Działanie i zastosowanie modulacji impulsowej

Różnicowa modulacja impulsów jest techniką analogową do konwersji sygnału cyfrowego . Ta technika próbkuje sygnał analogowy, a następnie kwantyzuje różnicę między próbkowaną wartością a jej przewidywaną wartością, a następnie koduje sygnał w celu utworzenia wartości cyfrowej. Zanim przejdziemy do różnicowej modulacji kodu impulsowego, musimy poznać wady PCM (modulacja impulsowo-kodowa) . Próbki sygnału są ze sobą silnie skorelowane. Wartość sygnału z obecnej próbki do następnej próbki nie różni się zbytnio. Sąsiednie próbki sygnału niosą te same informacje z niewielką różnicą. Gdy te próbki są kodowane przez standardowy system PCM, wynikowy zakodowany sygnał zawiera pewne nadmiarowe bity informacyjne. Poniższy rysunek ilustruje to.

Nadmiarowe bity informacyjne w PCM

Powyższy rysunek przedstawia ciągły sygnał czasu x (t) oznaczony linią przerywaną. Sygnał jest próbkowany przez próbkowanie z płaską górą w odstępach Ts, 2Ts, 3Ts… nTs. Częstotliwość próbkowania jest wyższa niż częstotliwość Nyquista. Te próbki są kodowane przy użyciu 3-bitowego (7 poziomów) PCM. Próbki są kwantowane do najbliższego poziomu cyfrowego, jak pokazano małymi kółkami na powyższym rysunku. Zakodowana wartość binarna każdej próbki jest zapisywana na górze próbek. Po prostu obserwuj powyższy rysunek na próbkach pobranych w 4T, 5T i 6T są zakodowane z tą samą wartością (110). Ta informacja może być przenoszona tylko przez jedną wartość próbki. Ale trzy próbki niosą te same informacje, co oznacza, że ​​są zbędne.

Rozważmy teraz próbki w 9T i 10T, różnica między tymi próbkami tylko z powodu ostatniego bitu i pierwszych dwóch bitów jest nadmiarowa, ponieważ się nie zmieniają. Aby proces ten był zbędny i miał lepszy wynik. Jest to inteligentna decyzja, aby wziąć przewidywaną próbkowaną wartość, przyjętą z jej poprzedniego wyniku i podsumować ją z wartościami skwantowanymi. Taki proces nazywany jest techniką różnicowego PCM (DPCM).

Zasada modulacji różnicowego kodu impulsowego

Jeśli redundancja zostanie zmniejszona, wówczas ogólna przepływność zmniejszy się, a liczba bitów wymaganych do przesłania jednej próbki również się zmniejszy. Ten rodzaj techniki cyfrowej modulacji impulsów nazywany jest modulacją różnicowego kodu impulsów. DPCM działa na zasadzie przewidywania. Wartość obecnej próbki jest prognozowana na podstawie poprzednich próbek. Prognoza może nie być dokładna, ale jest bardzo zbliżona do rzeczywistej wartości próbki.

Modulacja różnicowego kodu impulsu Nadajnik

Poniższy rysunek przedstawia nadajnik DPCM. Nadajnik składa się z komparator , kwantyzator, filtr przewidywania i koder.

Modulator różnicowego kodu impulsu

Próbkowany sygnał jest oznaczony przez x (nTs), a przewidywany sygnał jest oznaczony przez x ^ (nTs). Komparator znajduje różnicę między rzeczywistą wartością próbki x (nTs) a przewidywaną wartością x ^ (nTs). Nazywa się to błędem sygnału i jest oznaczane jako e (nTs)

e (nTs) = x (nTs) - x ^ (nTs) ……. (1)

Tutaj przewidywana wartość x ^ (nTs) jest generowana przez użycie filtr predykcyjny (filtr przetwarzania sygnału) . Sygnał wyjściowy kwantyzatora eq (nTs) i poprzednia predykcja są dodawane i podawane jako dane wejściowe do filtra predykcji, ten sygnał jest oznaczany przez xq (nTs). To sprawia, że ​​przewidywanie jest bliższe faktycznie próbkowanemu sygnałowi. Kwantowany sygnał błędu eq (nTs) jest bardzo mały i można go zakodować przy użyciu małej liczby bitów. W ten sposób liczba bitów na próbkę jest zmniejszona w DPCM.

Wyjście kwantyzatora byłoby zapisane jako,

eq (nTs) = e (nTs) + q (nTs) …… (2)

Tutaj q (nTs) to błąd kwantyzacji. Z powyższego schematu blokowego wejście filtra predykcji xq (nTs) jest otrzymywane z sumy x ^ (nTs) i wyjściowego równania kwantyzatora (nTs).

tj. xq (nTs) = x ^ (nTs) + eq (nTs). ………. (3)

podstawiając wartość eq (nTs) z równania (2) w równaniu (3) otrzymujemy,
xq (nTs) = x ^ (nTs) + e (nTs) + q (nTs) ……. (4)

Równanie (1) można zapisać jako:

e (nTs) + x ^ (nTs) = x (nTs) ……. (5)

z powyższych równań 4 i 5 otrzymujemy,

xq (nTs) = x (nTs) + x (nTs)

Dlatego skwantowana wersja sygnału xq (nTs) jest sumą pierwotnej wartości próbki i skwantowanego błędu q (nTs). Kwantowany błąd może być dodatni lub ujemny. Tak więc wynik filtru predykcji nie zależy od jego właściwości.

Modulacja różnicowego kodu impulsu Odbiorca

W celu odtworzenia odebranego sygnału cyfrowego odbiornik DPCM (pokazany na poniższym rysunku) składa się z dekoder i filtr przewidywania. W przypadku braku szumu, zakodowane wejście odbiornika będzie takie samo jak zakodowane wyjście nadajnika.

Odbiornik z modulacją różnicowego kodu impulsowego

Jak omówiliśmy powyżej, predyktor przyjmuje wartość na podstawie poprzednich wyników. Dane wejściowe przekazane do dekodera są przetwarzane i sumowane z wyjściem predyktora w celu uzyskania lepszych wyników. Oznacza to, że dekoder przede wszystkim zrekonstruuje skwantowaną postać oryginalnego sygnału. Dlatego sygnał w odbiorniku różni się od sygnału rzeczywistego błędem kwantyzacji q (nTs), który jest wprowadzany na stałe w odtwarzanym sygnale.

Zastosowania DPCM

Technika DPCM wykorzystywała głównie kompresję mowy, obrazu i sygnału audio. DPCM prowadzony na sygnałach z korelacją między kolejnymi próbkami prowadzi do dobrych współczynników kompresji. W obrazach istnieje korelacja między sąsiednimi pikselami, w sygnałach wideo korelacja występuje między tymi samymi pikselami w kolejnych klatkach i wewnątrz ramek (co jest takie samo jak korelacja wewnątrz obrazu).

Ta metoda jest odpowiednia dla aplikacji czasu rzeczywistego. Zrozumienie skuteczności tej metody kompresji medycznej i zastosowania obrazowania medycznego w czasie rzeczywistym, np. Telemedycyny i diagnostyki online. Dlatego może być skuteczny w przypadku kompresji bezstratnej i implementacji bezstratnej lub prawie bezstratnej kompresji obrazów medycznych.

Chodzi o działanie modulacji różnicowego kodu impulsowego. Uważamy, że informacje podane w tym artykule są pomocne w lepszym zrozumieniu tej koncepcji. Ponadto wszelkie pytania dotyczące tego artykułu lub pomoc w implementacji projekty elektryczne i elektroniczne , możesz skontaktować się z nami, komentując w sekcji komentarzy poniżej. Oto pytanie do Ciebie, jaka jest rola predyktora w technice DPCM?