитический такой критерий можно описать следующим образом, используя известные выражения.

Максимально достижимое отношение сигнал/шум квантования для границы перегрузки по мошности: и

Рс Зй

Pц, -ь с 3 i 1

21 f (--- + --)

8 .16 2 где f . — верхняя частота передаваемого диапазона частот, причем можность сигнала Рс взята с учетом среднего значения выпрямленного двухполупериодным выпрямителем гармонического сигнала:

2Н

U с

1451866 ряжен).цг|

»r3 3 I

12т (— —: — ) в 16 2 (с = К н, 1-" ь =- 4 .Uu!, роиства. пряжения U!)) ыми диаграммазе i-ro времен4Q и и !, где U — максимальная агнплитуда входного сигнала, соответствующая верхней границе динамическc! ) диапазона.

Соответственно, отношение по напб

Задавшись конкретнь:ми значениями параметров, можно определить коэффициент такого отношения. Так, при с) — 6-Ф к1ц, ).p = 3,4 КГц, 15 где К, — коэффициент отношения напряжения сигнал/шум для границь. перегру"-ки.

Другими славами, в кодере, рабочая точка которого находится на границе перегрузки, напряжение среднего значения выпрям )еннсгс двух- 26 голупериодным выпрямителем входного ) арманического с:a-: нала больше напряжения шумов на коэффициент К „.

Этот вывод и положен в основу работы предлагаемого ус.

Для определения на воспользуемся времени гци (ф,)г, 3) . Hp-) авали наго интервала можно определить напряжение шума квантования:

П (t) = —.=- (»,,1

1 ш; г

= — — Y (» t)-Х (ldt

1 где у;(t) — i-й фрагмент сигнала обратной связи; число символов в пачке

i-го фрагмента; амплитуда импульсов сигнала обратнаи связи; постоянная времени интегратора.

Операция, определенная приведен-ным соотнс1нением известна как многоуровневое декодирование. Для выделения усредненногс напряжения шумов за время периода входного сигнала необходимо применить слоговый фильтр.

Для определения напряжение, пропорционального среднему выпрямленном; значению входного сигнала. необходимо производить цифровое выпрямление и последующее усреднение.

Дельта-сигма-кодер работает следуюшиь. образам.

Входной сигнал Х(с), отфильтро—

=-анный входньн:., фильтром 1, поступает на вход вычитателя 2, ча второй вход ко-.срага заведен сигнал с выхода перемножителя 9. При помощи вычитате я 2 из сигнала X(t) вычитается сигнал обратной связи Y(t) . Сигнал с выхода вычитателя 2 интегрируется интегэатором 4. E зависимости от знака напряжения компаратор 6 формирует цифрово поток L(t) (дискретизированный во зремени дискретизаторов 8), который с с.-ной сTopoHN подается на вь)ход 22, а с другой стороны — на пере. нс. итель 9, а также на элементы

12,16, которые фактически представляют собой детектор огибающий сигнала, и на элемен и 3,5 13,!7,18 19 детектор огибающей шума.

Анализатор !6 последовательности импульсов осуществляет цифровое двухполупериадное выпрямление цифрового потока, который далее сглаживается слоговым фильтром 12, Таким образом происходит выделение входного сигнала.

Пельта-декодер !9 производит калибровку многоэлементных пачек, вы-ve.-!ÿÿ напряжение Х;(t),которое, выитаясь вычитателем 3 из цифрового патока, сдвинутого на 10 тактов регистром 18 сдвига и преобразованного преобразователем 1? полярности, дает íe.-.ряжение, пропорциональное напряжению шумов.

Далее, проинтегрировав напряжение Б . (tl iriTpãðÿòoðoì 5 и сгладив i:,÷ его с —:)îãîâiì фильтром 13, получаем напряжение огибающей шумов квантования ),(). Зная, что это напряжение должно быть меньше огибающей напряжени.-: сигнала U „(с) в К щ раз, сравниваем на кампараторе 7 напряжение

U,(t), поступающее с детектора шумов, усиленное усилителем 1.с коэффициентом усиления К, и напряжение

U c)(t), поступающее от детектора сигнала, 1

При этом возможны два варианта работь) кодера.

1451866

50

K„U„(t) w U,(t) " это означает, что кодер недогружен и увеличение мощности шумов произошло за счет увеличения шумов квантования °

Соответственно компаратор 7 выдает нулевой импульс, который подразряжает слоговый фильтр 11 и соответственно уменьшает амплитуду импульсов цифровой последовательности L(t) за счет перемножения вьгходной последовательности с сигналом, образующимся на выходе слогового фильтра 11.

2. К„, U(t) < U„(t) — это означает, что кодер перегружен и увеличение мощности шумов произошло за счет перегрузки кодера по амплитуде.

В зтом случае дополнительный компаратор 7 выдает положительный импульс, увеличивающий напряжение на выходе слогового фильтра 11 и соответственно размах напряжения на выходе перемножителя 9. Сумматор 10 представляет собой пороговое устройство с порогом U ° При U (t) (Бокодер рабо тает в режиме линейной дельта-сигмамодуляции, а начиная с уровня Uz кодер осуществляет адаптацию под уровень входного сигнала Х(). Параметры слоговых фильтров 11-13 следует выбирать одинаковыми и равными рекомендуемым параметрам для слоговых фильтров, используемых в кодерах со слоговой адаптацией. Параметры интеграторов 4 и 5 также следует выбирать равными, исходя из рекомендаций для выбора постоянной времени основного интегратора дельта-сигмакодеров.

Таким образом, в дельта-сигма-кодере реализован алгоритм, удерживающий рабочую точку кодера на границе перегрузки по критерию максимально достижимого отношения сигнал/шум, не зависящего от частоты передаваемого сигнала.

К достоинствам схемы можно отнести также и то, что колебания защищен- ности преобразования определяются це— ликом чувствительностью компаратора

7, разрядностью дельта-декодера 19, а также инерционностью петли компанди- рования, но не зависят ни от уровня передаваемого сигнала, ни от его

Таким образом, потенциально достижима очень высокая степень сжатия динамического Диапазона во всем диапазоне передаваемых частот.

Важным достоинством является универсальность кодера, заключающаяся в высококачественной передаче сигналов речевого диапазона низкоскоростных сигналов, а также сигналов постоянного уровня.

Ф о р м у л а и з о б р е т е н и я

Дельта-сигма-кодер, содержащий входной фильтр, вход которого явля-ется информационным входом дельтасигма-кодера, выход соединен с первым входом первого вычитателя, выход которого через последовательно соединенные первые интегратор и компаратор подключен к информационному входу дискретизатора, тактовый вход которого объединен с тактовым входом анализатора последовательности импульсов и является тактовым входом дельта-сигма-кодера, выход дискретизатора подключен к информационному входу анализатора последовательности имгульсов, первому входу перемножителя и является выходом дельтасигма-кодера, первый слоговый фильтр и.источник постоянного напряжения, выходы которых соединены с первым и вторым входами сумматора, выход которого подключен к второму входу перемножителя, выход которого соединен с вторым входом первого вы35 читателя, отличающийся тем, что, с целью повышения точности преобразования за счет расширения полосы частот преобразуемых сигналов, 40 в дельта-сиг:а-кодер введены второй слоговый фильтр, последовательно соединенные регистр сдвига и преобразов",òåëü полярности, последовательно соединенные второй вычитатель, 45 второй интегратор, третий слоговый фильтр и усилитель, второй компаратор и дельта-декодер, информационный и тактовый входы которого объединены с одноименными входами регистра сдвига и подключены соответственно к выходу дискретизатора и тактовому входу дельта-сигма-кодера, выходы дельта-декодера и преобразователя полярности соединены с первым и вторым входами второго вычитателя, выход усилителя подключен к первому входу второго комларатора, выход анализатора последовательности импульсов через второй слоговый

1451866 фильтр соединен с вторым входом второго компаратора, выход которого подклнчен к входу первого слогового фильтра.

1451866

Составитель О.Ревинский

° Редактор М. Циткина Техред Л, Сердюкова . Корректор N. Васильева

Заказ 7092/56 Тираж 879 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

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

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