Содержание к диссертации
Введение
1. Задачи исследования цифровых преобразователей на основе дельта-модуляции 14
1.1. Принципы построения цифровых преобразователей для индивидуальных кодеков 14
1.2. Критерии качества кодеков при различных методах исследования 17
1.3. Структуры ДИ кодеков 22
1.4. Цифровая обработка сигналов в преобразователях с дельта-модуляцией 31
1.4.1. Цифровая фильтрация в АС-ДМ кодеках 31
1.4.2. Цифровая обработка в преобразователях ИКМ-ДМ 38
1.5. Выводы, основные задачи исследования 41
2. Исследование и разработка цифровых дм, кодеков с инерционными методами адаптации 43
2.1. Постановка задачи оптимизации цифрового ДМИК кодека, методы исследования 43
2.2. Оптимизация исходного вида ДМ для кодера с компандированием 46
2.2.1. Выбор параметров ЦФ интегратора 46
2.2.2. Анализ поведения цифровых ДМ кодеров в режиме молчания 58
2.3. Оптимизация параметров устройства компандирования 71
2.3.1. Требования к устройству компандирования СУК) 71
2.3.2. Выбор параметров слогового фильтра 74
2.3.3. Выбор закона регулировки шага 75
2.3.4. Параметры регулировки 79
2.3.5. Временные характеристики ДМИК кодера 82
2.3.6. Оценка влияния шума конечной разрядности на характеристики ДМИК кодера 86
2.3.7. Выводы. Алгоритмы синтеза цифрового ДМИК кодека . 96
2.4. Исследование возможности дополнительной адаптации в ДМ кодеках . 101
2.4.1. Методы расширения динамического диапазона в ДМИК кодеке 101
2.4.2. Градиентный метод адаптации в ДМ кодеках 104
Выводы 112
3. Анализ структур цифровых преобразователей АС-ДМ . 114
3.1. Постановка задачи , 114
3.1.1. Требования к выходным характеристикам цифрового устройства обработки (ЦУО) 117
3.1.2. Сравнительные характеристики высокочастотных ДМ преобразователей (ВДМ) 125
3.2. Методика расчета показателей качества ., многоступенчатого преобразователя АС-ДМ 137
3.3. Основные разновидности многоступенчатых АС-ДМ кодеров, примеры расчета 142
3.3.1. Анализ структур преобразователей на основе ВДМ . с однократным интегрированием 142
3.3.2. Анализ структур АС-ДМ кодеров на основе ВДМ с двойным интегрированием 148
3.3.3. Результаты моделирования АС-ДМ кодеков 155
Выводы 159
4. Реализация цифровых преобразователей с ДМ 160
4.1. Методика расчета аппаратурных затрат 160
4.2. Расчет аппаратурных затрат 161
Выводы 173
4.3. Характеристика макета индивидуального АС-ДМ кодека 174
Заключение 183
Список литературы 185
- Цифровая обработка в преобразователях ИКМ-ДМ
- Анализ поведения цифровых ДМ кодеров в режиме молчания
- Методика расчета показателей качества ., многоступенчатого преобразователя АС-ДМ
- Характеристика макета индивидуального АС-ДМ кодека
Введение к работе
Актуальность проблемы. Широкое развитие средств связи и быстро увеличивающийся объем информации, передаваемой по каналам связи, требует дальнейшего совершенствования систем передачи и обработки информации. Такая задача определена основными направлениями экономического и социального развития СССР на I981-1985 годы и на период до 1990 года /I.I/. Последние годы все более широкое внедрение получают цифровые системы передачи /2.5, 2.21, 2.12/, которые по сравнению с аналоговыми обладают более высокой помехоустойчивостью, просты в эксплуатации, позволяют передавать по каналам связи информацию от различных источников, использовать цифровую обработку сигналов.
Как правило, источниками информации являются аналоговые сигналы. Основными способами аналого-цифрового преобразования являются импульсно-кодовая модуляция (ИКМ) и дельта-модуляция (ДМ). Несмотря на широкое распространение систем с импульсно-кодовой модуляцией /2.II, 2.12/, в литературе /2.6, 2.8/ признается перспективность внедрение систем с дельта-модуляцией. Это объясняется их высокой помехоустойчивостью, простотой, более низкой скоростью передачи, при которой обеспечивается принятое для ИКМ качество связи, и другими свойствами.
Достижения в области разработки больших интегральных схем (БИС) открывают перспективы построения индивидуальных кодирующих и декодирующих устройств, используемых непосредственно в точке формирования речевого сигнала /3.1, 3.26/, что позволяет повысить
- б -
надежность и экономичность связи, сделать более гибкими и компактными системы коммутации, вводить дополнительные услуги в обслуживание.
В связи с этим актуальной задачей является разработка преобразователей АС-ДМ и ИКМ-ДМ на цифровой основе, в которых количество прецизионных элементов сведено к минимуму. Такие структуры позволяют реализовать кодек на одной БИС с хорошими массо-габаритными характеристиками, высокими экономическими и техническими показателями. Проектирование и реализация цифровых преобразователей АС-ДМ и ИКМ-ДМ связаны с необходимостью создания адекватных математических моделей. Исследование этих моделей на ЭВМ позволяет синтезировать структуры цифровых преобразователей, которые могут быть реализованы на современной элементной базе и удовлетворять основным требованиям к цифровым системам связи.
Цель и задачи исследования. Целью настоящей диссертационной работы является исследование принципов построения и разработка методов анализа и реализации цифровых ДМ преобразователей, предназначенных для передачи речевых сигналов. Для достижения поставленной цели в диссертационной работе решаются следующие задачи:
определение совокупности формальных критериев для оценки качества ДМ кодеков речевого сигнала на этапе проектирования;
разработка методов определения численных значений критериев оценок качества преобразователей;
определение класса цифровых фильтров, целесообразных для использования в цифровых преобразователях с дельта-модуляцией, при реализации их в виде БИС;
разработка алгоритмов расширения динамического диапазона цифровых ДМ кодеков с инерционными методами компандирования;
разработка методов реализации индивидуальных кодеков АС-ДМ на цифровой основе.
Методы исследования. Исследования выполнены с помощью методов машинного моделирования на ЭВМ, численных методов, теории вероятности и математической статистики, методов исследования операций и линейной алгебры.
Научная новизна работы состоит в следующем:
Разработан метод синтеза структур цифровых ДМИК кодеков, позволяющий осуществить оптимальный выбор параметров устройства по заданным критериям.
Предложена методика машинного расчета основных показателей качества цифровых ДМ кодеков с применением методов ДПФ.
Определены аналитические выражения для области значений коэффициентов цифровых фильтров-интеграторов, используемых в ДМ кодерах, минимизирующие шум свободного канала (в режиме молчания).
Установлена статистическая зависимость инструментальной погрешности цифрового ДМИК кодека от параметров используемых цифровых фильтров.
Предложены алгоритмы инерционных методов адаптации шага квантования в ДМ кодеках, позволяющие расширить динамический диапазон передаваемых сигналов и повысить качество их воспроизведения.
Разработан графо-аналитический метод анализа структур цифровых АС-ДМ кодеков, существенно упрощающий объем инженерных расчетов преобразователей.
Практическая ценность. Результаты работы позволяют реализовать индивидуальные цифровые кодеки АС-ДМ и преобразователи ИКМ-ДМ на современных БИС, внедрение которых приведет к повышению эксплуатационно-технических характеристик
системы связи.
Минимальный объем аппаратурных затрат, допускающий реализацию кодека в виде МОП БИС, достигается использованием в цифровых фильтрах "простых" коэффициентов, не требующих выполнения операций умножения в явном виде. Выбор таких коэффициентов осуществляется на основании определенной в работе области значений коэффициентов; оптимизирующих характеристики качества кодека. Получена аналитическая оценка минимально допустимой разрядности узлов кодека, при которой удовлетворяются требования качества.
Предложенная методика оценки показателей качества АС-ДМ кодека с применением графо-аналитического метода резко сокращает объем вычислительных процедур при проектировании устройства.
Проведена количественная оценка объема оборудования для различных структур преобразователей АС-ДМ.
Реализация в народном хозяйст-в е. Разработанный индивидуальный цифровой АС-ДМ кодек использован для реализации цифровой сети связи, создаваемой в ЦНИИС в рамках НИР "Исследование вопросов построения цифровых сетей ЕАСС" (№ гос.регистр. 8I0I8345). Действующий макет кодека является основной ОКР по разработке специализированной МОП БИС.
Кроме того, в ЦНИИС в НИР № 81018345 внедрены методики исследования характеристик и структур цифровых ДМ кодеков, методы проектирования кодеков с инерционным компандированием, алгоритмы и программы моделирования преобразователей с ДМ.
Методика исследования характеристик качества адаптивных цифровых ДМ преобразователей внедрена в учебный процесс на кафедре импульсной и вычислительной техники ЛЭИС в курсе "Радиоавтоматика".
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы обсуждены и одобрены на всесоюзной конференции "Теория адаптивных систем и ее применения" (Ленинград, 1983 г.), республиканской НТК "Методы и микроэлектронные средства цифрового преобразования и обработки сигналов" (Рига, 1983 г.), на У национальной школе-симпозиуме молодых специалистов с международным участием (НРБ, Варна, 1979 г.), на областной конференции НТОРЭС им.А.С.Попова "Математические методы в задачах исследования сложных систем" (Пенза, 1984 г.) и на конференциях профессорско-преподавательского состава ЛЭИС в 1981, 1982, 1983, 1984 гг.
Публикации . По теме диссертации опубликовано б работ, из них I статья, тезисы докладов, 2 депонированные рукописи, а также 4 научно-исследовательских отчета, методическая разработка лабораторной работы. Кроме того, две статьи приняты к печати в журнале "Техника средств связи".
Вклад автора в разработку проблемы. Основные научные положения, теоретические выводы и рекомендации, программы машинных исследований в диссертации получены автором самостоятельно. По теме диссертации лично автором выполнено четыре работы. Две работы, посвященные исследованию алгоритмов адаптации в ДМ и поведения цифровых ДМ кодеков в режиме молчания, выполнены в соавторстве.
Основные положения, выносимые на защиту. В настоящей работе на защиту выносятся методы анализа и синтеза структур цифровых преобразователей АС-ДМ и ИШ-ДМ. При этом установлены теоретически и подтверждены экспериментально следующие положения:
I. Предложенный в работе поэтапный метод синтеза цифровых адаптивных ДМ кодеков обеспечивает построение структур кодеков,
удовлетворяющих требованиям, предъявляемым к системам передачи речевых сигналов по цифровым каналам связи.
Теоретические и машинные исследования структур цифровых ДМ преобразователей и анализ выполнения полного набора требований к характеристикам качества кодеков возможны только на основе математической модели ДМ преобразователя, учитывающей особенности их реализации на цифровых интегральных элементах.
Установленные в результате исследования разработанной математической модели области значений параметров цифровых ДМ кодеков с инерционным компандированием позволяют определить набор коэффициентов цифровых фильтров (ЦФ), при котором исключаются операции умножения и вместе с тем реализуется приемлемое качество преобразования.
Выбранный набор ЦФ-интерполяторов, дециматоров и фильтров нижних частот, необходимый для согласования высокочастотных ДМ кодеров с низкочастотным адаптивным ДМ кодеком, позволяет реализовать индивидуальные АС-ДМ кодеки в виде БИС и обеспечить выполнение принятых критериев для стандартных ИКМ систем при уменьшенной вдвое скорости передачи цифрового сигнала.
Динамический диапазон ДМ кодеков при требуемой скорости передачи цифрового сигнала может быть расширен на основе предложенных в работе алгоритмов адаптации.
Предложенный в работе графо-аналитический метод позволяет упростить решение задачи синтеза структур АС-ДМ кодеков, удовлетворяющих заданным требованиям.
Объем и структура диссертации. Работа содержит введение, четыре-, раздела, заключение, список литературы и приложения. Основной текст диссертации изложен на 138 страницах машинописного текста. В работе 65 рисунков,
-TI-
19 таблиц.
В первом разделе рассматриваются основные принципы построения цифровых преобразователей речевого сигнала, предназначенных для систем связи с дельта-модуляцией. Предлагается набор критериев для оценки качества ДМ преобразователей речевого сигнала на этапе проектирования.Этот набор максимально приближен к нормированным экспериментальным оценкам и ориентирован на определение количественных значений критериев на ЭВМ.
Анализируются методы адаптации и структуры построения низкочастотных ДМ кодеков, определяющих предельное качество ДМ преобразователей. Отмечается, что метод адаптации - инерционное ком-пандирование - обладает наилучшей помехоустойчивостью, прост в цифровом исполнении. При частоте дискретизации 32 кГц дельта-модуляторы с инерционным компандированием удовлетворяют требованиям, предъявляемым к стандартным ИКМ системам, работающим с вдвое большей скоростью передачи цифрового потока.
Формулируются исследуемые в диссертационной работе задачи, направленные на решение вопросов анализа и синтеза цифровых многоступенчатых структур преобразователей с дельта-модуляцией.
Второй раздел посвящен исследованию и разработке цифровых ДМ кодеков с инерционными методами адаптации. Разрабатывается методика исследования и оптимизации параметров цифрового ДМ кодека с инерционным компандированием (ДМИК), использующая известные из литератда/2.19, 3.9, 3.10, 3.40/ исследования структур аналоговых устройств. На основании набора рекомендуемых критериев и проведенных исследований предлагается машинно-ориентированный метод синтеза цифровых ДМИК кодеков, при котором учитываются особенности реализации цифровых устройств.
Рассматривается возможность улучшения качественных показате-
лей ДМИК кодека за счет введения дополнительных алгоритмов адаптации шага квантования.
В качестве обобщения инерционных методов адаптации ДМ кодеков исследуется целесообразность использования адаптивного цифрового фильтра, минимизирующего среднеквадратическую ошибку квантования градиентным методом. Предлагается модификационный градиентный алгоритм адаптации шага квантования, отличающийся простой схемной реализацией и позволяющий расширить динамический диапазон передаваемых сигналов.
Третий раздел посвящен анализу многоступенчатых структур индивидуальных преобразователей АС-ДМ. Исследуются вопросы влияния щумов отдельных узлов преобразователя на результирующие показатели качества устройства. При проектировании преобразователей рекомендуется использовать линейные модели высокочастотных ДМ кодеров. Влияние нелинейности характеристик дельта-модуляторов уточняется в ходе моделирования.
Определяется набор цифровых фильтров, обеспечивающих сопряжение высокочастотных ДМ кодеков с низкочастотным адаптивным кодеком, в которых отсутствуют операции умножения в явном виде -то есть реализуемые с минимумом аппаратурных затрат.
В результате проведенных исследований предлагается инженерный метод синтеза структур цифровых ДМ кодеков из ограниченного набора элементов. Особенность метода заключается в использовании графо-аналитического анализа показателей качества устройства, при котором наглядно связаны параметры отдельных узлов с результирующими характеристиками,что упрощает выбор элементов структуры и сокращает объем вычислений. Рассматриваются примеры синтеза преобразователя AC-ДІЛ, определяются структуры,наиболее перспективные для реализации в виде БИС. Приводятся результаты моделирова-
- ІЗ -
ния, подтверждающие целесообразность предложенного метода.
В четвертом разделе рассматриваются вопросы реализации предложенных структур преобразований. Производится оценка и сравнительный анализ аппаратурных затрат для двух структур АС-ДМ кодека. Описывается макет кодека, приводятся результаты его испытаний, которые сопоставляются с характеристиками зарубежных разработок.
В приложениях приведены программы моделирования структуры АС-ДМ кодека.
Работа по теме диссертации проводилась в течение 1980-1984 гг. в Ленинградском электротехническом институте связи им.проф. М.А.Бонч-Бруевича на кафедре импульсной и вычислительной техники.
Цифровая обработка в преобразователях ИКМ-ДМ
В диссертационной работе, как при теоретичсеких исследованиях, так и при моделировании на ЭВМ, для оценки качества разрабатываемого устройства приняты характеристики, нормированные Международным консультативным комитетом по телефонии и телеграфии МККТТ /6.1/ для ИКМ систем. Требования МККТТ, а также связь критерия сигнал/шум с субъективным восприятием речи /2.4, 2.6, 2.16/ позволяет сформулировать условия, которым должны удовлеворять ДМ кодеки речевых сигналов. К ним относятся: - для удовлетворительного качества восприятия речи в случае входных гармонических сигналов порядка 800 Гц отношение сигнал/шум должно быть не менее 25 дБ в диапазоне входного сигнала 40 дБ; - допустимое уменьшение величины отношения сигнал/шум и динамического диапазона при увеличении частоты сигнала не должно превышать 6 8 дБ/октава; - при отсутствии входного сигнала (режим молчания) шум свободного канала должен составлять не более -70 дБ относительно уровня максимального сигнала частоты 800 Гц. Выполнение перечисленных требований должно обеспечиваться структурами преобразователей, реализация которых возможна в виде БИС. Оно гарантирует удовлетворительное качество воспроизведения, проверяемое на образце с помощью экспертных оценок. Повышение эффективности систем с дельта-модуляцией - уменьшение канальной скорости, при которой обеспечиваются хорошие субъективные показатели, - достигается использованием в ДМ кодерах интеграторов с более сложными характеристиками и различных методов адаптации параметров кодеков.
ДМ с двойным интегрированием /2.19/ приводит к повышению отношения сигнал/шум за счет., увеличения порядка астатизма дельта-модулятора. Однако такая система склонна к колебаниям в режиме молчания, приводящим к увеличению шума в полосе полезного сигнала. Этот недостаток устраняется в ДМ с двойным интегрированием и предсказанием /2.8, 2.19/, в котором в качестве интегратора используется пропорционально интегрирующий фильтр. На рис.1.4 приведены логарифмические амплитудно-частотные характеристики (АЧХ) интеграторов при однозвенном и двузвенном интегрировании в дельта-кодеках .
Одно из направлений развития ДМ связано с согласованием параметров четырехполюсника цепи обратной связи со статистическими характеристиками передаваемых сигналов. В /2.6/ описана структурная схема дельта-модулятора с резонансным фильтром, настроенным на максимальную составляющую спектра речевого сигнала. По сравнению с классической ДМ схема имеет примерно вдвое меньшую тактовую частоту, при одинаковых субъективных оценках. Недостатком ее является повышенное требование к частотным характеристикам микрофонов.
Дальнейшее усложнение данной разновидности ДМ приводит к автоматическому слежению за спектром передаваемых сигналов /3.45/, что значительно усложняет схему дельта-кодеков и снижает помехо-устойчивость системы.
Повышение помехоустойчивости телефонного канала достигается включением на входе канала линейного предыскажающего четырехполюсника, а на выходе - соответственно корректирующего /3.6, 3.47, 3.43/.
Частным случаем предыскажения в телефонных каналах с ДМ является дельта-сигма-модуляция (ДСМ) /2.18, 3.11, 3.22, 3.31/. При ДСМ на входе дельта-кодера включается интегрирующий четырехполюсник, аналогичный интегратору цепи обратной связи, а на выходе декодера - четырехполюсник с обратной характеристикой (рис.1.5а). Два интегратора в кодере могут быть заменены одним, включенным на выходе сравнивающего устройства. Коэффициент передачи включенных последовательно интегрирующего и дифференцирующего четырехполюсников в декодере равен I. Поэтому декодер содержит только фильтр нижних частот. Схема ДСМ кодека (рис.1.56) эквивалентна схеме рис.1.5а. Кодеры при ДСМ и ДМ содержат одинаковое количество узлов. Декодер при ДСМ несколько проще - отсутствует интегратор.
При передаче телефонных сигналов ДСМ так же, как и ДМ с оптимальным предыскажением, не дает выигрыша по отношению сигнал/шум.
Сопоставление перечисленных видов ДМ с ИКМ системами, приведенное в /2.19/, показывает, что хотя кодирующие устройства с ЛДМ значительно проще, чем при импульсно-кодовой модуляции, однако для обеспечения требуемого качества передачи канальная скорость при ДМ должна быть много выше, чем при ИКМ.
Анализ поведения цифровых ДМ кодеров в режиме молчания
Таким-образом, цифровыми устройствами, используемыми в кодере, решаются задачи фильтрации, децимации, интерполяции, линейного и нелинейного ДМ преобразования.
Для определения требований к отдельным зулам преобразователя необходимо установить источники шумов в схеме кодека. Погрешности аналого-цифровых и цифро-аналоговых преобразователей принято разделять на методическую, обусловленную способом преобразования, и инструментальную (вычислительную), определяемую точностью выполнения арифметических операций цифровыми устройствами /2.20/.
Инструментальная погрешность определяется схемной реализацией цифрового преобразователя и может быть сделана сколь угодно малой за счет дополнительных аппаратурных затрат.
Основными источниками методической погрешности являются ДМ преобразователи. Кроме того, при понижении частоты дискретизации происходит наложение спектров, что увеличивает мощность шума /3.12/. Наибольший шум создается низкочастотным ДМ кодеком с ком-пандированием. Вследствие его принципиальной нелинейности и наличия в кодере обратной связи взаимодействие собственных и входных шумов в КДМ кодере также приводит к снижению результирующего качества устройства.
Таким образом, возможные наилучшие показатели АС-ДМ определяются КДМ кодером при идеальном (незашумленном) входном воздействии. Ріменно они должны являться исходными данными для выбора параметров остальных узлов преобразователя. Требования к этим узлам в дальнейшем мы будем определять так, чтобы не ухудшить существенно характеристики, получаемые от КДМ.
Необходимый запас отношения Л/Л/ во всем диапазоне передаваемых сигналов, в первую очередь, должен обеспечиваться выбором частоты fou и структуры высокочастотного ДМ кодера. Вид ДМ во многом определяет дальнейшую структуру цифровых преобразований. Так, при использовании ЛДМ кодера для восстановления формы сигнала требуется цифровой фильтр-интегратор, частотная характеристика которого в полосе полезного сигнала должна совпадать с АЧХ аналогового интегратора, используемого в кодере. Построение интегратора на высокой частоте дискретизации в виде рекурсивного цифрового фильтра (РЦФ) достаточно трудная для реализации задача. В качестве простейшего интегратора может быть использован реверсивный счетчик PC. Его частотная характеристика совпадает по форме с АЧХ аналогового интегратора в полосе частот телефонного канала. Однако в PC происходит накопление ошибок, вызванных неидеальностью аналоговой схемы (асимметрией шага± Д , током утечки интеграторов, смещением нуля операционных усилителей и т.д.), что может вызвать переполнение разрядной сетки счетчика. Это явление приводит к необходимости введения специальных схем "утечки" и корректирующих обратных связей по постоянному току.
Такого недостатка лишены структуры преобразователей, использующие в качестве ВДМ дельта-сигма-модулятор. В этом случае интегратор не требуется и для восстановления формы сигнала достаточно иметь только фильтр низких частот. Однако при одинаковых частотах дискретизации ДСМ кодеры обеспечивают меньшее отношение сигнал/шум, чем ЛДМ кодеры (см.рис.1.5). Вопрос выбора ВДМ кодера требует комплексного подхода и однозначного решения не имеет.
Понижение частоты дискретизации, называемое в литературе /2.16, 2.20, 3.12/ прореживанием или децимацией, связано с эффектом наложения спектров и требует предварительной фильтрации вне-полосного шума на частоте -(L . Если децимация осуществляется с помощью идеального фильтра низких частот с частотой среза не более fna/2 » т0 наложение спектров не происходит и отношение сигнал/шум на его выходе не изменяется. Построение такого фильтра связано с большими аппаратурными затратми и технологическими трудностями /3.4/. Например, в /3.66/ используется нерекурсивный цифровой фильтр (НЦФ) 356 порядка, реализованный на ПЗУ. В схемах, ориентированных на выполнение в БИС, децимация осуществляется НЦФ с "простыми" коэффициентами /3.3/. Одним из способов упрощения построения фильтра является многоступенчатая децимация, при» ципы которой изложены в /3.12, 2,16/ и реализованы в построении кодеков ИКМ /3.30, 3.42, 3.44, 3.48, 3.56/.
При построении АС-ДМ кодеков верхняя граница спектра fB в несколько раз меньше частоты fa; /2 поэтому возможно использование одноступенчатой схемы с простым НЦФ-дециматором, подавляющим шум в полосах rufaa— fe, ( IX - целое), и последующей низкочастотной фильтрацией на частоте г .
В структуре с ЛДМ кодером, где на выходе цифрового интегратора имеется многоразрядный код, может быть использован однородный фильтр /3.4, 3.44/, описываемый передаточной функцией
Для реализации фильтра, как видно из выражения (1.4), требуется только сумматор накапливающего типа и буферный регистр, с помощью которого понижается частота дискретизации.
Методика расчета показателей качества ., многоступенчатого преобразователя АС-ДМ
При проектировании многоступенчатого преобразователя АС-ДМ (рис.3.I) возникает задача выбора структуры высокочастотного ДМ кодера (ВДМ) и цифрового устройства обработки (ЦУО) таким образом, чтобы при известных характеристиках ДМ кодера с компандированием (ВДМ) результирующие показатели качества всего преобразователя удовлетворяли заданным требованиям.
В качестве требований к АС-ДМ кодекам за основу берутся требования МККТТ для ИКМ кодеков. Основным показателем качества преобразователя считается зависимость отношения сигнал/шум от амплитуды входного синусоидального сигнала fe = 800 Гц. Амплитудная и частотная характеристики устройства в данной главе не анализируются, так как предполагается, что используемые ЦФ не вносят искажений в эти характеристики в полосе сигнала 0,3-гЗ,4 кГц. Результаты измерений данных характеристик для макета АС-ДМ кодека приводятся в главе 4.
Таким образом, задача проектирования АС-ДМ преобразователя состоит в формировании структуры кодера на основе известного набора типовых эдементов, обосновании его параметров и оценке результирующих характеристик.
Сложность аналитической оценки характеристик преобразователя обусловливается наличием двух нелинейных элементов в его структуре: ВДМ кодера и низкочастотного ДМ кодера с компандированием. Для решения задачи выделяется область входных параметров при которых ДМ кодеры можно описать с помощью линейных моделей, а нелинейные свойства учитываются введением поправочных коэффициентов, рассчитанных на худший случай. Тогда основной показатель качества кодера - отношение сигнал/шум на его выходе определяется соотношением где Рш - мощность собственного шума ВДМ кодера, Рц\о - мощность шума на выходе ЦУО, Y - поправочный коэффициент, учитывающий трансформацию входного шума в ВДМ кодере. Аналогично п.2.3.6, представим выражение (3.1) в виде - отношение сигнал/шум в ВДМ кодере при идеальном входном воздействии, Я - коэффициент потерь, характеризующий уменьшение отношения S/N за счет шумов, обусловленных методической погрешностью ВДМ кодера и устройства обработки: Для определения мощности шума на выходе ЦУО С Рцуо ) необходимо иметь аналитическое выражение для спектральной плотности шума на выходе ВДМ кодера Gm(23r-f I у) . Если такое выражение получено, то при известных характеристиках фильтра-дециматора ( $\ ) и ФНЧ ( Ф2. ) на частоте дискретизации т«а , Рцчо опреде ляется как - порядок понижения частоты дискретизации, Н я(тЧ) и НфгСтЦ4) " квадраты модуля передаточных функций соответствующих фильтров. При известном значени $ полученная на основании (3.4) оценка T\vo позволяет определить с помощью (3.3) реальный коэффициент потерь и отношение сигнал/шум на выходе КДМ кодера. Таким образом, для решения поставленной задачи необходимо: 1) на основе зависимости 5/Л/к.(A,) для ЩА кодера при идеальном входном сигнале установить допустимый коэффициент потерь R. , при котором результирующая характеристика «?/VK(A) удовлетворяет предъявляемым требованиям; 2) установить связь между мощностью шума на выходе ЦУО С Рц,уо ) и мощностью шума, трансформируемого в ВДМ кодер, то есть определить коэффициент ; 3) определить аналитическое выражение для энергетического спектра на выходе ВДМ кодера. Исследование перечисленных вопросов составляет содержание первого раздела главы. Во втором разделе разрабатывается методика расчета показателей качества преобразователя АС-ДМ. В третьем разделе рассматриваются примеры расчета для различных структур преобразований, приводятся результаты моделирования, подтверждающие справедливость сделанных допущений.
Характеристика макета индивидуального АС-ДМ кодека
Проверка разработанной методики проектирования преобразователей АС-ДМ производилась моделированием структуры кодеров на ЭВМ. Программы моделирования приведены в приложениях 3, 4.
В качестве примеров рассмотрены структуры преобразователей на основе ЛДМ кодера с двойным интегрированием (рис.3.9) и ДСМ кодера, (рис.3.7). Для структуры с ЛДМ кодером исследовалась возможность использования [он = 512 кГц. На рис.3.16 приведены полученные зависимости отношения сигнал/шум в полосе ду на выходе отдельных узлов преобразователя при подаче на его вход гармонического сигнала частоты 800 Гц. Кривая I соответствует характеристике S/A/u (А) для сигнала, восстановленного в цепи обратной связи ЛДМ кодера. Максимальное л значение S/A/УЛ составляет 82 дБ. Кривая 2 получена на выходе дециматора, состоящего из реверсивного счетчика и однородного фильтра. Как видно, отношение сигнал/шум при этом уменьшается на 94-10 дБ. Кривая 3 соответствует выходному сигналу ДМИК кодера при подаче на его вход идеального сигнала. ДЦ в идеальном кодере по уровню S/JY 25 дБ составляет 46 дБ. Для проверки влияния внеполосных шумов на входе КДМ кодера на общую характеристику устройства исследовалась структура, в которой ФНЧ отсутствует. Кривая 4 иллюстрирует полученную зависимость. Динамический диапазон здесь падает до 18 дБ. При использовании в качестве ШЧ РЦФ четвертого порядка и однородного фильтра порядка М = 3 ДЦ увеличивается до 39 дБ (кривая 5), что соответствует предварительному расчету. Таким образом, полученное качество преобразователя близко к требованиям МККТТ для ИКМ кодеков. Для преобразователя с ДСМ кодером исследовалась структура на основе ВДМ с двойным интегрированием и Тем = 2048 кГц. Соответствующие характеристики приведены на рис.3.17. Кривая I получена на выходе ДСМ кодера. Как видно из рис. л 3.17, значение S/N& выше экспериментального, приведенного в табл.3.4. При малых уровнях входного сигнала характеристика «#//Va(A) проходит ниже асимптотической прямой, показанной пунктиром. Данное явление - увеличение шума в полосе Ду при малых значениях амплитуды - описано в /З.Зб, 3.40/. В работе /3.42/ на основе экспериментальных исследований предлагается метод увеличения SJM в этой зоне. Суть его состоит в том, что спектр шума перераспределяется за счет модуляции входного сигнала дополнительным регулярным сигналом типа меандр. При моделировании исследовалось воздействие такого дополнительного сигнала с частотой 32 кГц. Осуществлен выбор оптимальной амплитуды меандра, равной 2Г Amax. Это дает увеличение в зоне малых сигналов примерно на 10 дБ. Результирующая характеристика на выходе дециматора представлена кривой 2. Кривая 3 соответствует идеальному ДМИК кодеру. Кривая 4 получена на выходе преобразователя, в структуре которого использован ШЧ четвертого порядка. ДЦ при этом составляет 44 дБ. Отметим, что при экспериментальных исследованиях этого варианта структуры получено меньшее значение S/M& на выходе ДСМ кодера. Пересчет параметров преобразователя показал необходимость применения дополнительного низкочастотного фильтра, в качестве которого использован однородный фильтр порядка М = 3. Выводы 1. Совпадение результатов моделирования и аналитического расчета подтверждает справедливость разработанной методики поэтапного синтеза преобразователей АС-ДМ. 2. Достоинством методики является возможность коррекции требований к цифровым фильтрам кодека на различных этапах синтеза. Простота коррекции обеспечивается использованием параметров потерь С s, R ,Rz) выраженных в относительных единицах. 3. Дополнительным преимуществом предложенной методики является возможность использовать графо-аналитический метод оценки показателей преобразователя, при котором не требуются машинные расчеты. 4. Принципы, положенные в основу разработки АС-ДМ кодеров, могут, быть эффективно использованы при проектировании обратного преобразователя (ДМ-АС), а также преобразователей АС-ИКМ многоступенчатой структуры. 5. Полученные при моделировании характеристики многоступенчатых преобразователей АС-ДМ отвечают основным требованиям, предъявляемым к ИКМ кодекам. При этом скорость передачи цифрового сигнала в ДМ кодеках вдвое ниже (32 кБит/с) стандарта ИКМ.
Для оценки реализуемости устройства в виде ВИС необходимо определить аппаратурные затраты, которые должны быть выражены количеством базовых элементов (логических вентилей). Так как проанализированные структуры цифровых преобразователей А&-ДМ состоят из типовых блоков, целесообразно выполнить расчет аппаратурных затрат поблочно. Это позволит установить влияние каждого блока на общую сложность устройства и определить оптимальную (по критерию минимума аппаратурных затрат) структурную организацию преобразователя.
