Práce a aplikace pulzní kódové modulace

Diferenční pulzní kódová modulace je analogová technika na převod digitálního signálu . Tato technika vzorkuje analogový signál a poté kvantifikuje rozdíl mezi vzorkovanou hodnotou a její predikovanou hodnotou, poté kóduje signál do digitální hodnoty. Než budeme diskutovat o modulaci diferenciálního pulzního kódu, musíme znát nevýhody PCM (pulzní kódová modulace) . Vzorky signálu spolu navzájem silně korelují. Hodnota signálu od současného vzorku k dalšímu se příliš neliší. Sousední vzorky signálu nesou stejnou informaci s malým rozdílem. Když jsou tyto vzorky kódovány standardním systémem PCM, výsledný kódovaný signál obsahuje některé redundantní informační bity. Níže uvedený obrázek to ilustruje.

Redundantní informační bity v PCM

Výše uvedený obrázek ukazuje pokračující časový signál x (t) označený tečkovanou čarou. Tento signál je vzorkován plošným vzorkováním v intervalech Ts, 2Ts, 3Ts ... nTs. Vzorkovací frekvence je zvolena tak, aby byla vyšší než Nyquistova frekvence. Tyto vzorky jsou kódovány pomocí 3bitového (7 úrovní) PCM. Vzorky jsou kvantovány na nejbližší digitální úroveň, jak je znázorněno malými kroužky na výše uvedeném obrázku. Zakódovaná binární hodnota každého vzorku je zapsána na horní část vzorků. Stačí sledovat výše uvedený obrázek u vzorků odebraných při 4T, 5Ts a 6Ts jsou kódovány na stejnou hodnotu (110). Tyto informace lze přenášet pouze jednou hodnotou vzorku. Ale tři vzorky nesou stejné informace, což znamená nadbytečné.

Nyní pojďme zvážit vzorky na 9T a 10Ts, rozdíl mezi těmito vzorky pouze kvůli poslední bit a první dva bity jsou nadbytečné, protože se nemění. Takže, aby byl tento proces nadbytečnými informacemi a měl lepší výstup. Je to inteligentní rozhodnutí vzít předpokládanou hodnotu vzorku, převzatou z jejího předchozího výstupu, a shrnout je s kvantovanými hodnotami. Takový proces se nazývá technika diferenciálního PCM (DPCM).

Princip diferenciální pulzní kódové modulace

Pokud se redundance sníží, sníží se celková bitrate a sníží se také počet bitů potřebných k přenosu jednoho vzorku. Tento typ digitální pulzní modulační techniky se nazývá diferenční pulzní kódová modulace. DPCM funguje na principu predikce. Hodnota současného vzorku je předpovězena z předchozích vzorků. Predikce nemusí být přesná, ale je velmi blízká skutečné hodnotě vzorku.

Diferenční pulzní kódová modulace Vysílač

Níže uvedený obrázek ukazuje vysílač DPCM. Vysílač se skládá z komparátor , kvantizátor, filtr predikce a kodér.

Modulátor diferenciálního pulzního kódu

Vzorkovaný signál je označen x (nTs) a predikovaný signál je označen x ^ (nTs). Komparátor zjistí rozdíl mezi skutečnou hodnotou vzorku x (nTs) a predikovanou hodnotou x ^ (nTs). Tomu se říká chyba signálu a označuje se jako e (nTs)

e (nTs) = x (nTs) - x ^ (nTs) ……. (1)

Zde se předpokládaná hodnota x ^ (nTs) vytvoří pomocí filtr predikce (filtr zpracování signálu) . Kvantizační výstupní signál eq (nTs) a předchozí predikce jsou přidány a uvedeny jako vstup do predikčního filtru, tento signál je označen xq (nTs). Díky tomu se předpověď blíží skutečně vzorkovanému signálu. Kvantovaný chybový signál eq (nTs) je velmi malý a lze jej kódovat pomocí malého počtu bitů. Počet bitů na vzorek je tak v DPCM snížen.

Výstup kvantizátoru by byl zapsán jako,

eq (nTs) = e (nTs) + q (nTs) …… (2)

Zde q (nTs) je chyba kvantování. Z výše uvedeného blokového diagramu se vstup predikčního filtru xq (nTs) získá součtem x ^ (nTs) a výstupu kvantizátoru eq (nTs).

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

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

Rovnici (1) lze psát jako,

e (nTs) + x ^ (nTs) = x (nTs) ……. (5)

z výše uvedených rovnic 4 a 5 dostaneme,

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

Proto je kvantovaná verze signálu xq (nTs) součtem původní hodnoty vzorku a kvantované chyby q (nTs). Kvantovaná chyba může být kladná nebo záporná. Výstup predikčního filtru tedy nezávisí na jeho charakteristikách.

Diferenční pulzní kódová modulace Přijímač

Za účelem rekonstrukce přijímaného digitálního signálu se skládá přijímač DPCM (zobrazený na následujícím obrázku) dekodér a filtr predikce. Při absenci šumu bude vstup kódovaného přijímače stejný jako výstup kódovaného vysílače.

Přijímač diferenční pulzní kódové modulace

Jak jsme diskutovali výše, prediktor přebírá hodnotu na základě předchozích výstupů. Vstup zadaný dekodéru se zpracuje a tento výstup se sečte s výstupem prediktoru, aby se získal lepší výstup. To znamená, že nejdříve dekodér rekonstruuje kvantovanou formu původního signálu. Signál na přijímači se proto liší od skutečného signálu chybou kvantizace q (nTs), která je trvale zavedena do rekonstruovaného signálu.

Aplikace DPCM

Technika DPCM využívala hlavně kompresi řeči, obrazu a zvuku. DPCM prováděný na signálech s korelací mezi po sobě následujícími vzorky vede k dobrým kompresním poměrům. V obrazech existuje korelace mezi sousedními pixely, ve video signálech je korelace mezi stejnými pixely v po sobě jdoucích snímcích a uvnitř snímků (což je stejné jako korelace uvnitř obrazu).

Tato metoda je vhodná pro aplikace v reálném čase. Pochopit účinnost této metody lékařské komprese a aplikace lékařského zobrazování v reálném čase, jako je telemedicína a online diagnostika. Proto může být efektivní pro bezztrátovou kompresi a implementaci pro bezztrátovou nebo téměř bezztrátovou kompresi lékařského obrazu.

Jedná se o fungování diferenciální pulzní kódové modulace. Domníváme se, že informace uvedené v tomto článku vám pomohou lépe porozumět tomuto konceptu. Dále jakékoli dotazy týkající se tohoto článku nebo pomoc při implementaci elektrické a elektronické projekty , můžete nás kontaktovat komentováním v sekci komentářů níže. Zde je otázka, jaká je role prediktoru v technice DPCM?