Устройство для кодирования аналоговых сигналов

 

Изобретение относится к автоматике . Р го использование в системах дискретной передачи, например, звуковых сигналов позволяет повысить точность кодирования. Устройство содержит вычитатель 1, аналого-цифровой преобразователь (АЩ) 2, сумматор 3, цифроаналоговый преобразователь (ЦАП) 4, предсказатель 5 и дециматор 9. Введение коммутаторов 6 и 7, аттенюатора 8 и блока 10 управления обессчивает снижение шумов, вносимых .ЦП 2 и LLAn 4, а специфическое выполнение предсказателя 5 позволяет повысить частоту дискретизации более чег в шестнадцать раз, что также по- ; ь:шает точность кодирования. 2 з.п. ф-лы, 4 ил, 1 табл. сл со о: о со

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК

А1

ÄÄSUÄÄ 1316091 (51) 4!! 03 !! 3/04 1Й

i !

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ

И АBTOPCHOMY СВИДЕТЕЛЬСТВУ (2 1 4020140 24-2ч (! 13.12.85

07.06.87. Бюл. !! - 21 (71; )!сшшградский институт авиационпо, о приборостроения (72) С. Б,Анисимов, В.В, Ванде-Кирков, 11. Б, a Tseen, JI.Á. Óñòèíoâa и В. И. !!1епелен (53) 621.396.7(088,8) ! 6) Авторское свидетельство СССР !

197085, кл, Н 03 !"! 3/00, 13.07.84.

Патент США 1!=- 4318086, к-.. 340-347. (!. ЕБ Transactions on Circuits

:. "! Systems, 1978, v. CAS-25, !! 7, р„ 449, fig. 1. (54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ КОДИРОВАНИЯ АНАЛОГОВЫХ СИГНАЛОВ (57 ) Изобретение относится к автома- тике. Его использование в системах дискретной передачи, например, звуковых сигналов позволяет повысить точность кодирования. Устройство содержит вычитатель 1, аналого-цифровой преобразователь (АЦП) 2, сумматор 3, цифроаналоговый преобразователь (ЦАП)

4, предсказатель 5 и дециматор 9.

Вв"дсние коммутаторов 6 и 7, аттенюатора 8 и блока 10 управления обеспечиваетт снижение шумов, вносимых .Щ! 2 и ПАП 4, а специфическое выи -.n;en»e предсказателя 5 позволяет

;.овысить частоту дискретизации более чем в шестнадцать раз, что также по;ышает точность кодирования. 2 з.п. ф лы, 4 ил, 1 табл, ! 3 I 60

Изобретение относится к автоматике и может быть использовано в системах дискретной передачи, например, звуковых сигналов, Цель изобретения — повышение точ5 ности кодирования °

На фиг. изображена блок-схема устройства для кодирования; на фиг.2 и 3 †. блок-схемы соответственно предсказателя и блока управления; на 50 фиг. 4 — вр:менные диаграммы работы устройства.

Устройство для кодирования аналогового сигнала содержит вычитатель

1, аналого-цифровой преобразователь

2 (АЦП), сумматор 3, цифро-аналоговый преобразователь 4 (ЦАП), предсказатель 5, первый и второй коммутаторы 6 и 7, аттенюатор 8, дециматор 9 и блок 10 управления. На фиг. 1 обо- 20 значены информационный вход 11, вход

12 синхронизации и выходы 13.

Предсказатель 5 выполнен (фиг.2) с первого по четвертый регистрах 1417, первом и втором сумматорах 18 и

19, первом и втором коммутаторах 20 и 21. На фиг, 2 обозначены информационные входы 22, управляющий вход

23, первый и второй входы 24 и 25 синхронизации, выходы 26.

Аттенюатор 8 — прецизионный управляемый делитель напряжения.

Дециматор 9 представляет собой последовательное соединение цифрового фильтра низкой частоты, выполнен35 ного в виде нерекурсивного фильтра с конечной импульсной характеристикой, и компрессора частоты дискретизации (например, регистра), синхровходы которых объединены и являются входом синхронизации дециматора.

Блок 10 управления выполнен (фиг. 3) на дешифраторе: 27, регистре 28, генераторе 29, распределителе 45

30 импульсов, первом, втором и третьем триггерах 31-33, первом, втором и третьем формирователях 34-36 импульсов, На фиг. 3 обозначены информационные входы 37., вход 38 синх- 50 рониэации с первого по восьмой выходы 39-46. Первый формирователь 34 импульсов служит для выработки сигналов управления коммутаторами 6 и 7 и представляет собой преобразователь уровней сигналов. Второй формирователь 35 импульсов обеспечивает дифференцирование отрицательного фронта поступающего на него импульса. ТреВходной код ыходной код

I1! 11 (Зн.р. Iр. 2р. 3 1 2 3 4

1 1 1 0 1 1 1

1 1 0 0 1 1 1

1 0 1 0 1 1 1

1 0 0 0 1 1 1

0 ) 1 1- 0 1 1

0 1 0 1 0 1 !

0 0 1 1

0 1

0 0 0 1 1 1 0

1 1 1 1 I 1 0

1 1 0 1 1 0 1

1 0 1 1 0 1

1 0 0 1 0 1 1

0 1 0 I I 1

0 1 0 0 1 1 1

0 0 1 0 1 1 1

0 0 0 0 1 1 1

Распределитель 30 импульсов включает в себя счетчик и дешифратор °

На фиг. 4 обозначено: а) импульс внешней синхронизации на входе 12; б) импульс на выходе триггера 32 блока 10 управления; в) импульс на выходе триггера 31 блока 10 управления; г) импульсы на выходе генератора 29 блока 10 управления; д) импульсы на выходах 42-45 блока 10 управления (на входах синхронизации АЦП 2, сумматора 3 и входах 24 и 25 предсказателя 5 соответственно); и) сигнал на выходе триггера 33 (на входе 23 предсказателя 5); к) импульс на входе синхронизации регистра 28 блока !

О управления; л) импульс на выходе

46 блока. 10 управления .(на входе синхронизации ЦАП 4); м), н) импуль91 2 тий формирователь 36 импульсов служит для выдачи импульсов синхронизации на блоки 2-5 и может быть выполнен в виде блока ключей. Дешифратор 27 реализует следующую таблицу истинности:

3 1 !It>

i.t t у< >;.>«>на и т!>и> ) еров 32 и 3 блока

10 управления.

Рябо>а устройства для кодирования аналоговых сигналов основана на

pt> ) 4 рипаз е Ibныи импульс синхронизации

АЦП 2 в первом такто>ом интервале.

На выходах АБП 2 появляется код, соответствующий значению аналогового сигнала ошибка. Этот код, представленный в виде знака сигнала ошибки (старший разряд АЦП 2) и кода величины ошибки (с шестого по первый разряд) поступает на информапионные вхоизвестном методе кодирования с предсказанием, когда квантуется не сам входной сигна, а разность между ним и его предсказанным значением. Код же входного сигнала получается в результате сложения кода предсказаннога значения и кода этой разности ошибки предсказания. Предсказание будет эффективным, если кодирование осуществляется с частотой, превьппады первого коммутатора 6, В зависимос!

О ти от сигнала управления первый коммутатор 6 подк.пючает код ошибки предсказания к шести младшим разрядам пе.>вых >-;нформационных входов сумматора 3, либо сдвигает их влево на один, два, три разряда. На вторые ющей частоту дискретизации по Котель- !5 никону, когда последовательные отсчеты сигнала становятся коррелированными. В примере реализации yc:òðoéñòва частота дискретизации 768 кГц, что в шестнадцать раэ превышает частоту

48 кГц, принятую в радиовещании.

Устройство работает следующим образом, Аналоговый звуковой сигнал поступает с входа 11 в вычитатель 1, где усиливается таким образом, чтобы использовалась вся шкала квантования

25 и в то же время клиппирование сигнала было маловероятным. На другой вход вычитателя 1 поступает значение пред- 0

3 сказанного сигнала, поэтому на выходе вычитателя 1 образуется сигнал ошибки предсказания, равный разности входного и предсказанного сигналов.

Коэффициент усиления сигнала ошибки в вычитателе 1 определяется управля35 ющим сигналом, поступающим с блока 10 управления. С выхода вычитателя 1 сигнал ошибки предсказания поступает на сигнальный вход АЦП 2, импульс синхронизации которого вь>рабатывает40 ся блоком 10 управления. С приходом положительного фронта на вход 12 синхронизации первый и Второи триггеры 31 и 32 блока 10 управления устанавливаются в нулевое состояние, так

45 как на их 3-входах. присутствует уровень логического "0 . Уровень логиtl н ческой 1 с инверсного выхода триггера 32 переводит счетчик в распре50 делителе 30 импульсов в режим прямого счета, а уровень логического "0tt с выхода триггера 31 запускает генератор 29, который начинает вырабатывать прямоугольные тактовые импульсы

55 в виде меандра с периодом 60 нс, Положительний фронт первого тактового импульса генератора 29 формирует на выходе 42 блока 10 управления отинформационные входы сумматора 3 подается с выходов предсказателя 5 код предсказанного значения входного сигнала, Таким образом, на выходах сумматора 3 вычисляется код истинного значения входного сигнала, который запоминается в сумматоре 3 по импульсу синхронизации с выхода 43 блока

10, который формируется с приходом третьего тактового импульса с генератора 29. Этот код в сумматоре 3 остается беэ изменения до прихода следующего импульса синхронизации. Необхо димо отметить, что положительный фронт импульса синхронизации сумматора 3 задержан относительно положительного фронта синхроимпульса АЦП 2 на 90 нс, что обеспечивает время, необходимое- для срабатывания АЦП 2, "0 нс, сложения двух кодов в сумматоре 3 - 60 нс и прохождения кода через первый коммутатор 6 «- 3 нс, т.е. гарантирует правильность кода на выходе сумматора 3, Код с выхода сумматора 3 поступает на дециматор

9 и предсказатель 5. Первый и второй импульсы синхронизации предсказателя

5 формируются в блоке 10 управления на выходах 44 и 45 в течение четвертого и пятого тактовых импульсов аналогично импульсам синхронизации сумматора 3. Сигнал управления предсказателем 5 формируется третьим триггером 33 блока 10 управления (выход 41).

Коммутаторы 20 и 21 предсказателя 5 включены таким образом, что при подаче на их управляющие входы уровня логического "0 > выходы коммутаторов

0 и 21 подключаются к вторым вхоэ дам, а при подаче логической "1" — к первь>м. Предсказатель 5 работает в соответствии со следующим выражением

Y (nT) =Х ((п-1) Т)+2 д,— Ь, S 1»!

I, .If » (((Г)»(ь»х(> jig»o»» си и и ял»»(Од) В моме»»т»»ремсни иТ; и=1,2... °, Т вЂ” период дискретизации;

Х(иТ) — входной сигнал (код); д, =Х !(и-1) Т 7-Х ((и-2) Т);

4 =Х ((и-2) Т j-Х ((и-3) Т), 2

Код с выходов сумматора 3 поступает на регистр 14 и сумматор 18,где складывается с инверсным значением кода предыдущего отсчета сигнала, т.е. определяется значение .2, и на коммутатор 21, Так как ныходы этого коммутатора 21 подключены к его вторым входам (на его управляющем входе уровень логического "0"), код с выходов сумматора 3 поступает на вторые входы сумматора 19, на первых входах которого в этот момент имеется значениЕ, подаваемое с инверсных выходон регистра 15 через коммутатор 20. Поэтому с приходом первого импульса синхронизации предска-. зателя 5 н регистр 16 записывается значение суммы Х((и-1)Т)- 4>, а в регистр 15 — код с выходов сумматора

18, равный 4„=Х((n-l)Т)-Х((и-2)Т).

Одновременно с приходом первого синхроимпульса на управляющие входы коммутаторов 20 и 21, с входа 23 подается уровень логической- 1 и они подключают на свои выходь» первые входы. Причем первые входы коммутатора

20 подключены к прямым выходам регистра 15 таким образом, что код с выхода регистра 15 сдвигается на один разряд влево, т.е. осуществляется уменьшение его на два. Таким образом, на первые входы сумматора 19 поступает код 2 d» а íà его вторые входы— код частичной суммы Х((и-1)Т)- 4 с

2 регистра 16. С приходом второго импульса синхронизации предсказателя

5 код с выхода сумматора 19, равный предсказанному эначени»»» последующего отсчета входного сигнала Y(nT)=

Х((и-l)T)+2 8; 4>, записывается в регистр 17. Одновременно нторым импульсом синхронизации код с выходов сумматора 3 записывается в регистр

14 предсказателя 5, так как он- необходим для работы предсказателя 5 в следующем периоде- дискретизации.

Кроме этого код разности 4,, записанный в регистре 15 будет также использован в следующем периоде дискретизации как 4, так как снимается с инверсных вйходов регистра 15.

609l (((После запи< и кода н ре» истр 7 предсказателя 5 он поступая г на второй коммутатор 7 и блок 10 управления. В соответствии с таблицей истинности дешифратор 27 блока 10 управления формирует»»оз»»цио»»ный код управления, который поступает на вход

55 регистра 28, По положительному фронту импульса синхронизации, вырабатываемому формирователем 36, в течение второй половины пятого тактового интервала, т.е. по отрицательному фронту пятого тактового импульса (см. фиг. 4») код управления записывается в регистр 28, Далее этот код сразу поступает с выходов 39 блока 10 на управляющие входы первого коммутатора

6 и второго коммутатора 7. Второй коммутатор 7 подключает ко входам

ЦАП 4 одиннадцать последовательных разрядов выходного кода предсказателя 5 или с 15 по 5, или с 14 по 4, или с 13 по 3, или с 12 по 2, т.е. таким образом, чтобы максимально использонать динамический диапазон ЦАП

4. На первый (старший) разряд ЦАП 4 подается независимо от кода управления старший разряд кода с выхода предсказателя 5, так как он является знаковым. Перный коммутатор 6 также переключает выходы АЦП 2 к соответствующим входам сумматора 3. Одновременно код управления с выходов регистра 28 поступает на формирователь

34, который вырабатывает сигналы управления, необходимые для работы аттенюатора 8 и вычитателя 1. По положительному фронту шестого тактового импульса генератора 29 (см. фиг, 4 ) формирователь 36 вырабатывает импульс синхронизации ЦАП 4, по которому в него записывается код с соответствующих выходов коммутатора 7, Одновременно со второго выхода распределителя 30 импульсов отрицательный импульс подается на установочный вход второго триггера 32, В реэультате на выходе этого триггера 32 устанавливается уровень логического нуля, который переводит счетчик в распределителе 30 в режим параллельной записи. Код с выходов коммутатора 7 преобразуется в ЦАП 4 в соответствующее ему напряжение» инвертированное относительно входного кода ЦАП 4 а, следовательно, и входного сигнала устройства. Выходное напряжение ЦАП 4 подается на аттенюатор 8. На выходе аттенюатора 8.снимается напряжение

13!6091 такое, чтобы вс сстанолить амплитуду и р Р д г к а з а н и 0 1 (1 з и <1 ч е н и л B x o +F I o Г о (. и Г нала, искаженную в результате коммутации сигнала F(a входе ЦАП 4. Пеобходимо отметить, что уменьп(аетгл иа выходе aTTe(IF

С приходом седьмого тактового импульса с генератора 29 блока 10 управления формирователь 35 вырабатывает короткий положительный импульс, ко ",î, - †!5 рый устанавливает на выходе первого триггера 31 уровень логической единицы и ог.танавливает генератор 29, С приходом очередного импульса синхронизации в блок 10 управления рабо- Zp та всего устройства повторится, как было описано выше, С выходов сумматора 3 коды отсчетов входного сигнала с частотой

768 кГц поступают на информационный 25 вход дециматора 9, а на его вход синхронизации поступает сигнал внешней синхронизации с частотой 768 кГц.

Цифровой фильтр, включенный в состав дециматора 9, подавляет частотные 3р составляющие, лежащие вне полосгп полезного звукового сигнала (аналогично аналоговому фильтру нижних частот с полосой пропускания 0-20 кГц), а компрессор частоты дискретизации понижает частоту дискретизации до г.тандартной 48 кГц, пропуская на выходы дециматора 9 только каждый шестнадцатый код с выхода цифрового фильтра.

Таким образом на выходах дециматора 40

9 формируются коды отсчетов входного аналогового звукового сигнала с частотой 48 кГц, соответствующих шестнадцатиразрядному линейному кодированию, 45

Устройство для кодирования аналоговых сигналов, благодаря дополнительной обработке предсказанного значения входного сигнала с помощью второго коммутатора 7 и аттенюатора 8, управляемых блоком 10 управления, позволяет уменьшить шум, вносимый неточностью ЦАП 4, более чем на 1014 дБ, А дополнительная обработка сигнала ошибки предсказания вычитателем 1 и первым коммутатором 6 позволяет сохранить условие незначительногти шумов, вносимых АЦП 2,,Кроме этого, использование в петле обратной связи ll(«rl< F

II< II(IF

Ф и р м у л а и з и б р Р т е н и я !. Устройство длл кодирования аналоговых сигналов, содержащее вычитатель, ль(ход которого соединен с ин— формационным входом ана:(ого-цифрового прес бразователя, цифроаналоговый преобразователь, сумматор, выходы которого подключены к сс(ответствунп(им ииформационнь(м входа((де((иматора и предсказателя, выходы которого соедииеиы с соответствуюп(ими первыми входами сумматора, первый информационный вход вычитателя является информационным входом устройства, выходы дециматора являются вь(ходами устройства, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью повьппения точности кодирования, в устройство введены коммутаторы, аттенюатор и блок уираллг(".л, первые выходь(которого подклю .ены к соответствующи"1 управляющим входам первого и второго коммутаторов, выходы которых подключе((ы соответственно к вторым входам сумматор;1 информационным входам цифроаналогового преобразователя, выход которого соединен с информационным входом аттенюатора, вторые выходы блока управлепил подключены к управляющим входам вычитателя и аттгиюатора, выход которого соединен с вторым информационнь(м входом вычитателя, выходы аналого-цифрового преобразователя подключены к информационным входам первого коммутатора, соответствующие информационные входы второго коммутатс ра и блока управления объединены и подключены к соответствующим выходам предсказателя, третий, четвертый и пятый выходы блока управления соедгп(ены соответственно с управляющим входом и первым и вторым входами синхронизации предсказатеJIF. шестой, седьмой и восьмой выходы блока управления соединены с входами синхронизации соответственно цифроаналогового и аналого-цифрового преобразова телей и сумматора, входы с.и((хрониза! 116()Ц!.,)i

2. Устройство по и. 1, (т л ич а ю щ е е с я тем, что, с целью повьш)ения бь)стродействия, предсказатель выпол!)ен на регистрах, сум) )аторах и коммутаторах, выходы первого регистра подключены к соответствующим пернья! нх:<дам первого сумматора, вы- 10 ходы которо <оединены с соответствующими информационными входами второго регистра, первые и вторые выходы которого подключены к соответствующим информационным входам первого коммута 15 тора, выходы первого и второго коммутаторов подключены к соответствующим входам второго сумматора, выходь! кот()ро(< соединены с соответствующими информационными входами третьего и р четвертого регистров, выходы третьего регистра подключены к первым информационным входам второго коммутатора, вторые информационные входы которого объединены с соответству)о(цими вторыми входами первого сумматора и информационными входами первого регистра и являются информационными входами предсказателя, управляющие входы коммутаторов объединены и являются управляющим входом предсказателя, входы синхронизации второго и третьего регистров и входы синхронизации первого и четвертого регистров соответственно объединены и являются первым и вторым входами синхронизации предсказателя, выходь! четвертого регистра являются выходами предсказателя.

1() у(. 1)<(ii((!в(! цо и, > О т ll ii ч а ю щ е е с я тем, что блок упр» вл< ния ))),)((о!<н(<н на реги .тре, генераторе, )зас))реде!)ите))е импульсов, формирователях импульсов, триггерах и дешифраторе, выходы которого соединены с информационными входами регистра, выходы которого подключены к соответствующим входам первого формирователя импульсов, выходы первого и второго триггеров соединены соответственно со входом генератора и управляющим входом распределителя импульсов, первый и второй выходы которого соответственно через второй формирователь импульсов и непосредственно соединены с установочными входами первого и второго триггеров, выход генератора подключен к входам синхронизации третьего формирователя импульсов и распределителя импульсов, третьи выходы которого подключены к соответствующим установочным входам третьего триггера и соответствующим управляющим входам третьего формирователя импульсов, первый выход которого соединен с входом синхронизации регистра, входы дешифратора являются информационными входами блока, входы синхронизации первого и второго триггеров объединены и являются входом синхронизации блока, выходы регистра и первого формирователя импульсов являются соответственно первыми и вторыми выходами блока, выход третьего триггера и второй-шестой выходы третьего формирователя импульсов являются соответственно третьим-восьмым выходами блока.

1316091 ; РЯС

cue 3

Составитель О.Ревинский

Техред Н. Глущенко

Корректор Л r".сскид

Редактор H,Ëàçàðåíêo

Тираж 90) ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

)13035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Заказ 3481

Подписное

Производственно-полиграфическое предприятие, r. Ужгород, -ул. Проектная, 4