Дельта-модулятор для передачи речевых сигналов

О ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕВЕДОМСТВО СССР(71) Ленинградский электро 1 ащический институт связи им. проф. М,А,боич-Бруевича (72). Б.Е.Трофймов; А,К),.Вухинник и П.Е,Щербатый(56) Авторское свидетельство СССРМ 1429332, кл, Н 04 М 25/49, 1986,Г,А.Гербергер и др, Аналого-цифровые преобразователи в канале ТИ с дельта-модуляцией. - Электросвязь, 1978, М 11.(54) ДЕЛЬТА-МОДУЛЯТОР ДЛЯ ПЕРЕДАЧИ РЕЧЕВЫХ СИГНАЛОВ57) ИзОбретение относится к электросвязи и может использоваться в цифровых системах передачи речевых сигналов для аналого-цифрового преобразования методом дельта-модуляции, Цель изобретения - уменьшение шумов в паузах речипреобра 1785079 А 1 зуемых сигналов и повь 1 шениеотношения сигнал/шум в канале, Устройство позволяет в режиме холостого ходаи в режиме перегрузок вводить мгновенное компрессирование, что увеличивает шаг квантования атем самым стабилизирует режим холостого хода дельта-модулятора, а в режиме перегрузок повышает отношение сигнал/шум. Это достигается тем, что по выходной цифровой последовательности с помощью регистра сдвига 2 цифрового детектора уровня, элементасложенйя по модулю 2 и аналогового ключа 13 осуществляется мгновенное компандирование при совпадении двух символов, следующих друг задругомчерез один символ. Мгновенная компрессия осуществляется уменьшением постоянной времени основного интегратора 14 шунтированием одного из резисторов с помощью аналогового ключа 13, 1 ил.Изобретение относится к электросвязи ходной цифровой дельта-последовательно- и может быть использовано в системах пе- сти следующих друг за другом через один , редачи речевых сигналов с дельта-модуля- символ.цией (ДМ). Для достижения поставленной цели вИзвестное устройство дельта-модуля дельта-модулятор, который содержит схему ции содержит схему сравнениИ, формирова- сравнения, формирователь цифровых сигтель информационной импульсной налов. амплитудно-импульсный модулятор, последовательности, первый и второй циф- основной интегратор, формирователь сигровы 6 детекторы уровня, первый и второй нала уровня, интегратор компенсации по- формйрбьателИ- Сигнала уРовня, первый и 10 стоянного напряжения и цифрбвой второй амплитудно-импульсные модулято- детектор уровня включающий четырехразры, первый и второй двойные интеграторы, рядный регистр сдвига, трехразрядный репервый и второй аттенюаторы, первый и гистр сдвига, четырехвходовый элемент второйрегулируемыеусилители,инвертори ИЛИ, четырехвходовый элемент ИЛИ-НЕ, первый и второй формирователи сигнала 15 четырехвходовый элемент И, двухвходовыйэлемент ИЛИ, причем вход аналоговых сигНедостатком данного устройс 1 ва дель- налов устройства соединен с первым вхота-модуляции является недостаточное по- дом схемы сравнения, второй вход которой давление шумов в паузах речевого сигнала, соединен с первым выходом основйого инНаиболее близким к предлагаемому 20 тегратора и выходом интегратора компенсаявляется устройство дельта-модуляцйи, ции постоянного напряжения, первый вход которое включает схему сравнения, форми- основного интегратора соединен с выходом рователь цифровых сигналов, амплитудно- амплитудно-импульсного модулятора, выимпульсный модулятор, основной ход схемы сравнения соединен с входом интегратор, интегратор сигнала уровня, ин формирователя цифровых сигналов, выход тегратор компенсации постоянного напря- которого соединен с выходом цифрового ин-, жения и цифровой детектор уровня, причем формационного сигнала устройства, с вховход аналоговых сигналов устройства сое- дом амплитудно-импульснбго модулятора, с динен с первым входом схемы сравнения, входоминтегратора компенсации постоянвторой вход которой соединен с выходами 30 ного напряжения и с входом О четырехразосновного интегратора и интегратора ком- рядного регистра сдвига, тактовый вход пенсации постояннОго напряжения, вход которого соединен с тактовым входомтрехосновногоинтегратора соединен свыходом разрядного регистра сдвига, с тактовым амплитудно-импульсного модулятора, вы- входом формирователя цифровых сигналов ход схемы сравнения соединен с входом 35 и с тактовым входом устройства, выходы формирователя цифровых сигналов,"выход четырехразрядного регистра сдвига соеди-.которого соединен с выходоМ цифрового нены с собтветСтвующиМи вхОдами чЕты- информационного сигнала устройства, с рехвходовых элементов И и ИЛИ-НЕ, входом амплитудно-импульсного модулято- выходы которых соединены с соответствуюра, с входом интегратора компенсации по щими входами двухвходового элемента стоянного напряжения и с входом ИЛИ, выходы трехразрядного регистра цифрового детектора уровня, тактовый вход сдвига соединены с соответствующими трекоторого соединен с тактовым входом фор- мя вхоДами четырехвходового элемента мирователя цифровых сигналов и соединен ИЛИ, четвертый вход которого соединен с с тактовым входом устройства, выход циф входом О трехразрядного регистра сдвига и рового детектора уровня соеДинен с входом с выходом двухвходового элемента ИЛ формирователя сигнала уровня, выход кото-выход Че 1 ырехвходового элемента ИЛИ сорого соединен с входом управления уров- единен. с входом формирователя сигнала нем сигнала амплитудно-импульсного уровня,выхОД кбтОрбго соединен с входом модулятора. 50 управления уровнем сигнала амплитудноНедостатком известного устройстваимпульсного модулятора;-дополнительно дельта-модуляции является значительный введены двухвходовый элемент сложения уровень шумов в паузах речи и недостаточ- по модулю 2 с инверсным выходом и аналоное отношение сигнал/шум в канале. говый ключ, причем первый вход элементаЦель изобретения - уменьшение шумов 55 сложения по модулю 2 соединен с выходомв паузах речи преобразуемых сигналов и первого разряда четырехразрядного реги- повышение отношения сигнал/шум в кана- страсдвига, выходтретьегоразрядакоторолезасчетвведения нарядусинерционным, го соединен с вторым входом элемента мгновенного компандикомпандированияосуществляе- . сложения по модулю 2 выход которого соемого на основе анализа двух символов вы- динен с управляющим входом аналогового15 20 25 30 35 40 45 50 55 ключа, вход которого соединен с дополнительным выходом основного интегратора, дополнительный вход которого соединен с выходом аналогового ключа.Введение новых блоков и связей в состав дельта-модулятора позволяет вводить дополнительно вариант мгновенного компандирования. при котором шаг квантования увеличивается до Й в тех случаях,когда формируемый кодером символ совпа дает с символом, сформированным 2 такта тому назад, В противном случае шаг квантования равен Ь, Такой алгоритм улучшает работу кодера в режиме холостого хода, повышает нагрузочную способность кодера и увеличивает отношение сигнал/шум в канале.Наличие новых блоков и связей показывает, что данное техническое решение обладает новизной, при этом заявителю неизвестны технические решения, в которых использование сходных признаков позволило бы получить тот же эффект и, следовательно, их следует счйтать существенными.На чертеже представлена функциональная схема дельта-модулятора для передачи речевых сигналов,Дельта-модулятор включает схему сравнения 1, формирователь цифровых сигналов 5, амплитудно-импульсный модулятор 12, формирователь сигналов уровня 8, схему сложения по модулю 2 с инверсным выходом 10, интегратор компенсации постоянного напряжения 11, аналоговый ключ 13,схему основного интегратора 14 и цифровой детектор уровня, состоящий из четырехразрядного регистра сдвига 2, трехразрядного регистра сдвига 3, четырехвходового элемента ИЛИ 4, четырехвходового элемента ИЛИ-НЕ 6, четырехвходового элемента И 7 и двухвходового элемента ИЛИ 9, причем вход аналоговых сигналов дельта-модулятора соединен с первым входом схемы сравнения 1, второй вход которой соединен с первым выходом схемы основного интегратора 14 и выходом интегратора компенсации постоянного напряжения 11, первый вход основного интегратора 14 соединен с выходом амплитудно-импульсного модулятора 12, выход схемы сравнения 1 соединен с входом формирователя цифровых сигналов 5, выход которого соединен с выходом цифрового сигнала дельта-модулятора, с входом амплитудно-импульсного модулятора 12, с входом интегратора компенсации постоянного напряжения 11 и с входом О четырехразрядного регистра сдвига 2, тактовый вход которого соединен с тактовым входом трехразрядного регистра сдвига 3, стактовым входом формирователя цифровых сигналов 5 и с тактовым входом устройства, выходы четырехразрядного регистра сдвига 2 соединены с соответствующими входами четырехвходовых элементов 14 7 и ИЛИ-НЕ б, выходы которых соединены с соответствующими входами двухвходового элемента 9, выходы трехразрядного регистра сдвига 3 соединены с соответствующими тремя входами четырехвходового элемента ИЛИ 4, четвертый вход которого соединен с входом О трехразрядного регистра сдвига 3 и с выходом двухвходового элемента ИЛИ Явыход четырехвходового элемента ИЛИ 4 соединен с входом формирователя сигнала уровня 8, выход которого соединен с входом сигнала управления уровнем амплитудно- импульсного модулятора 12, первый вход элемента 10 сложения по модулю 2 соединен с выходом первого разряда регистра сдвига 2, выход третьего разряда которого соединен с вторым входом элемента 10, выход которого соединен с управляющим входом аналогового ключа 13, вход которого соединен с дополнительным выходом схемы основного интегратора 14, дополнительный вход которого соединен с выходом аналогового ключа 13.Мгновенное или инерционное компрессирование вводится в речевой кодек обычно с целью расширения динамического диапазона организуемого канала связи. Практика показала, что для передачи речи инерционное компенсирование оказывается более эффективным, Поэтому в речевых кодеках оно обычно и применяется, Под мгновенным компандированием понимается процесс существенного изменения шага квантования кодека от такта к такту, в то время как при инерционном компрессировании шаги квантования в соседних трактах мало отличаются друг от друга.Использование мгновенного компрессирования совместно с инерционным может преследовать другие цели. Например, стабилизация режима холостого хода (на выходе кодера должна формироваться последовательность символов 010101,) или увеличение максимума отношения сигнал/шум в рабочем режиме на выходе речевого канала. Эффективность использования традиционных способов мгновенного компрессирования постепенное увеличение шага квантования в процессе формирования пакета однотипных символов на выходе кодера) не эффективны из-за сложности реализации и незначительности увеличенияФотношения сигнал/шум.квантования. Однако, следует отметить, что в низкоскоростныхСледует отметить, что предлагаемыйметод мгновенного компандирования хорошо сочетается в речевых кодеках с применяемыми традиционными методами слогового компандирования и достигается малыми техническими затратами, В пред- - 40 ставленном на фиг,1 дельта-модулятореанализ цифрового информационного сигнала на совпадение формируемого кодером символа с символом, сформированным 2 такта тому назад, осуществляется по первому и третьему выходу четырехразрядного регистра сдвига 2 схемой 10 сложения по модулю 2 с инверсным выходом, При совпадении этих символов на выходе элемента 10 сигнал логической "1", поступающий на вход управления Ч аналогового ключа 13.Ключ 13 замкнут и резистор йза в схеме 14 и основного интегратора зашунтирован, Следовательно уменьшена постоянная времени г 2 схемы 14 основного интегратора (т 2 = = (Я 1+ Йза+ Язб) С 2. Уменьшение 72 приводит к увеличению абсолютного значения отклика на импульс схемы 14, а следовательно к увеличению шага квантования кодера.Таким образом в схеме фиг.1 реализуется Ряс Л 1 кодеках, отношение сигнал/шум падает до 16 дБ и менее. поэтому увеличение его даже на 1 дБ крайне желательно.В предлагаемом дельта-модуляторе (идельта-демодуляторе при обратном преобразовании) мгновенное компандирование осуществляется таким образом, что шаг квантования увеличивается до Л в тех случаях, когда формируемый кодером символ совпадает с символом, сформированным 2 такта тому назад, В противном случае шаг квантования равен Ь 1 . Таком алгоритм улучшает работу кодера в режиме холостого хода, что в свою очередь приводит к уменьшению шумов в паузах речи преобразуемых сигналов и повышает отношение сигнал/шум в канале.Работа кодера в режиме холостого хода улучшается благодаря тому, что при формировании последовательности 010101 увеличивается шаг квантования кодера до Ь 2 . Тем самым повышается устойчивость режима к воздействию на вход кодера шумов и помех аналогового канала. В то время как, в сигнале, полученном при декодировании последовательности 010101; не содержится составляющих; попадающих в полосу частот аналогового канала,Увеличение нагрузочной способности кодера и соответственно увеличение отношения сигнал/шум в канале объясняется увеличением шага квантования при формировании последовательности 11111 или .00000Степень возможного увеличения отно шения сигнал/шум найдем сравнением максимальных отношений сигнал/шум в канале с кодером без мгновенного компресси рования и в канале с кодером, в котором предусмотрено мгновенное компрессиро вание. В первом случае шаг квантования равен А, мощность шума пропорциональ на квадрату шага:Рис= 4 Агде А 1 - коэффициент пропорциональност для мощности шума.Мощность сигнала на вход кодера, соот ветствующая границе его перегрузки, такж пропорциональна Д; 2;Рзс =Л 2Агде 12 - коэффициент пропорциональност для мощности сигнала.Следовательно на выходе канала отно шение сигнал/шум:.не превосходит значе ния; В кодере с мгновенным компрессированием шаги квантования будемполагать равнымиЙ =Ь (1+я) и Л 1 =А(1 - е), 5 В зоне максимума отношения сигнал/шум символы цифрового сигнала взаимно некоррелированы, поэтому в 50% случаев шаг квантования окажется равным Ь 1, и в 500 - Ь 2 . Соответственно этому 10 мощность шума на выходе канала будет равна:Рыч= 0,5 Л 1А (1+я) +0,5 Л 1 х х2 (1 2)Мощность сигнала в этой зоне будетравна:. Рзч = 42 Ь, 2 (1 + е)2,Отношение сигнал/шум в кодере смгновенным компандированием равно:Рзч Л 1 (1 +енчРич Ж 1- 2Сравнивая значения Яс и В найдем выигрыш в увеличении максимума отношениясигнал/шум, достигнутым за счет использования кодера с предлагаемым способоммгновенного компандирования:Рч 1+ечч -- =Дс 1+ИМаксимум Ю достигается при е = 1, Приэтом Ю = 2, или ожидаемое увеличение сиг. нал/шум - 3 дБ,предлагаемый способ мгновенного компрессирования.Рассмотрим в целом работу схемы предлагаемого устройства в соответствии с его функциональной схемой фиг.1.Входной аналоговый сигнал х(т) поступает на один из входов схемы сравнения 1, где сравнивается с восстановленным сигналом у(с), поступающим с цепи обратной связи (выход местного дельта-демодулятора) на второй вход. Если х(т)у(т), на выходе схемы 1 сигнал логической "1", а если у(т)х(т) - сигнал логического "0", Сигнал с выхода схемы сравнения 1 поступает на вход формирователя цифрового сигнала 5, который в соответствии с тактовой частотой Ет.формирует выходной цифровой информационный сигнал, Схема сравнения 1 реализуется аналоговым компаратором, а формирователь цифровых сигналов 5 - синхронным О-триггером.С выхода ФЦС 5 цифровой сигнал поступает на выход дельта-модулятора, на вход интегратора 11 и в цепь обратной связи дельта-модулятора (местный дельта-модулятор, включающий цифровой детектор уровня, АИМ 12, ФСУр 8, элемент 10, ключ 13 и схему основного интегратора 14), Интегратор 11, постоянная времени которого равна т 110,2-0,5 с., служит для устранения (компенсации) постоянного смещения на входе схемы сравнения 1, наличие которого приводит к преобладанию посылок одного знака в цифровом информационном сигнале.На основе анализа структуры цифрово. го выходного сигнала в дельта-модуляторе осуществляется компрессия входного аналогового сигнала. Осуществляется компрессия введением экспондирования в местном дельта-демодуляторе при восстановлении копии входного сигнала. С увеличением крутизны входного аналогового сигнала х(т) на выходе ФЦС 5 появляются пачки из четырех и более однородных символов. ЦДУ выделяет пачки из четырех и более однородных символов и они поступают на вход ФСУр 8, где формируется сигнал, определяющий уровень амплитудной модуляции. Схема АИМ 12 на основе сигнала уровня и под управлением выходного цифрового сигнала формирует амплитудно-модулированный импульсный сигнал, из которого в схеме 14 основного интегратора формируется сигнал копии у(т). Рост крутизны входного сигнала ведет к увеличению плотности пачек в цифровом информационном сигнале, что приводит к увеличению сигнала уровня на выходе ФРУр 8 и соответственно к увеличению ша 25 через два тактовых интервала после начала 30 35 40 45 50 5 10 15 20 га квантования дельта-модулятора, Такое слоговое компандирование, с инерционным изменением шага квантования на основе анализа выходного цифрового сигнала, позволяет расширить динамический диапазон дельта-модулятора, по сравнению с дельта- модулятором без компандирования. Дополнительное мгновенное компандирование, которое осуществляется в схеме на основе анализа выходной цифровой последовательности на однородность посылок следующих друг за другом через такт, при наличии пачек однородных посылок работает также, При этом на первом и третьем выходах регистра сдвига 2 однородные посылки (логические "0" или "1"), поэтому на выходе элемента 10 сигнал логической "1" и ключ 13 замкнут. Следовательно уменьшается постоянная времени т 2 основного интегратора и увеличивается шаг квантования дельта-кодера. В отличие от инерционного компандирования, дополнительное мгновенное компандирование вносит изменение в шаг квантования непосредственно изменения крутизны входного аналогового сигнала, в то время как инерционность слогового компандирования определяется в основном величиной постоянной времени ФСУр 8, ФСУр 8 выполняется, как правило,в виде схемы двойного ВС-интегратора, Если инерционное компандирование в схеме следит за уровнем входного аналогового сигнала и соответственно меняет шаг квантования дельта-модулятора, то мгновенное компандирование позволяет вносить изменения в величину шага квантования по мгновенным значениям входного аналогового сигнала, Тем самым улучшается (стабилизируется) работа дельта-кодера в зоне перегрузки, что как известно улучшает отношение сигнал/шум в канале восстановленного сигнала. Кроме того, в режиме холостого хода, когда формируется цифровая последовательность 0101 на выходе дельта-кодера (инерционное компрессирование при этом не работает), предлагаемое мгновенное компандирование увеличивает шаг квантования кодера до й (на 1 и 3 выходах регистра 2 однородные символы,на выходе элемента 10 сигнал логической "1" и ключ 13 замкнут). Это приводит к увеличению устойчивости режима к помехам и шумам в аналоговом канале на входе кодера.Дельта-демодулятор для цифро-аналогового преобразования на принимающей стороне аналогичен дельта-демодулятору в цепи обратной связи дельта-модулятора,Техред М,Моргентал Корректор Е,Папп Редактор Н.Коляда Заказ 4370 Тираж ПодписноеВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР113035, Москва, Ж, Раушская на 64/5 Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул. Гагарина, 101(местному дельта-демодулятору) и включает АИМ, ФСУр, ЦДУ, схему сложения по модулю 2 с инверсным выходом, аналоговый ключ и схему основного интегратора. На выходе дельта-демодулятора на принймаю щей стороне для улучшения отношения сигналшум включают фильтр нижних частот. "Схема дельта-модулятора легкореали- . зуется на основе цифровых и аналогорых микросхем отечествен н ых серйй. В э кспе риментальном образце цифровая часть схе- " мы реализована на микросхемах 551 (564) серии, а из аналоговых использовались операционный усилитель К 140 УД 20 и компаратор 554 САЗ , 15, Предлагаемое изобретение может быть использовано в качестве аналого-цифровых преобразователей методом дельта-модуляции для цифровых систем передачи информации. . . ., , . 20Формула изобретения.Дельта-модулятор для передачи речевых сигналов, содержащий формирователь цифровых сигналов, амплитудно-импульсный модулятор, формирователь сигналов 25 уровня, интегратор компенсации постоянного напряжения, основной интегратор и цифровой детектор уровня, выполненйый на четырехразрядном регистре сдвига, трехразрядном регистре сдвига, четырех входовом элементе ИЛИ, четырехвходовом элементе ИЛИ-НЕ, четырехвходовом элементе И, двухвходовом элементе ИЛИ, и схему сравнения, первый вход которой является входной шиной, второй вход которой 35 соединен с первым вЫходом Основного интегратора и выходом интегратора компенсации постоянного напряжения, первый вход основного интегратора соединен с выходом амплитудно-импульсного модулятора, вь 1- 40 ход схемы сравнения соединен с информационным входом формирователя цифровых сигналов, выход которого является выходной шиной и соединен с информационным входом амплитудно-импул ьснрго модулятора, с входом интегратора компенсации постоянного напряжейия и с информационным входом четырехразрядного регистра сдвига, тактовый вход которого объединен с тактовым входом трехразрядного регистра сдвига, с таКтовым входом формирователя цифровых сигналови является тактовой шиной выходы" четырехразрядного регистра сдвигасоедййейьгссоответствующими вхо- дами четырехвходовых элементов И и ИЛИНЕ, выходы -которйх соединены с соответствующими йходами двухвходового элемента ИЛИ. выходы трехразрядного регистрасдвиг 4 соединен ы с соответствующими тремя входами четьрехвходового элемента ИЛИ, четвертый вход которого обьединен с информационным входом трех- разрядного регистра и соединен с выходом двухвходового элемента ИЛИ, выход четырехвходового элемента ИЛИ соединен с входом формирователя сйгнала уровня, выход которогосоединен с входом управления уровнем сигнала амплитудно-импульсного модулятбра, от л и ч а ю щ и й с я "тем, что, с целью уменьшения шумов в паузах речи преобразуемых сигналов и повышения отношения сигнал-шум в канале, дополнительно введены двухвходовый элемент сложенйя по модулю два с инверсным выходом и аналоговый ключ, причем первый вход элемента сложения по модулю два с инверснымвыходамсоединен с выходом первого разряда четырехразрядного регистра сдвига, выход третьего разряда которого соединЕн с вторым вхОдомэлемента сложения по мОдулю два, выход которого соединен с управляющим входом аналоговогоключа, информационньй вход которого соединен с вторым выходом основного интегратора, второй вход которого соединен с выходом, аналогового ключа,