Адаптивный дифференциальный импульсно-кодовый модулятор

Изобретение относится к области формирования цифровых сигналов и может использоваться в цифровых системах передачи речевых сигналов. Достигаемый технический результат - повышение качества восстановленной речи за счет исключения шумов квантовании. Адаптивный дифференциальный импульсно-кодовый модулятор содержит источник аналогового речевого сигнала, дискретизатор по времени, преобразователь отсчетов, вычитатель, адаптивный предсказатель, генератор коротких периодических импульсов, одновибратор, два дифференциатора по времени с инверсным выходом, аналоговый частотный модулятор, аналоговый перемножитель сигналов, усилитель-ограничитель амплитуды сигнала, счетчик импульсов, регистр сдвига, генератор тактовых импульсов, цифровой инвертор и интегратор. 3 ил., 1 табл.

 

Изобретение относится к области формирования цифровых сигналов (ЦС).

Известны адаптивные дифференциальные импульсно-кодовые модуляторы (АДИКМ), описанные в источниках, например в:

1. Маковеева М.М., Шинаков Ю.С. Системы связи с подвижными обьектами. - М.: Радио и связь. 2002. - С.65-68.

2. Горелов Г.В., Волков А.А., Шелухин В.И. Каналообразующие устройства железнодорожной телемеханики и связи. - М.: ГОУ, 2007. - С.165-168.

3. Зюко А.Г. и др. Теория передачи сигналов. - М.: Радио и связь, 1986. - С.252-254.

По технической сущности наиболее близким к изобретению является АДИКМ, описанный в первом источнике, который по этой причине и принимается за его прототип. В других источниках описаны аналоги изобретения.

Прототип состоит из последовательно соединенных источника аналогового речевого сигнала (PC), дискретизатора сигнала по времени с генератором импульсов, подключенным ко второму его входу, вычитателя, адаптивного квантователя и адаптивного предсказателя, выход которого соединен со вторым входом вычитателя.

В вычитателе из данного отсчета b(t_i) вычитается предсказанное значение b(t_i)_пр, в результате чего определяется ошибка предсказания ε(t_i)=b(t_i)-b(t_i)_пр. Предсказанное значение b(t_i)_пр является детерминированным, т.е. не несущим информации, и поэтому его не передают. Передают случайную величину ε(t_i) цифровым методом, т.е. ее квантуют по уровню и кодируют. Квантование по уровню означает округление реальных отсчетов до разрешенных уровней, что порождает шум квантования, снижающий качество восстановленной речи.

Основным недостатком прототипа является относительно низкое качество восстановленной речи из-за шума квантования по уровню.

Техническим результатом изобретения является повышение качества восстановленной речи за счет исключения шумов квантования.

Сущность изобретения состоит в том, что в АДИКМ, состоящий из последовательно соединенных источника аналогового речевого сигнала (PC), дискретизатора по времени, преобразователя отсчетов, вычитателя, выход которого соединен со вторым его входом через адаптивный предсказатель, а также из генератора коротких периодических импульсов, подключенного своим выходом ко второму входу дискретизатора непосредственно и ко второму входу преобразователя отсчетов через последовательно включенные одновибратор и первый дифференциатор по времени с инверсным выходом, введены дополнительно последовательно подключенные к выходу вычитателя аналоговый частотный модулятор, аналоговый перемножитель сигналов, усилитель-ограничитель амплитуды сигнала, счетчик импульсов, регистр сдвига с генератором тактовых импульсов, подключенным к его второму входу, а также цифровой инвертор, интегратор и второй дифференциатор по времени с инверсным выходом, причем, выход одновибратора подключен ко второму входу перемножителя сигналов непосредственно и ко входу разрешения РЕ на запись в регистре сдвига - через последовательно включенные цифровой инвертор и второй дифференциатор по времени с инверсным выходом; вход разрешения СЕ на считывание с регистра сдвига подключен к выходу цифрового инвертора через интегратор по времени с инверсным выходом; выход регистра сдвига является выходом всего АДИКМ.

Существенным отличием изобретения являются введенные элементы и их связи, т.к. только они позволяют получить данный технический результат.

Изобретение иллюстрируется чертежами.

На фиг.1 представлена структурная схема предложенного АДИКМ, а на фиг.2, 3 - временные диаграммы, поясняющие его работу.

На фиг.1 обозначено:

1 - источник аналогового сигнала;

2 - генератор импульсов дискретизации;

3 - дискретизатор;

4 - одновибратор;

5 - преобразователь отсчетов;

6, 14 - дифференциаторы по времени;

7 - вычитатель;

8 - адаптивный предсказатель;

9 - частотно-модулированный автогенератор (частотный модулятор);

10 - перемножитель сигналов;

11 - цифровой инвертор;

12 - усилитель-ограничитель сигнала по уровню;

13 - интегратор по времени;

15 - счетчик импульсов;

16 - регистр сдвига;

17 - генератор тактовых импульсов.

Кружочки у блоков 6, 13, 14 означают инверсность.

Введенные элементы обведены пунктирной линией.

Работа схемы происходит следующим образом.

Аналоговый речевой сигнал (PC) u₁(t) с генератора 1 поступает на низкочастотный (н.ч.) вход дискретизатора 3, на высокочастотный (в.ч.) вход которого подаются периодические короткие импульсы дискретизации с генератора 2. Частота следования этих импульсов определяется теоремой Котельникова и равна 8 кГц. Короткие дискретные значения PC u₃ (t) с выхода блока 3, называемые отсчетами, поступают на один вход блока 5. Блок 5 представляет собой конденсатор постоянной емкости, зашунтированный нормально разомкнутым контактом, на управляющий вход которого поступают импульсы с генератора 2 через последовательно включенные одновибратор 4 и первый дифференциатор по времени 6 с инверсным выходом, что отмечено кружочком на фиг.1. Блоки 4,6 образуют элемент задержки импульсов с генератора 2 на длительность τ, с помощью которых короткие отсчеты u₃(t) с блока 3 преобразуются в блоке 5 в отсчеты u₅(t) длительности τ с горизонтальной вершиной, как показано на фиг.2. Сигнал u₅(t), называемый сигналом с амплитудно-импульсной модуляцией АИМ-2, поступает на один вход вычитателя 7. На другой вход блока 7 подаются предсказанные значения импульсов u₈(t) с адаптивного предсказателя 8. Каждый отсчет b(t_i) на входе вычитателя 7 предсказывается в блоке 8 по предыдущим отсчетам с некоторой погрешностью ε(t_i). Предсказанное значение b(t_i)_пр является детерминированным, не несущим информации, и поэтому его не передают. Передают случайную составляющую ε(t_i)=b(t_i)-b(t_i)_пр, которая поступает на управляющий вход частотного модулятора 9, выполненного на базе автогенератора. Частотно-модулированный (ЧМ) сигнал с блока 9 поступает на один вход перемножителя 10, на другой вход которого подаются колебания с выхода одновибратора 4. Прямоугольные колебания u₄(t_i) совпадают с импульсами ε(t_i) по времени и длительности, но имеют постоянную амплитуду. Поэтому на выходе блока 10 колебания с ЧМ не непрерывные, а в виде радиоимпульсов длительности τ и постоянной амплитуды, но разной частотой заполнения гармоническим колебанием, пропорциональной амплитуде импульсов e(ti), как показано на фиг.2. Радиоимпульсы u₁₀(t) с блока 10 поступают на вход одностороннего усилителя-ограничителя амплитуды 12, на выходе которого имеют место те же радиоимпульсы, но с заполнением не гармоническим колебанием, а однополярными прямоугольными импульсами. Эти импульсы поступают на вход счетчика 15, на выходе которого их число представлено в двоичной системе счисления и параллельным кодом (фиг.2). С выхода счетчика 15 сигнал поступает на вход регистра сдвига 16, преобразующего параллельный код в последовательный с помощью тактовых импульсов генератора 17, поступающих на тактовый С вход регистра 16. Процесс данного преобразования параллельного кода в последовательный происходит в паузах между радиоимпульсами, отчего импульсы заполнения не теряются. Данный процесс поясняется табл.1 и фиг.3. В табл.1 представлен режим работы регистра сдвига марки К555ИР9, заимствованный из книги Шило В.Л. Популярные цифровые микросхемы. - М.: Радио и связь 1987. - С.122. Сначала число импульсов заполнения со счетчика 15 записывается в регистр 16, для чего на его вход разрешения записи РЕ подается низкий уровень сигнала путем подключения к нему выхода блока 4 через последовательно включенные блоки 11 и 14. Запись осуществляется в момент t₁, как показано на фиг.3. Считывание записанной информации с регистра 16 происходит в момент t₂>t₁. Для этого с выхода цифрового инвертора 11 сигнал подается на вход разрешения на считывание СЕ регистра 16 через интегратор 13 с инверсным выходом. В момент времени t₂>t₁ фронт импульса с блока 13 достигает порога, после чего считываются последовательно все импульсы заполнения, преобразуя параллельный код в последовательный.

Технико-экономическим эффектом изобретения является максимальное увеличение качества речи за счет исключения операции квантования по уровню импульсов ошибки предсказания и полного исключения потерь информационных импульсов, так как преобразование параллельного кода в последовательный осуществляется в паузах между радиоимпульсами.

Таблица 1
Состояние PC К555ИР9
№ п/п	Режим	Вход
1	Запись	Н	X	X
2	Считывание	В	H	↑
3	Хранение	B	B	X

Адаптивный дифференциальный импульсно-кодовый модулятор, состоящий из последовательно соединенных источника аналогового речевого сигнала, дискретизатора по времени, преобразователя отсчетов, вычитателя, выход которого соединен со вторым его входом через адаптивный предсказатель, а также из генератора коротких периодических импульсов, подключенного своим выходом ко второму входу дискретизатора непосредственно и ко второму входу преобразователя отсчетов через последовательно включенные одновибратор и первый дифференциатор по времени с инверсным выходом, отличающийся тем, что в него дополнительно введены последовательно подключенные к выходу вычитателя аналоговый частотный модулятор, аналоговый перемножитель сигналов, усилитель-ограничитель амплитуды сигнала, счетчик импульсов и регистр сдвига, генератор тактовых импульсов, подключенный к второму входу регистра сдвига, а также цифровой инвертор, интегратор и второй дифференциатор по времени с инверсным выходом, причем выход одновибратора подключен ко второму входу перемножителя сигналов непосредственно и ко входу разрешения на запись в регистр сдвига через последовательно включенные цифровой инвертор и второй дифференциатор по времени с инверсным выходом; вход разрешения на считывание информации с регистра сдвига подключен к выходу цифрового инвертора через интегратор по времени с инверсным выходом; выход регистра сдвига является выходом всего модулятора.