АДАПТИВНЫЙ ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫЙ ИМПУЛЬСНО-КОДОВЫЙ МОДУЛЯТОР
ADAPTIVE DIFFERENTIAL PULSE-CODE MODULATOR

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.
i
i
пр
i
i
i
пр
i
пр
i
В вычитателе из данного отсчета b(t) вычитается предсказанное значение b(t), в результате чего определяется ошибка предсказания ε(t)=b(t)-b(t). Предсказанное значение b(t) является детерминированным, т.е. не несущим информации, и поэтому его не передают. Передают случайную величину ε(t) 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.
1
3
3
5
5
8
i
i
i
пр
i
i
i
пр
4
i
i
10
1
2
1
2
1
Аналоговый речевой сигнал (PC) u(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 u (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 u(t) с блока 3 преобразуются в блоке 5 в отсчеты u(t) длительности τ с горизонтальной вершиной, как показано на фиг.2. Сигнал u(t), называемый сигналом с амплитудно-импульсной модуляцией АИМ-2, поступает на один вход вычитателя 7. На другой вход блока 7 подаются предсказанные значения импульсов u(t) с адаптивного предсказателя 8. Каждый отсчет b(t) на входе вычитателя 7 предсказывается в блоке 8 по предыдущим отсчетам с некоторой погрешностью ε(t). Предсказанное значение b(t) является детерминированным, не несущим информации, и поэтому его не передают. Передают случайную составляющую ε(t)=b(t)-b(t), 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 u(t) совпадают с импульсами ε(t) 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 u(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 t, как показано на фиг.3. Считывание записанной информации с регистра 16 происходит в момент t>t. 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 t>t 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
<img file="00000001.tif" he="5" wi="6" img-content="undefined" img-format="tif" />
<img file="00000002.tif" he="5" wi="6" img-content="undefined" img-format="tif" />
<img file="00000003.tif" he="5" wi="4" img-content="undefined" img-format="tif" />
1
Запись
Н
X
X
2
Считывание
В
H
↑
3
Хранение
B
B
X