Дельта-модулятор

(51) 4 Н 03 М 3/02 Я Б У ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТ ОПИСАНИЕ И А ВТОРСКОМУ СВИДЕТ(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. М.: Радио и связь. 1982, с. 44, рис, 219Ве 11 Бузсеш ТесЬп 1 са 1 Лоцгпа 1, 1972, ч. 51,В 6, р. 1293-1304Авторское свидетельство СССР У 641648, кл. Н 03 М 3/02, 1977(57) Изобретение относится к автоматике и вычислительной технике. Егоиспользование в системах передачиинформации 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 генератора4 случайных сигналов обеспечиваетсяповышение отношения сигнал - шум аппроксимирующего сигнала дельта-модулятора. 1 з.п, ф-лы, 3 ил.1381713 Выражение (2) усреднении по реал квадратичная усре аппроксимации вхо тотипе равна сред грешности аппрокс о при аэывает нешнос изациям сре ненная погр ного сигнал в й п квадратичации, найд н па нельзя,зрения о ациям дляысленно с о реал 5 т,ебессуменьшени к чнои среднеквадрат акапливать од имер при испо именные зовании яции по шност ы дельта-моду прототипа дторяющихсясигналов. азидетерминированных ости аппрод;.; по еализации орядковый ой группе огре игна При усреднении ксимация входного соседним отсчетам (1 - номер отсчет номер отсчета в у отсчетов) среднек ненная погрешност но редняе ратичная усред(3 зменени х усред линейного (в преде вхо а емои го сиг группы отсчетов х. = х. + А 1+1- Е1 1 число отсч усредняетс число усре по которым квадратичн етов, по кото я погрешность дненных отсче сиву аходим с погреши тьФ У;, х вени сиг о и выходног дноИзобретение относится к автоматике и вычислительной технике и можетбыть использовано в системах передачи информации с дельта-модуляцией,Цель изобретения - повьшение точ 5ности преобразования эа счет уменьшения среднеквадратичной усредненнойпогрешности аппроксимации входногосигнала, .и упрощение дельта-модулятора,На фиг, 1 представлена блок-схемадельта-модулятора, на фиг. 2 приведены временные диаграммы работы дельта-модулятора; на фиг. 3 - графикизависимости отношения сигнал - шум навыходе дельта-модулятора от амплитуды входного сигнала (выходной сигналпропущен через фильтр нижних частот),Дельта-модулятор содержит блок 1вычитания, пороговый блок 2, генератор 3 тактовых импульсов, генератор4 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 можетбыть выполнен в виде генератора импульса случайной длительности,30В основе работы дельта-модуляторалежит следующее.Дельта-модулятор с определеннойвеличиной модуля приращения аппроксимирующего сигнала (прототип) нечувствителен к небольшим изменениямвходного сигнала, меньшим моцуля приращения аппроксмирующгго сигнала,что приводит к большой среднеквадратичной усредненной погрешности аппро 40ксимации. Кроме того, большая среднеквадратичная усредненная погрешность аппроксимации 6 в прототипеопределяется большой погрешностью аппроксимации д.на каждом такте работы;45й= - ,С(-,С / ), (1) Так как в прототипе зависимаппроксимирующего сигнала от в го детерминирована, то при усреднении отсчетов, а следовательно и погрешности с; по И реализациям,т.е.ч 1при повторении И раз аппроксимации одного и того же сигнала (1 - номер отсчета, такта; . - номер реализации), погрешность усредняемого отсчета во всех реализациях будет одна и та же, т.е,о однои реализации. Таким образом, среднять погрешность аппроксимации Е - модуль приращения ап мирующего напряжения в тотипе.При этом иэ выражения (3) Выражение (5) показывае при усреднении по соседним отсчетамдля низкочастотных сигналов (т,е,15 когда справедливо предположение о линейной зависимости погрешности от номера отсчета в усредняемой группе отсчетов) среднеквадратичная усред 5 ненная погрешность аппроксимации в прототипе также не зависит от усред-, нения, а зависит от величины модуля приращения, уменьшать которую можно лишь до некоторого предела. 1 ОВ предлагаемом дельта-модуляторечуменьшение среднеквадратичной усредненной погрешности связано с усреднением, 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 погрешностю аппроксимации входного сигнала дельта-модулятора, а среднеквадратичной усредненной погрешностью дельта-модулятора, Таким образом, лучшим (обеспечивающим большее отношение сигнал - шум в системе) будет тот дельта-модуля 40 тор, у которого меньше среднеквадратичная усредненная погрешность аппроксимации. Возможность уменьшения среднеквадратичной усредненной погрешности путем усреднения мгновенной45 погрешности делает возможными и другие способы обработки аппроксимирующего напряжения (т.е. расширяет область применения), .".ри которых мгновенные значения погрешности аппроксимации предварительно усредняются. 50Например, 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), тактоваячастота генератора тактовых импульсов обычно выбирается намного большей верхней частоты входного сигнала,поэтому выражения (4) и (5) практически всегда справедливы,Дельта-модулятор работает следующим образом.Входной аналоговый сигнал Фиг.2 л)с входа 7 поступает на первый входвычитающего блока 1, на второй входкоторого поступает аппроксимирующийсигнал (фиг. 2 а, пунктир) с выходаинтегратора 5. Разностый сигнал свыхода вычитающего блока 1 поступаетна вход порогового блока 2. Тактовыеимпульсы (фиг. 2 б) с выхода генератора 3 поступают на соответствующиевходы порогового блока 2, генератора4 случайных сигналов и сумматора 6.В момент поступления тактового импульса на тактовый вход пороговогоблока 2 на его выходе и соответственно на входе сумматора 6 появляется импульс (фиг. 2 в) постоянной амплитуды, полярность которого соответствует полярности разностного сигнала. Каждому тактовому импульсу навходе генератора 4 соответствуетвыходной сигнал со случайными параметрами, например импульс случайнойдлительности (фиг, 2 г). Сигнал с выхода генератора 4 поступает на входсумматора 6. Таким образом, на каждом такте работы генератора 3 тактовых импульсов сумма трех сигналов(фиг. 2 д), поступающая с выхода сумматора 6 на вход интегратора 5, вызывает приращение аппроксимирующегосигнала на выходе интегратора 5. Нанекотором такте работы это приращение равно интегралу по времени запериод работы генератора 3. Нафиг. 2 б-д форма сигналов изображенаусловно, как пример реализации. Кроме того, сигнал суммы (фиг, 2 д) трехсигналов условно изображен как импульс переменной амплитуды, Действительная форма импульса может бытьразличной, т,е. определяется суммойсоответствующих входных сигналов сумматора 6. Существенным дЛя входныхсигналов сумматора 6 является то,что они интегрируются, причем интеграл за период работы генератора 3от тактового сигнала постоянен; отвыходного сигнала порогового блока 2постоянен по модулю, но может менять1381713 5Таким образом, приращение аппроксимирующего сигнала на 1-м такте работы генератора 3 равно интегралу по времени за период работы генератора 3 тактовых импульсов: 10 15 входной сигнал дельта-модулятора на -м такте,выходной сигнал интегратора5 на 1-м такте работы (аппроксимирующий сигнал),совместный коэффициент передачи сумматора 6 и интегратора 5 для соответствующего сигнала на входе сумматора 6. х,)"ц кс- )мО, иначе макс мкн причем Е , и Е 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. Приме 4 О нение равномерного закона распределения длительности импульсов позволяет уменьшить среднеквадратичную усредненную погрешность аппроксимирующего сигнала. При этом согласно (6) пара 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 сО и К 1 = И (А С+,где 55Их- математическое ожидание случайной величины х.Моделирование работы устройствапрототипа и предлагаемого дельта-моКАС + К ) А ) С )1 макс К А знак 1 от выходного сигнала со случайными параметрами имеет случайный характер. ТВ,)к якп(х;-у ) ) к(т) о+ к к (с)+к+ г,ис,Г 1, г)О,где здп(г)=фф 1-1, г (О, КЬАз С -К,А С 1где4 м и К)АОстальные обозначения раскрыты в выражении (6).Работа дельта в модулято и устройства-прототипа описывается выражениему, =у, +.здп (х;-у ), (8) где- модуль приращения аппроксимирующего сигнала, яричем для прототипа амплитуда приращения аппроксимирующего сигнала Г=Ер - постоянна.Для рассматриваемого дельта-модулятора Г = Б - 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 - случайная величина,распределенная по закону, соответствующему распределению (7): Далее сигналы представляются вформе импульсов:(Ае, пТ( г пТ+7 е 7 О, иначе где п=О, 1, 2,Ае, е - соответственно амплитуда идлительность 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 распределениемПлотность распределения длительности импульсовдулятора для входного гармоническогосигнала с частотой, равной 0,01 отчастоты выходных импульсов тактовогогенератора, при котором отношениесигнал - шум вычислялось для отсчетов5аппроксимирующего сигнала, пропущенного через цифровой фильтр нижнихчастот, показало не только увеличение отношения сигнал - шум дельтамодулятора (сплошная линия) по сравнению с прототипом (пунктир), но идополнительный положительный эффект,связанный с рандомизацией приращенияаппроксимирующего сигнала, обеспечивающей уменьшение среднеквадратичнойусредненной погрешности: как видно изграфика (фиг. 3) в рассматриваемомдельта-модуляторе при увеличении амплитуды входного сигнала позже, чемв прототипе, наступает режим перегрузки,Формула изобретения251. Дельта-модулятор, содержащийблок вычитания, первый вход которогоявляется 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 щ и й с я 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 щ и й с я тем, что, с целью упрощения дельта-модулятора,. генератор случайных сигналов выполнен в виде генератора импульсов случайной длительности."Ь,И фиг ЯСоставитель О.Ревинскии Редактор А,Лежнина Техред Л.Сердюкова орректор А.Обруча з 1194/55 ТирВНИИПИ Госудпо делам и113035, Москва,аж 928рственного комитетаобретений и открытииЖ, Раушская наб,дписно 4/5 оизводственно"полиграфическое предприятие, г. Ужгород, ул. Проектн