Адаптивный дельта-модулятор со слоговым компандированием Советский патент 1992 года по МПК H03M3/02 

Изобретение относится к радиотехнике и может быть использовано в радио- и телефонных линиях, а также в устройствах аналого-цифрового преобразования и устройствах цифровой записи аналоговых сигналов.

Известны дельта-модуляторы с одинарным и двойным интегрированием без адаптации скорости слежения к уровню сигнала.

Известны дельта-модуляторы с безынерционным компандированием, в которых адаптация к уровню сигнала осуществляется переключением резисторов, входящих в интегратор, с помощью реверсивных сдвиговых регистров.

Известны также дельта-модуляторы со слоговым компандированием, в которых изменение скорости слежения за сигналом осуществляется аналоговым управлением генератора тока

Дельта-модуляторы без адаптации к уровню сигнала имеют наилучший коэффициент нелинейных искажений в пределах своего динамического диапазона, однако ширина их динамического диапазона (20 26 дБ при тактовой частоте 32 64 кГц) обеспечивает передачу речи только по классу III ГОСТ 16600-72.

Дельта-модуляторы с безынерционным компандированием имеют расширенный динамический диапазон (40 дБ и более) и обеспечивают передачу сигналов по классу II ГОСТ 16600-72, однако имеют повышенный коэффициент нелинейных искажений и неудовлетворительно передают фрикатио- ные звуки Кроме того, при наличии посторонних звуков, особенно высокочастотных качество передачи речи падает до IV класса

Дельта-модулятор го слоговым комп.н- дированием удовлетворяет HI классу ГОСТ 16600-72, обеспечивая как широкий дина 400 СЛ О Ч

00

мический диапазон передаваемых сигналов, так и относительно малый коэффициент нелинейных искажений. Это связано с тем, что в пределах интервалов времени, соизмеримых с постоянными времени нарастания и убывания уровня громкости звуков, он работает в режиме, близком к режиму линейного дельта-модулятора, пр-ичем скорость слежения зависит от уровня речи в пределах слога. Однако построение слогового компандера на основе аналогового управления накладывает жесткие требования на согласование характеристик дельта-модулятора и дельта-демодулятора, в т.ч. при изменении напряжения и температуры окружающей среды.

Так, относительное изменение напряжения питания на 5% приводит к увеличению коэффициента нелинейных искажений с 4% до 15-20%. Это ограничивает возможности применения такого дельтамодулято- ра. в аппаратуре с автономным или нестабильным питанием.

Цель изобретения - создание дельта- модулятора, вносящего в сигнал малые нелинейные искажения, некритичного к точности согласования дельта-модулятора и демодулятора, и обеспечивающего передачу речи по I классу ГОСТ 16600-72.

Поставленная цель достигается применением цифровых методов обработки аппроксимирующего сигнала обратной связи.

На чертеже приведена электрическая схема дельта-модулятора. Входной сигнал поступает на первый вход сумматора 1, выход которого соединен с инвертирующим входом компаратора 2, неинвертирующий вход которого соединен с выходом интегратора 3, а выход - с информационным входом сдвигового регистра 4, тактовый вход которого соединен с четвертым выходом тактового генератора 5, а первый выход, являющийся выходом дельта-модулятора, соединен со входом интегратора 3, первым выводом основного резистора 6 блока интегрирования аппроксиматора и с аналоговыми входами электронных ключей 7° .7П, аналоговые выходы которых соединены с первыми выводами дополнительных рези- стороо 8°..,8П блока интегрирования, вторые выводы которых соединены со вторым выводом основного резистора 6, вторым входом сумматора 1 и первым выводом конденсатора 9 блока интегрирования, выходы первых четырех разрядов регистра 4 соединены со входами элемента равнозначности 10, выход которого соединен со входом направления счета реверсивного счетчика 11 схемы управления скоростью интегрирования и первым входом первого логического

элемента ИЛИ-НЕ 12, второй вход которого соединен с выходом переноса счетчика 13 с переменным коэффициентом счета, а выход - с первым входом второго логического элемента ИЛИ-НЕ 14, второй вход которого соединен с выходом переноса счетчика 11 и входом запрета счета счетчика 13, а выход - с информационным входом D-триггера 15, тактовый вход которого соединен с первым

0 выходом тактового генератора 5, вход сброса - с третьим выходом тактового генератора 5, а выход - со входом асинхронной загрузки коэффициента счета счетчика 13 и тактовым входом реверсивного счетчика 11,

5 выходы которого соединены со входами управления электронных ключей 7°,..7П, выходы старших разрядов - с соответствующими входами установки коэффициента счета счетчика 13, тактовый вход которого соеди0 нен со вторым выходом генератора тактовой частоты 5.

Принцип работы адаптивного дельта- модулятора следующий Для согласойания с речевым сигналом нарастание скорости

5 слежения до максимальной должно происходить па приблизительно линейному закону за время около 3 мс, а спад до минимальной - приблизительно по экспоненциальному закону с постоянной времени 3 .10

0 мс. Этот алгоритм и реализован в изобретении цифровым методом.

При появлении перегрузки по крутизне, определяемой по наличию в выходном двоичном потоке более чем трех импульсов

5 одинаковой полярности, скорость заряда/разряда интегратора аппроксимирующего сигнала увеличивается на один квантованный интервал непосредственно в момент определения наличия перегрузки В

0 отсутствие перегрузки скорость заряда/разряда интегратора уменьшается также на один квантованный интервал, однако время между моментами уменьшения скорости уже зависит от достигнутой скорости:

5 чем она меньше, тем большее время прохо- х дит до момента следующего уменьшения. Таким образом, нарастание скорости аппроксимации происходит по линейному закону, а спад - по закону, близкому к

0 экспоненциальному.

Схема работает следующим образом. При появлении перегрузки (что характеризуется появлением на выходе дельта-модулятора последовательности из 4 и более

5 импульсов одинаковой полярности) и после тактирования регистра 4, на выходе схемы совпадений 10 появляется потенциал логической 1 и счетчик скорости аппроксимации 11 по входу направления счета подготавливается к увеличению состояния. Если при

этом максимальное состояние счетчика не достигнуто, то на выходе переноса счетчика 11 сформирован потенциал логического 0, и сигнал с выхода схемы совпадений 10 через логические элементы 12, 14 поступает на вход D-триггера 15.

С приходом следующей фазы тактового генератора 5, триггер 15 устанавливается в состояние логической 1, тактируя счетчик 11 и разрешая загрузку коэффициента счета в счетчик 13. При этом в счетчик 13 записывается новое, увеличенное состояние счетчика 11, а ключи 7° ...7П переключают резисторы 8° ...8П таким образом, что параллельное сопротивление подключенных резисторов уменьшается на одну ступень, т.е. скорость аппроксимации возрастает на одну ступень. При приходе третье фазы тактового генератора 5 счетчик 13 не меняет своего состояния, т.к. на его входе продолжает действовать сигнал асинхронной загрузки с выхода триггера 15. При приходе четвертой фазы генератора 5 триггер 15 сбрасывается и схема подготавливается к следующему циклу работы. Если перегрузка сохранилась, то в следующем цикле генератора 5 процесс повторяется до тех пор, пока не пропадет перегрузка или пока счетчик 11 не достигнет предельного значения. По достижении счетчиком 11 предельного значения на его выходе переноса появляется потенциал логической единицы, и через логический элемент ИЛИ-НЕ 14 блокируется работа триггера 15. Таким образом, при появлении перегрузки дельта-модулятора происходит увеличение скорости аппроксимации по линейному закону до достижения максимальной скорости аппроксимации или до пропадания перегрузки.

При пропадании перегрузки на выходе схемы совпадений 10 появляется потенциал логического 0, подготавливая счетчик скорости аппроксимации 11 к уменьшению состояния. Если счетчик находится в граничном состоянии, то на его выходе переноса также действует потенциал логического 0, работа триггера 15 заблокирована логическими элементами 12, 14 и счетчик скорости аппроксимации не меняет своего состояния до момента достижения предельного состояния счетчиком 13. Счетчик 13 достигает своего предельного состояния через число тактов третьей фазы генератора 5, зависящее от записанного в него коэффициента счета, при этом на его выходе переноса появляется потенциал логической 1, поступающий через логические элементы 12, 14 на информационный вход триггера 15. При переходе ближайшей второй фазы тактового генератора 5, триггер 15 переходит в состояние логической 1, тактируя счетчик скорости аппроксимации 11 и загружая новый коэффициент счета с счетчик 13. Т.к. уменьшению кода коэффициента счета соответст- вует увеличение коэффициента счета, то чем меньше скорость аппроксимации, тем медленнее она меняется, чем и обеспечивается близкий к экспоненциальному закон уменьшения скорости аппроксимации.

0 Постоянная времени спада скорости аппроксимации определяется тактовой частотой генератора 5 и разрядностью счетчика 13. При достижении минимальной скорости на выходе переноса счетчика 11 появляется

5 потенциал логической единицы, запрещающий работу счетчика 13 по его входу запрета счета, а также работу триггера 15 через логический элемент 14.

Цепь стабилизации режима молчания,

0 представляющая собой интегратор 3 с постоянной времени, много большей, чем мак- симальная постоянная времени цепи аппроксимации, автоматически балансирует дельта-модулятор по равенству в сред5 нем количества выходных импульсов обеих полярностей, что устраняет появление характерного тона в аппроксимирующем сигнале при отсутствии входного сигнала дельта-модулятора.

0 Предлагаемое устройство выпущено малой партией i+обеспечивает при 7 разрядах счетчика 11, 4 разрядах счетчика 13 и тактовой частоте 64 кГц динамический диапазон передаваемых сигналов не менее 60

5 дБ на частоте 1 кГц и полезную полосу передаваемых частот не менее 8 кГц. При тактовой частоте 32 кГц полезная полоса уменьшается до 4 кГц. При этих тактовых частотах дельта-модулятор полностью соот0 ветствует требованиям передачи речи по I классу ГОСТ 16600-72, в т.ч. при передаче фрикативных звуков и наличии мешающих звуковых сигналов. Изготовленное на базе КМОП микросхем устройство сохраняет

5 свои качественные характеристики в диапазоне напряжений питания от 3 до 12 В,в т.ч. при предельных рассогласованиях напряжений питания дельта-модулятора и дельта- демодулятора.

0 Формула изобретения

Адаптивный дельта-модулятор со слоговым компандированием, содержащий компаратор, первый вход которого соединен с выходом сумматора, первый вход которого

5 является входной шиной, а второй вход соединен с выходом блока интегрирования, второй вход компаратора подключен к выходу интегратора, а выход - к информационному входу регистра сдвига, первый выход которого является выходной шиной и соединен с входом блока интегрирования, выходы с первого по четвертый соединены с соответствующими входами блока совпадения уровней, выход которого подключен к входу блока управления скоростью аппроксимации, генератор тактовых импульсов, первый выход которого соединен с тактовым входом триггера, отличающийся тем, что, с целью уменьшения коэффициента нелинейных искажений и расширения динамического диапазона передаваемых сигналов, блок совпадения уровней выполнен на элементе равнозначности, входы и выход которого являются соответственно входами и выходом блока совпадения уровней, блок управления с кб ро стью аппроксимации выполнен на реверсивном счетчике, счетчике и двух элементах ИЛИ-НЕ, а блок интегрирования выполнен на конденсаторе, основном и п дополнительных резисторах и п ключах, входы которых объединены с пер- вЫм выводбм основного резистора и являются входом блока интегрирования, управляющие входы соединены с соответствующими информационными выходами ре- версив юго счетчика, старшие разряды которых из них соединены с соответствующими входами установки коэффициента

счета счетчика, тактовый вход которого соединен с вторым выходом генератора тактовых импульсов, вход асинхронной загрузки объединен с тактовым входом реверсивного

счетчика и подключен к выходу триггера, вход запрета счета соединен с выходом переноса реверсивного счетчика, вход управления направлением счета которого является входом блока управления скоростью аппроксимации и объединен с первым входом первого элемента ИЛИ-НЕ, второй вход которого соединен с выходом переноса счетчика, а выход - с первым входом второго элемента ИЛИ-НЕ, второй вход которого подключен к выходу переноса реверсивного счетчика, а выход соединен с информационным входом триггера, вход сброса которого соединен с третьим выходом генератора тактовых импульсов, четвертый выход которого соединен с тактовым входом регистра сдвига, при этом выходы ключей соединены соответственное первыми выводами дополнительных резисторов, вторые выводы которых объединены с вторым выводом основного резистора и являются выходом блока интегрирования, который через конденсатор соединен с шиной нулевого потенциала.

Адаптивный дельта-модулятор относится к радиотехнике и может быть использован в радиотехнических устройствах передачи речи и в устройствах записи аналоговых сигналов с предварительным аналого-цифровым преобразованием Цель изобретения - уменьшение коэффициента нелинейных искажений и расширение диапазона передаваемых сигналов Это достигается цифровым формированием линейного закона нарастания скорости аппроксимации при возникновении перегрузки дельта-модулятора, и близкого к экспоненциальному закона спада скорости аппроксимации при отсутствии перегрузки Устройство содержит компаратор, сумматор, блок интегрирования, регистр сдвига, элемент равнозначности, два элемента ИЛИ-НЕ, реверсивный счетчик, триггер, счетчик и интегратор.1 ил