|
| |
  |
Теория строительства Книги и журналы 2) отношение сигнал/шум перегрузки по крутизне должно иметь минимальное значение для самого высокого уровня сигнала, подлежащего кодированию. Если в качестве входного использовать синусоидальный сигнал X (t) = X sin 2nft (где X - амплитуда, / - частота), то отношение сигнал/шум квантования линейного дельта-модулятора определяется по формуле 2лХ \2 (1.3) где /с - частота среза выходного фильтра; /д - частота дискретизации; /С==0,32 [7]- размер шага (выбран так, чтобы предотвратить лерегрузку по крутизне). Следует иметь в виду, что выражение (1.3) относится только к гранулярному шуму. Кроме того, для сигналов с пониженными уровнями отношение сигнал/шум меньше, если шаг имеет тот же размер. Выражение, определяющее частоту дискретизации в зависимости от требуемого минимального значения отношения сигнал/шум квантования, имеет вид [7] U = i25Rf%S/Nf, (1.4) где R = (Xm-iJXinY - коэффициент динамического диапазона. Размер шага выбирают из условия = 2яХ™, /д. (1.5) Формулы (1.4) и (1.5) соответствуют расчету дельта-модулятора с большим запасом, так как дельта-модуляторы не допускают перегрузки по крутизне. Основной недостаток линейной ДМ, так же как и линейной КИМ, заключается в том, что сигналы любого уровня кодируются шагом одного и того же размера. Вследствие этого сигналы с высоким уровнем кодируются с избытком, что приводит к повышению скорости передачи. Поэтому желательно изменять размер шага в зависимости от крутизны входного сигнала. Разработанные в настоящее время алгоритмы адаптации в дельта-модуляторе в основном увеличивают размер шага, когда крутизна входного сигнала растет, и уменьшают его при снижении этой крутизны. Адаптивная дельта-модуляция. Все основные алгоритмы адапта-•дии обеспечивают примерно одинаковое качество передачи звуковых сигналов, но некоторые из них обладают определенными свойствами, которые делают их предпочтительнылга. В одних алгоритмах непосредственно изменяется крутизна входного сигнала и передается информация о размере шага в явной форме, в других --информация о размере шага в кодере и в декодере извлекается из передаваемого цифрового потока. Рассмотрим адаптивный дельта-модулятор, структурная схема которого изображена на рис. 1.18. В этом дельта-модуляторе размер шага выбирается в зависимости от передаваемых данных. Последо- вательности только единиц или нулей указывают, что характеристика интегратора имеет предельный наклон и размер шага следует увеличить. Больший размер шага позволяет интегратору отслеживать быстрые сигналы. Соответственно, чередующиеся последовательности единиц и нулей отражают колебания сигнала около среднего значения и указывают на то, что размер шага следует уменьшить. Аналогичный подход можно применить и к ДКИМ, чтобы изменять интервалы квантования в зависимости от предшествующих значений сигнала. Например, для 4-битной системы наибольший и наименьший уровни квантования указывают на то, что сигнал находится вне диапазона преобразования и интервал квантования можно Передакемый тФРоШ сигни Вход Частотп Bbiloffu кшриз-пером Итс- I ттюбыи -~генера- и, :z мера шаге Рис. 1.18. Кодер адаптивного дельта-модулятора Рис. 1.19. Ошибки ЦАП: а - идеальная шкала квантования; б - ошибка на величину ±0,5 интервала квантования; в - большие абсолютные ошибки при малых относительных ошибках; г - ошибка усиления - А -- А -- В -- увеличить. Соответственно, когда результат преобразования находится в центре диапазона преобразования, интервал квантования можно уменьшить. Любая система преобразования аналогового сигнала имеет информационный и и и с предел, определяемый как максимальное число бит, которые передаются за 1 с. Поэтому для того чтобы оптимальным образом построить систему преобразования, необходимо иметь априорные сведения о том классе сигналов, которые в ней будут использоваться. Например, если сигналы представляют собой случайный процесс с равновероятным появлением любой амплитуды и частоты, то предпочтительно применять линейную КИМ систему. Если в сигналах преобладают низкочастотные составляющие и скорость их передачи невелика, предпочтительнее адаптивные системы. Ошибки из-за конструктивных несовершенств систем преобразования. Дополнительные ошибки, которые появляются при практической реализации систем преобразогания, удобно проанализировать на примере наиболее высококачественной системы 16-битной линейной КИЛ1 при частоте выборки 50 кГц. В этой системе одним из наиболее важных устройств является ЦАП, так как его используют и при аналогово-цифровом преобразовании. Инженер-звукотехник о is
h 1121д fo 1д Рис. 1.20. Частотные характеристики входного и выходного фильтров нижних частот обычно применяет интегральную микросхему ЦАП, поэтому его задача состоит в правильном и наиболее полном использовании рабочих характеристик микросхемы. Для определения рабочего диапазона рассмотрим различия между идеальными и реальными харак-терисгнками Ц.АП. На рис. 1.19 показаны различные виды ошибок при квантовании сигнала. Для сравнения на шкале а показана идеальная характеристика квантования с равномерными интервалами. Максимальное значение на шкале обозначено через х, минимальное - через г/. Уровни Л, 5, С на всех шкалах соответствуют одним и тем же двоичным словам. На шкале б приведена реальная характеристика ЦАП для с. чая, когда максимальная ошибка не превышает ±0,5 интервала квантования. При этом интервал между значениями А и В может стать очень малым, а между В и С - почти равным удвоенному интервалу квантования. Такие ошибки наиболее вероятны при квантовании сигнала с плавно пзуеняющейся амплитудой без резких скачков. Шкала в представляет собой характеристики, где ошибки превышают ±0,5 интервала квантования, приближаясь к величине 1,5 интервала для уровня С. Для такой характеристики максимальная ошибка не превышает 1,5 интервала квантования, а ми1шмальная - 0,75 интервала, т. е. относительная ошибка мала при большой абсолютной ошибке. Шкала г также показывает большую величину абсолютной он(ибки, но вызванной изменением коэф-флц..еита усиления ЦАП. В этом случае уровни квантования расположены по-прежнему равномерно. Так как интервал квантования определяет уровень шума, то и любые изменения интервала вызывают модуляционный шум. Обычно точность ЦАП определяют величиной ±0,5 интервала квантования. Проблемой является также иревышение уровнем входного сигнала рабочего диапазона входного АЦП. В цифровой системе передачи это эквивалентно ограничению сигнала после прохождения его через ФНЧ и приводит к появлению новых частот. Единственным средством устранения этого эффекта является ограничение сигнала по амплиту > до ФНЧ. При этом порог по максимуму сигнала должен быть установлен примерно на 3 дБ ниже расчетного. Это объясняется тем, что максимальная амплитуда синусоидального сигнала, полученного после прохождения через ФНЧ прямоугольного сигнала, составляет 127 % амплитуды последнего на частотах, превышаю-пцих !,3 частоты среза ФНЧ. Кроме этого сигнал может превысить допустимый уровень в результате нелинейного фазового сдвига в ФНЧ. Это связано с тем, что характеристика реального входного ФНЧ содержит переходную зону, для определения которой необхо-ДИ1Мо рассматривать входной и выходной ФНЧ совместно (рис. 1.20). Желательно, чтобы переходная зона была как можно уже, что мо-я:е1 быть получено с помощью сложных фильтров. Из характеристик 0 1 2 3 4 [ 5 ] 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 |