Práca a použitie pulznej kódovej modulácie

Diferenciálna pulzná kódová modulácia je technikou analógu na prevod digitálneho signálu . Táto technika vzorkuje analógový signál a potom kvantizuje rozdiel medzi vzorkovanou hodnotou a jej predikovanou hodnotou, potom kóduje signál tak, aby vytvoril digitálnu hodnotu. Predtým, ako sa pustíme do diskusie o diferenciálnej pulznej kódovej modulácii, musíme poznať jej nedostatky PCM (modulácia pulzného kódu) . Vzorky signálu navzájom vysoko korelujú. Hodnota signálu od súčasnej vzorky k nasledujúcej vzorke sa veľmi nelíši. Susedné vzorky signálu nesú rovnaké informácie s malým rozdielom. Keď sú tieto vzorky kódované štandardným systémom PCM, výsledný kódovaný signál obsahuje niektoré redundantné informačné bity. Toto ilustruje nasledujúci obrázok.

Redundantné informačné bity v PCM

Vyššie uvedený obrázok zobrazuje signál nepretržitého času x (t) označený bodkovanou čiarou. Tento signál sa vzorkuje plošným vzorkovaním v intervaloch Ts, 2Ts, 3Ts ... nTs. Je zvolená vzorkovacia frekvencia vyššia ako Nyquistova rýchlosť. Tieto vzorky sú kódované pomocou 3-bitového (7 úrovní) PCM. Vzorky sú kvantované na najbližšiu digitálnu úroveň, ako je to znázornené malými krúžkami na vyššie uvedenom obrázku. Zakódovaná binárna hodnota každej vzorky je napísaná na hornú časť vzoriek. Stačí sledovať vyššie uvedený obrázok na vzorkách odobratých pri 4T, 5Ts a 6Ts sú kódované na rovnakú hodnotu (110). Túto informáciu je možné prenášať iba jednou hodnotou vzorky. Ale tri vzorky nesú rovnaké informácie, znamenajú nadbytočné.

Teraz uvažujme vzorky na 9T a 10Ts, rozdiel medzi týmito vzorkami iba kvôli poslednému bitu a prvým dvom bitom je nadbytočný, pretože sa nemenia. Takže, aby sa v procese stali tieto nadbytočné informácie a mal lepší výstup. Je to inteligentné rozhodnutie vziať predikovanú vzorkovanú hodnotu, prevzatú z jej predchádzajúcich výstupov, a zosumarizovať ich s kvantovanými hodnotami. Takýto proces sa nazýva technika diferenciálneho PCM (DPCM).

Princíp diferenciálnej pulznej kódovej modulácie

Ak sa redundancia zníži, potom sa zníži celková bitová rýchlosť a zníži sa aj počet bitov potrebných na prenos jednej vzorky. Tento typ techniky digitálnej pulznej modulácie sa nazýva diferenciálna pulzná kódová modulácia. DPCM pracuje na princípe predikcie. Hodnota súčasnej vzorky sa predpovedá z predchádzajúcich vzoriek. Predpoveď nemusí byť presná, ale veľmi sa blíži skutočnej hodnote vzorky.

Diferenciálna pulzná kódová modulácia Vysielač

Na nasledujúcom obrázku je znázornený vysielač DPCM. Vysielač sa skladá z komparátor , kvantizátor, predikčný filter a kódovač.

Modulátor diferenciálneho pulzného kódu

Vzorkovaný signál je označený ako x (nTs) a predikovaný signál je označený ako x ^ (nTs). Komparátor zisťuje rozdiel medzi skutočnou hodnotou vzorky x (nTs) a predikovanou hodnotou x ^ (nTs). Toto sa nazýva chyba signálu a označuje sa ako e (nTs)

e (nTs) = x (nTs) - x ^ (nTs) ……. (1)

Tu sa predpovedaná hodnota x ^ (nTs) vytvorí pomocou predikčný filter (filter na spracovanie signálu) . Kvantizačný výstupný signál eq (nTs) a predchádzajúca predikcia sú pridané a dané ako vstup do predikčného filtra, tento signál je označený ako xq (nTs). Vďaka tomu je predpoveď bližšie k skutočne vzorkovanému signálu. Kvantovaný chybový signál eq (nTs) je veľmi malý a je možné ho kódovať pomocou malého počtu bitov. Takto sa počet bitov na vzorku zníži v DPCM.

Výstup kvantizátora by bol napísaný ako,

eq (nTs) = e (nTs) + q (nTs) …… (2)

Tu q (nTs) je chyba kvantovania. Z vyššie uvedeného blokového diagramu sa vstup predikčného filtra xq (nTs) získa súčtom x ^ (nTs) a výstupom kvantizátora eq (nTs).

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

dosadením hodnoty eq (nTs) z rovnice (2) do rovnice (3) dostaneme,
xq (nTs) = x ^ (nTs) + e (nTs) + q (nTs) ……. (4)

Rovnica (1) môže byť napísaná ako,

e (nTs) + x ^ (nTs) = x (nTs) ……. (5)

z vyššie uvedených rovníc 4 a 5 dostaneme,

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

Preto je kvantovaná verzia signálu xq (nTs) súčtom pôvodnej hodnoty vzorky a kvantovanej chyby q (nTs). Vyčíslená chyba môže byť pozitívna alebo negatívna. Takže výstup predikčného filtra nezávisí od jeho charakteristík.

Diferenciálna pulzná kódová modulácia Prijímač

Za účelom rekonštrukcie prijatého digitálneho signálu pozostáva prijímač DPCM (zobrazený na obrázku nižšie) dekodér a predikčný filter. Pri absencii šumu bude vstup kódovaného prijímača rovnaký ako výstup kódovaného vysielača.

Prijímač diferenciálnej pulznej kódovej modulácie

Ako sme diskutovali vyššie, prediktor prevezme hodnotu na základe predchádzajúcich výstupov. Vstup poskytnutý dekodéru sa spracuje a tento výstup sa sčíta s výstupom prediktora, aby sa získal lepší výstup. To znamená, že tu najskôr dekodér zrekonštruuje kvantovanú formu pôvodného signálu. Preto sa signál na prijímači líši od skutočného signálu kvantizačnou chybou q (nTs), ktorá sa do rekonštruovaného signálu zavádza natrvalo.

Aplikácie DPCM

Technika DPCM využívala hlavne kompresiu reči, obrazu a zvuku. DPCM vedený na signáloch s koreláciou medzi po sebe nasledujúcimi vzorkami vedie k dobrým kompresným pomerom. Na obrázkoch existuje korelácia medzi susednými pixelmi, vo videosignáloch je korelácia medzi rovnakými pixelmi v po sebe nasledujúcich snímkach a vo vnútri snímok (čo je to isté ako korelácia vo vnútri obrázka).

Táto metóda je vhodná pre aplikácie v reálnom čase. Pochopiť efektívnosť tejto metódy lekárskej kompresie a aplikácie lekárskeho zobrazovania v reálnom čase, ako je telemedicína a online diagnostika. Preto môže byť efektívne pre bezstratovú kompresiu a implementácia pre bezstratovú alebo takmer bezstratovú kompresiu lekárskeho obrazu.

Toto je všetko o fungovaní diferenciálnej pulznej kódovej modulácie. Domnievame sa, že informácie uvedené v tomto článku vám pomôžu lepšie pochopiť tento koncept. Ďalej akékoľvek otázky týkajúce sa tohto článku alebo pomoc pri implementácii elektrické a elektronické projekty , môžete nás kontaktovať komentovaním v sekcii komentárov nižšie. Je tu pre vás otázka, aká je úloha prediktora v technike DPCM?