Дифференциальная импульсная кодовая модуляция - это метод аналоговой в преобразование цифрового сигнала . Этот метод производит выборку аналогового сигнала и затем квантует разницу между выбранным значением и его предсказанным значением, а затем кодирует сигнал для формирования цифрового значения. Прежде чем переходить к обсуждению дифференциальной импульсной кодовой модуляции, мы должны знать недостатки PCM (импульсно-кодовая модуляция) . Выборки сигнала сильно коррелированы друг с другом. Значение сигнала от текущего отсчета к следующему отсчету не сильно отличается. Соседние отсчеты сигнала несут ту же информацию с небольшой разницей. Когда эти выборки кодируются стандартной системой ИКМ, результирующий кодированный сигнал содержит некоторые избыточные информационные биты. Рисунок ниже иллюстрирует это.
Избыточные информационные биты в PCM
На приведенном выше рисунке показан непрерывный временной сигнал x (t), обозначенный пунктирной линией. Этот сигнал дискретизируется плоской дискретизацией с интервалами Ts, 2Ts, 3Ts… nTs. Частота дискретизации выбрана выше, чем частота Найквиста. Эти образцы кодируются с использованием 3-битного (7 уровней) PCM. Выборки квантуются до ближайшего цифрового уровня, как показано маленькими кружками на рисунке выше. Закодированное двоичное значение каждой выборки записывается в верхней части выборки. Просто обратите внимание на приведенный выше рисунок на выборках, взятых при 4Ts, 5Ts и 6Ts, которые закодированы с одним и тем же значением (110). Эту информацию может передавать только одно значение выборки. Но три образца несут одну и ту же информацию, что означает избыточность.
Теперь давайте рассмотрим выборки на 9Ts и 10Ts, разница между этими выборками только из-за последнего бита, а первые два бита являются избыточными, поскольку они не меняются. Таким образом, чтобы сделать процесс этой избыточной информацией и получить лучший результат. Это разумное решение - взять прогнозируемое значение выборки, полученное из предыдущего вывода, и суммировать его с квантованными значениями. Такой процесс называется методом дифференциальной ИКМ (DPCM).
Принцип дифференциальной импульсно-кодовой модуляции
Если избыточность уменьшена, то общая скорость передачи данных уменьшится, и количество битов, необходимых для передачи одной выборки, также уменьшится. Этот тип цифровой импульсной модуляции называется дифференциальной импульсной кодовой модуляцией. DPCM работает по принципу предсказания. Значение настоящей выборки предсказано на основе предыдущих выборок. Прогноз может быть неточным, но он очень близок к фактическому значению выборки.
Дифференциальная импульсно-кодовая модуляция Передатчик
На рисунке ниже показан передатчик DPCM. Передатчик состоит из компаратор , квантователь, фильтр предсказания и кодер.
Дифференциальный импульсный кодовый модулятор
Дискретизированный сигнал обозначается x (нТс), а прогнозируемый сигнал обозначается x ^ (нТс). Компаратор обнаруживает разницу между фактическим значением выборки x (нТс) и прогнозируемым значением x ^ (нТс). Это называется ошибкой сигнала и обозначается как e (нТл).
е (нТс) = х (нТс) - x ^ (нТс) ……. (1)
Здесь прогнозируемое значение x ^ (нТс) получается с использованием фильтр предсказания (фильтр обработки сигнала) . Выходной сигнал квантователя eq (nTs) и предыдущее предсказание добавляются и передаются в качестве входных данных для фильтра предсказания, этот сигнал обозначается как xq (nTs). Это приближает прогноз к фактически дискретизированному сигналу. Квантованный сигнал ошибки eq (nTs) очень мал и может быть закодирован с использованием небольшого количества битов. Таким образом, количество битов на выборку в DPCM уменьшается.
Выход квантователя будет записан как,
eq (нТс) = e (нТс) + q (нТс) …… (2)
Здесь q (нТс) - ошибка квантования. Из приведенной выше блок-схемы вход xq (nTs) фильтра прогнозирования получается суммой x ^ (nTs) и выходного сигнала eq (nTs) квантователя.
т.е. xq (нТс) = x ^ (нТс) + экв (нТс). ………. (3)
подставляя значение eq (nTs) из уравнения (2) в уравнение (3), мы получаем,
xq (нТс) = x ^ (нТс) + е (нТс) + q (нТс) ……. (4)
Уравнение (1) можно записать как,
е (нТс) + x ^ (нТс) = x (нТс) ……. (5)
из приведенных выше уравнений 4 и 5 получаем,
xq (нТс) = х (нТс) + x (нТс)
Следовательно, квантованная версия сигнала xq (nTs) является суммой исходного значения выборки и квантованной ошибки q (nTs). Квантованная ошибка может быть положительной или отрицательной. Таким образом, результат работы фильтра предсказания не зависит от его характеристик.
Дифференциальная импульсно-кодовая модуляция Приемник
Для восстановления принятого цифрового сигнала приемник DPCM (показан на рисунке ниже) состоит из декодер и фильтр предсказания. При отсутствии шума закодированный вход приемника будет таким же, как закодированный выход передатчика.
Приемник с дифференциальной импульсной кодовой модуляцией
Как мы обсуждали выше, предиктор принимает значение на основе предыдущих выходных данных. Входные данные, поступающие в декодер, обрабатываются, и эти выходные данные суммируются с выходными данными предсказателя для получения лучшего результата. Это означает, что здесь прежде всего декодер восстановит квантованную форму исходного сигнала. Поэтому сигнал в приемнике отличается от фактического сигнала ошибкой квантования q (нТс), которая постоянно вносится в восстановленный сигнал.
| С. НЕТ | Параметры | Импульсно-кодовая модуляция (PCM) | Дифференциальная импульсно-кодовая модуляция (DPCM) |
| 1 | Количество бит | Он использует 4, 8 или 16 бит на выборку | |
| два | Уровни, размер шага | Фиксированный размер шага. Не может варьироваться | Используется фиксированное количество уровней. |
| 3 | Битовая избыточность | Подарок | Можно удалить навсегда |
| 4 | Ошибка квантования и искажение | Зависит от количества используемых уровней | Присутствуют искажения от перегрузки по наклону и шум квантования, но они намного меньше по сравнению с PCM |
| 5 | Полоса пропускания канала передачи | Требуется более высокая полоса пропускания, так как количество битов отсутствует | Ниже полосы пропускания PCM |
| 6 | Обратная связь | Нет обратной связи в Tx и Rx | Обратная связь существует |
| 7 | Сложность обозначений | Сложный | Простой |
| 8 | Соотношение сигнал / шум (SNR) | Хороший | Справедливый |
Приложения DPCM
В методе DPCM в основном используется сжатие речи, изображений и аудиосигналов. DPCM, проводимый для сигналов с корреляцией между последовательными выборками, обеспечивает хорошие степени сжатия. В изображениях существует корреляция между соседними пикселями, в видеосигналах корреляция между одними и теми же пикселями в последовательных кадрах и внутри кадров (что аналогично корреляции внутри изображения).
Этот метод подходит для приложений реального времени. Чтобы понять эффективность этого метода медицинского сжатия и применения медицинских изображений в реальном времени, таких как телемедицина и онлайн-диагностика. Следовательно, он может быть эффективным для сжатия без потерь и реализации для сжатия медицинских изображений без потерь или почти без потерь.
Это все о работе дифференциальной импульсной кодовой модуляции. Мы считаем, что информация, представленная в этой статье, поможет вам лучше понять эту концепцию. Кроме того, любые вопросы по этой статье или помощь в реализации электротехнические и электронные проекты , вы можете связаться с нами, оставив комментарий в разделе комментариев ниже. Вот вам вопрос: какова роль предсказателя в методе DPCM?
