Дельта-сигма-кодер

(54) ДЕ (57) Из лительн Его исп чи рече ЬТА-СИГМА-КОД бретение отно й технике и т вычисвязи.передаитс дос- незао сигхник ование в систем тигае висим зволяет повыования путем х сигналов и ь качество преобр а. Зи ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТНРЬПИЯМПРИ ГКНТ СССР Н АВТОРСКОМУ л.техтут им.А.Я.Пельше(56) Авторское11- 1181152, кл.Стил Р, ПриМ,: Связь, 197Там же, с.1 свидетельство СССР Н 03 М 3/02, 1983. нципы дельта-модуляции 9. с.178, рис.7.1.99, рис.7.10. расширения полосы частот преобра мых сигналов. Дельта-сигма-кодер держит 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 введенин) 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 максимальномого отношения сигнал/шум о от частоты передаваемог1451866 чек импульсов. 50 Изобретение относится к вычисли-тельной технике и технике связи иможет применяться в системах передачи, например, речевых сигналов,Цель изобретения - повышение качества преобразования путем расширения полосы частот преобразуемыхсигналов.На Фиг.1 приведена блок-схема 10дельта-сигма-кодера; на Фиг.2 и 3временные диаграммы его работы.Дельта-сигма-кодер содержит входной Фильтр 1, первый и второй вычитатели,2,3, первый и второй интеграторы 4,5, первый и второй компараторы 6,7, дискретизатор 8, перемножитель 9, сумматор 10, первый - третий слоговые фильтры 11-13,усилитель 14, источник 15 постоянного нанапряжения, анализатор 16 последовательности импульсов, преобразователь17 полярности, регистр 18 сдвига,дельта-декодер 19. На Фиг.1 обозначены информационный и тактовый входы 2520,21 и выход 22.Дискретизатор 8 может быть реализован на триггере.Анализатор 16 последовательности импульсов может быть выполнен 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 ляемых к дельта-сигма-кодеру, и определяется оптимальным соотношением между минимально допустимой защищенностью, которую необходимо обеспечить при передаче аналоговых сигналов, 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 высокая55 степень сжатия динамического диапаэона и защищенность Передаваемых сигналов,На Фиг.2,3 приняты следующие обозначения:Х(1) - вхо ной с д игнал на входе 20;Ь(Т) - выходная цифровая последовательность на выходе22;Б,(С) - сигнал на выходе десятого разряда регистра 18сдвига;ЦЬ(С) - сигнал разности на выходе вычитателя 2;11 (1) - напряжение шума на выходе интегратора 5;Н (С) - напряжение на выходе слогового фильтра 13;Чс,(С) - напряжение на выходе слогового Фильтра 12;Б с(С) - усиленное напряжение11 ст(Т) на выходе усилите -ля 14;Бс (С) - напряжение на выходе слогового Фильтра 11;П(1) - сигнал на выходе компаратора 7;У(с) - сигнал обратной связи навыходе перемножителя 9;Ц - опорный пороговый уровень на выходе источника 15;Г - частота дискретизации навходе 21.Алгоритм работы петли инерционного компандирования организован таким образом, что рабочая точка кодера удерживается на границе перегрузки в заданном динамическом диапазоне передаваемых сигналов по критерию максимально достижимого отношения сигнал/нум,Аналитический такой критерий можно описать следующим образом, используя известные выражения.Максимально достижимое отношение сигнал/шум квантования для границы перегрузки по мошности:лРс Зй еР,-ЗТ 12 Г Г ( + )"16 2 где Г . - верхняя частота передаваемого диапазона частот, причем можность сигнала Р, взята с учетом среднего значения выпрямленного двухполупериодным выпрямителем гармонического сигнала:2 Нс1451866 ряжению:. с = К." , - 4 роистза.пряжения Пм ыми диаграммазе ь-го времен -Х (-1 д где Б - максимальная амплитудавходного сигнала, соответствующая верхней границе динямическо.) диапазона.Соответственно, отношение по нап 5 Задавшись конкретнь:ми значениями параметроз, можно определить коэффициент такого отношения, Так, при64 к 1 ц, Й з = 34 КГц 15 где К - коэффициент отношения напряжения сигнал/шум для границь. перегрузки. Другими словами, з кодере, рабо чая точка которого находится на границе перегрузки, напряжение среднего значения выпрямленного двухпалупериадным выпрямителем входного ) арманического сигнала большенапряжения шумов ца коэффициент К .Этот вывод и положен з основу работы предлагаемого ус Для определения на воспользуемся временинаго интервала можно определить напряжение шу) я квантования. где у; - -й фрагмент сигналаобратной связи; число символов в пачке 1.-го фрагмента;амплитуда импульсов сигнала обратнаи связи;постоянная времени интегратара.Операция, определенная приведен" ным соотнинением известна как многоуровневое декодирование, Для выделения усредненнога напряжения шумов завремя периода входного сигнала необходимо применить слоговый фильтр. Для определения напряжение, пропорционального среднему выпрямленном; значению входного сигнала. необходимо производить цифровое выпрямленце и последующее усреднение,Дельта-сигма-.кодер работает следующим образам.Входной сигнал Х("), отфильтро - ванный входным фильтром 1, поступает на вход зычитателя 2, ча второй вход котарага заведен сигнал с выхода перемножителя 9. При помаши вычитателя 2 из сигнала Х(Т) вычитается сигнал обратной связи У(Г) . Сигнал с зь)хада вычитателя 2 интегрируется интегэатором 4. В зависимости от знака напряжения компаратор 6 формирует цифровой поток ,(Т) (дискретизированный во времени дискретизаторов 8), который с одной стороны подается на зь)хад 22, а с другой стороны - на переноитель 9, а также на элементы 12,16, которь)е фактически представляют собой детектор огибающий сигнала, и на элементь) 3,5,13,7,18,19 детектор огибающей шума.Анализатор 6 последовательности импульсоз осуществляет цифровое дзухполупериадное зыпрямление цифрового потока, который далее сглаживается слоговым фильтрам 12, Таким образом происходит выделение входного сигналя.Пельта-декодер 9 производит калибровку многоэлементных пачек, вы деляя напряжение Х,(С),которое, вычитаясь вычитятелем 3 из цифрового патока, сдвинутого на 10 тактов регистром 18 сдвига и преобразованного .преобразователем 1 полярности, дает ня.ряжение, пропорциональное напряжению шумов. Далее, проинтегрировав напряжение Б .интегратором 5 и сгладив1:чего слоговым фильтром 13, получаем напряжение огибающей шумов квантования ),(;), Зная, что это напряжение должно быть меньше огибающей напряжени.; сигнала 0(С) в Кн раз, сравниваем на компараторе 7 напряжение Б(с), поступающее с детектора шумов, усиленное усилителем 1,с коэффициентом усиления Кн, и напряжение 11 с)(1), поступающее от детекторасигнала,1При этом возможны два варианта работь) колера.15 20 25 30 50 1 К, 3,,Б ,(й) - это означает, что кодер недогружен и увеличение мощности шумов произошло за счет увеличения шумов квантованияСоответственно компаратор 7 выдает нулевой импульс, который подразряжает слоговый фильтр 11 и соответственно уменьшает амплитуду импульсов цифровой последовательности .(1) за счет перемножения вьгходной последовательности с сигналом, образующимся на выходе слогового Фильтра 11.2. К, П (г.) ( Б, (1) - зто 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 пере- множителя 9. Сумматор 10 представляет собой пороговое устройство с порогом Б . При П (1:) ( цкодер работает в режиме линейной дельта-сигма- модуляции, а начиная с уровня Б кодер осуществляет адаптацию под уровень входного сигнала Х(1). 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-сигма- кодеров. Таким образом, в дельта-сигма-кодере реализован алгоритм, удерживающий рабочую точку кодера на границеперегрузки по критерию максимальнодостижимого 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 компаратора7, разрядностью дельта-декодера 19, атакже инерционностью петли компанди-рования, но не зависят ни от уровняпередаваемого сигнала, ни от егочастоты, Таким образом, потенциально достижима очень высокая степеньсжатия динамического Диапазона вовсем диапазоне передаваемых частот. Важным достоинством является универсальность кодера, заключающаяся в высококачественной передаче сигналов речевого диапазона низкоскоростных сигналов, а также сигналов постоянного уровня. Формула изобретения Лельта-сигма-кодер, содержащий входной фильтр, вход которого явля-. ется информационным входом дельта- сигма-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 информационномувходу анализатора последовательности имгульсов, первому входу перемножителя и является выходом дельтасигма-кодера, первый слоговый фильтри.источник постоянного напряжения,выходы которых соединены с первым и вторым входами сумматора, выход которого подключен к второму входуперемножителя, выход которого соединен с вторым входом первого вычитателя, о т л и ч а ю щ и й с ятем, что, с целью повышения точности преобразования за счет расширенияполосы частот преобразуемых сигналов, 40в дельта-сиг:;а-кодер введены второй слоговый фильтр, последовательно соединенные регистр сдвига и преобразователь полярности, последовательно соединенные второй вычитатель, 45второй интегратор, третий слоговыйФильтр 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 кпервому входу второго комларатора,выход анализатора последовательности импульсов через второй слоговыйФильтр соединен с вторым входом второго компаратора, выход которого подклнчен к входу первого слоговогоФильтра.1451866 Составитель О.РевинскРедактор М. Циткина Техред Л. Сердюкова оррек тор М. Васильева каз 7092/56 Тираж 879 ПодписноеИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям п113035, Москва, Ж, Раушская наб., д, 4/5 Т ССС водственно-полиграфическое предприятие, г. Ужгород, ул. Проектная, 4