МНОГОКАНАЛЬНЫЙ АНАЛОГО-ЦИФРОВОЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ СИГНАЛОВ

Полезная модель (ПМ) относится к области передачи цифровых сигналов (ЦС).
Известны аналого-цифровые преобразователи (АЦП), описанные в источниках, например, в:
1. Шмытинский В.В., Котов В.К., Здоровцев И.А. Цифровые системы передачи информации на железнодорожном транспорте. - М.: Транспорт, 1995
2. Под редакцией Якубовского С.В. Цифровые и аналоговые интегральные микросхемы. Справочник. - М.: Радио и связь, 1990
3. Горелов Г.В., Фомин А.Ф., Волков А.А., Котов В.К. Теория передачи сигналов на железнодорожном транспорте. М.: - Транспорт, 2003
По технической сущности наиболее близким к ПМ является АЦП системы ИКМ - 30, описанный в первом источнике, который по этой причине и принимается за ее прототип. В остальных источниках описаны аналоги ПМ.
Прототип состоит из многоканального дискретизатора речевых сигналов (PC) по времени, распределительной линии, кодера, работающего по методу взвешивания. В состав кодера входят компаратор уровня отсчетов, два формирователя одиннадцати эталонных сигналов (ФЭС), восьмивходовой регистр сдвига с параллельной загрузкой, генератор импульсов, устройство коммутации ФЭС (УКФ), устройство преобразования сигналов управления (УПСУ). На один вход компаратора поступают отсчеты АИМ-2 речевых сигналов, а на другой его вход - эталонные сигналы. Выход компаратора подключен ко входам регистра сдвига, выходы которого соединены с УКФ через УПСУ. Генератор импульсов подключен ко входу разрешения компаратора.
Кодер осуществляет и компрессию отсчетов, причем, только дискретно, в восьми точках непрерывной логарифмической кривой в положительных и отрицательных областях изменения отсчетов. Эти точки соединены между собой прямыми линиями (сегментами)
Длительность каждого сегмента увеличивается в два раза, по сравнению с предыдущим, начиная с третьего. Внутри сегмента компрессия отсутствует. Поэтому при больших уровнях сигнала речь ведется на фоне большого уровня шумов квантования, что снижает качество речи.
Основным недостатком прототипа является относительно низкое качество речи при больших уровнях сигнала.
Техническим результатом ПМ является повышение качества речи за счет непрерывной компрессии отсчетов, вместо дискретной, что осуществляется с помощью введенных элементов.
Сущность ПМ состоит в том, что в многоканальный АЦП, состоящий из последовательно включенных многоканального ключевого дискретизатора по времени речевых сигналов, осуществляющего амплитудно-импульсную модуляцию АИМ-1, компрессора уровня отсчетов, преобразователя АИМ-1 в АИМ-2, кодера сигналов, регистра сдвига с генератором тактовых импульсов, подключенным к его второму входу, а также распределительной линии, включающей в себя последовательно подключенные к управляющим входам ключей дискретизатора генератор импульсов, первый счетчик импульсов, дешифратор, причем, выход генератора импульсов подключен также ко второму входу кодера непосредственно и ко второму входу преобразователя АИМ-1 в АИМ-2 через первый блок временной задержки, дополнительно введены двухполупериодный выпрямитель отсчетов речевых сигналов, RS-триггер, два блока задержки по времени, две схемы совпадения И, второй счетчик импульсов, схема 2И-НЕ, дифференцирующая цепь, причем, через двухполупериодный выпрямитель соединены между собой компрессор и преобразователь АИМ-1 в АИМ-2; RS-триггер подключен своим S-входом к выходу первого блока задержки по времени через второй блок задержки, а инверсный выход этого триггера подключен ко входу разрешения СЕ на считывание регистра сдвига; прямой выход RS-триггера соединен с его R-входом через последовательно включенные первую схему совпадения, второй счетчик импульсов, вторую схему совпадения; второй вход первой схемы совпадения соединен с выходом генератора тактовых импульсов; источник питания 5 В подключен к входу дифференцирующей RC-цепи и ко входу разрешения на запись регистра сдвига через схему 2И-НЕ, второй вход которой соединен с выходом первого блока задержки по времени; вход компрессора соединен в первым триггером регистра сдвига через третий блок задержки по времени.
Существенным отличием ПМ являются введенные элементы и их связи, так как только они позволяют повысить качество речи.
ПМ иллюстрируется чертежом.
На фиг.1 представлена структурная схема предложенного многоканального АЦП, где обозначено:
1 - многоканальный дискретизатор речевых сигналов;
2 - генератор импульсов дискретизации;
3 - компрессор уровня отсчетов;
4 - дешифратор;
5, 17 - счетчики импульсов;
6 - двухполупериодный выпрямитель отсчетов;
7, 9, 11 - блоки задержки по времени;
8 - преобразователь АИМ-1 в АИМ-2;
10 - триггер RS;
12 - кодер;
13 - схема 2И-НЕ;
14 - регистр сдвига;
15 - генератор тактовых импульсов;
16, 18 - схемы совпадения;
RC - дифференцирующая цепь.
Диод VD служит для развязки каскадов.
Введенные элементы обведены пунктирными линиями.
Работа данного АЦП (фиг.1) происходит следующим образом.
1…
n
0
На информационный вход первого ключа многоканального дискретизатора 1 поступает постоянное напряжение Е, по которому далее формируется синхросигнал, а на информационные входы остальных его ключей AA подаются аналоговые речевые сигналы. На управляющие входы этих ключей поочередно поступают короткие импульсы с выхода дешифратора 4. Частота следования этих импульсов f=8 кГц, где k - число ключей, задается автогенератором 2, подключенным к адресным входам дешифратора 4 через счетчик импульсов 5, преобразующий номер импульса из десятичной системы исчисления в двоичную. При этом частота дискретизации по времени сигнала каждым ключом составляет F=8 кГц, что соответствует теореме Котельникова. На выходе каждого ключа имеет место амплитудно-импульсная модуляция АИМ-1; выходы всех ключей соединены вместе и подключены ко входу компрессора 3 и параллельно к первому триггеру регистра сдвига 14 через третий блок задержки по времени 11; блоки 2, 4 и 5 образуют распределительную линию, которая с помощью ключей осуществляет временное уплотнение каналов.
Суммарный сигнал с блока 1 компрессируется (сжимается) по уровню в блоке 3, после чего двухполупериодно выпрямляется в блоке 6, преобразуясь из двухполярных в однополярные импульсы, поступающие на один вход блока 8, на второй вход которого подаются импульсы с генератора 2 через первый блок временной задержки 7. В блоке 8 короткие импульсы АИМ-1, имеющие разную амплитуду, преобразуются в прямоугольные импульсы требуемой длительности τ с горизонтальной вершиной, по-прежнему имеющие разную амплитуду. Эти импульсы АИМ-2 поступают в кодер 12, где их уровень преобразуется из десятичной системы в двоичную, то есть в цифровой сигнал (ЦС). С выхода блока 10 ЦС параллельным кодом поступает на все входы данных, начиная со второго, регистра сдвига 14, где на первый вход в это время поступает знак отсчетов со входа компрессора 3 через блок задержки по времени 11; ко входу разрешения РЕ на запись данных в регистр сдвига 14 подключен инверсный выход микросхемы 2И-НЕ 13, на один вход которой подается постоянное питание 5 В, а на другой - импульсы с генератора 2 через первый блок временной задержки 7. К этому времени ЦС в блоке 12 сформирован и импульс с блока 7 обеспечивает ноль на входе РЕ, что является разрешением на запись, и она осуществляется. Режимы работы регистра сдвига К555ИР9 с параллельной восьмивходовой загрузкой данных представлена в табл.1, заимствованной из книги Шило В.Л. Популярные цифровые микросхемы. - М.: Радио и связь, 1987.
Таблица 1
Состояние регистра К555ИР9
N п/п
Режим
<img file="00000002.tif" he="5" wi="5" img-content="undefined" img-format="tif" />
<img file="00000003.tif" he="5" wi="5" img-content="undefined" img-format="tif" />
С
1.
Параллельная загрузка (запись)
Н
x
x
2.
Последовательный сдвиг (считывание)
В
Н
x
3.
Хранение
В
В
x
В таблице:
Н - низкое напряжение;
В - высокое напряжение;
x - любое напряжение.
На тактовый вход С регистра сдвига 14 поступают тактовые импульсы с генератора 15. Пока на входе разрешения СЕ имеется высокое напряжение (см. табл.1) считывание информации с блока 14 не происходит. Это напряжение задается инверсным выходом RS-триггера 10. На S-вход этого триггера поступают импульсы с генератора 2 через первый 7 и второй 9 блоки задержки по времени, которые переводят этот триггер из состояния нуля в состояние единицы, и на его инверсном выходе появляется ноль, что является разрешением на считывание информации с регистра сдвига 14 с помощью тактовых импульсов. Тактовые импульсы с генератора 15 поступают также и на вход второго счетчика 17 через первую схему совпадения 16, второй вход которой соединен с прямым выходом RS-триггера 10. После того, как счетчик 17 отсчитает 8 импульсов, сработает трехвходовая схема совпадения 18, подключенная к выходу счетчика 17, и выдаст единицу на R-вход RS-триггера. От этого триггер сбрасывается в ноль, и на его инверсном выходе появится единица, останавливающая процесс считывания информации с регистра сдвига 14 до прихода очередного импульса с блока 7 на RS-триггер 10. К R-входу этого триггера подается также напряжение источника питания 5 В через дифференцирующую RC-цепь, которая ставит данный триггер в нулевое состояние при включении питания.
Видно, что работа данного АЦП существенно отличается от работы АЦП прототипа, работающего по методу взвешивания. Разная их конструктивная структура и структура цифровых сигналов.
Технико-экономическим эффектом ПМ является повышение качества речи за счет непрерывной компрессии речевого сигнала вместо дискретной.