Funktionsweise und Anwendung der Pulscodemodulation

Die differentielle Pulscodemodulation ist eine analoge Technik zur digitalen Signalumwandlung . Diese Technik tastet das analoge Signal ab und quantisiert dann die Differenz zwischen dem abgetasteten Wert und seinem vorhergesagten Wert und codiert dann das Signal, um einen digitalen Wert zu bilden. Bevor wir uns mit der differentiellen Pulscodemodulation befassen, müssen wir die Nachteile von kennen PCM (Pulscodemodulation) . Die Abtastwerte eines Signals sind stark miteinander korreliert. Der Signalwert von der aktuellen bis zur nächsten Probe unterscheidet sich nicht wesentlich. Die benachbarten Abtastwerte des Signals tragen die gleichen Informationen mit einem kleinen Unterschied. Wenn diese Abtastwerte vom Standard-PCM-System codiert werden, enthält das resultierende codierte Signal einige redundante Informationsbits. Die folgende Abbildung veranschaulicht dies.

Redundante Informationsbits in PCM

Die obige Abbildung zeigt ein fortlaufendes Zeitsignal x (t), das durch eine gepunktete Linie gekennzeichnet ist. Dieses Signal wird durch Flat-Top-Abtastung in Intervallen Ts, 2Ts, 3Ts… nTs abgetastet. Die Abtastfrequenz wird so gewählt, dass sie höher als die Nyquist-Rate ist. Diese Samples werden mit 3-Bit-PCM (7 Ebenen) codiert. Die Abtastwerte werden auf den nächsten digitalen Pegel quantisiert, wie in der obigen Abbildung durch kleine Kreise dargestellt. Der codierte Binärwert jedes Samples wird oben auf die Samples geschrieben. Beachten Sie einfach die obige Abbildung bei Proben, die bei 4Ts, 5Ts und 6Ts entnommen wurden und auf den gleichen Wert von (110) codiert sind. Diese Informationen können nur von einem Abtastwert übertragen werden. Drei Proben, die die gleichen Informationen enthalten, sind jedoch redundant.

Betrachten wir nun die Abtastwerte bei 9Ts und 10Ts. Der Unterschied zwischen diesen Abtastwerten nur aufgrund des letzten Bits und der ersten beiden Bits ist redundant, da sie sich nicht ändern. Also, um den Prozess zu dieser redundanten Information zu machen und eine bessere Ausgabe zu haben. Es ist eine intelligente Entscheidung, einen vorhergesagten Abtastwert, der aus seiner vorherigen Ausgabe angenommen wurde, mit den quantisierten Werten zusammenzufassen. Ein solcher Prozess wird als Differential PCM (DPCM) -Technik bezeichnet.

Prinzip der differentiellen Pulscodemodulation

Wenn die Redundanz verringert wird, verringert sich die Gesamtbitrate und die Anzahl der zur Übertragung eines Abtastwerts erforderlichen Bits verringert sich ebenfalls. Diese Art der digitalen Pulsmodulationstechnik wird als differentielle Pulscodemodulation bezeichnet. Das DPCM arbeitet nach dem Prinzip der Vorhersage. Der Wert der vorliegenden Stichprobe wird aus den vorherigen Stichproben vorhergesagt. Die Vorhersage ist möglicherweise nicht genau, liegt jedoch sehr nahe am tatsächlichen Stichprobenwert.

Differenzielle Pulscodemodulation Sender

Die folgende Abbildung zeigt den DPCM-Sender. Der Sender besteht aus ein Komparator , Quantisierer, Vorhersagefilter und ein Codierer.

Differential Pulse Code Modulator

Das abgetastete Signal wird mit x (nTs) bezeichnet und das vorhergesagte Signal wird mit x ^ (nTs) angezeigt. Der Komparator ermittelt die Differenz zwischen dem tatsächlichen Abtastwert x (nTs) und dem vorhergesagten Wert x ^ (nTs). Dies wird als Signalfehler bezeichnet und als e (nTs) bezeichnet.

e (nTs) = x (nTs) - x ^ (nTs) ……. (1)

Hier wird der vorhergesagte Wert x ^ (nTs) unter Verwendung von erzeugt ein Vorhersagefilter (Signalverarbeitungsfilter) . Das Quantisiererausgangssignal eq (nTs) und die vorherige Vorhersage werden addiert und als Eingabe in das Vorhersagefilter gegeben, dieses Signal wird mit xq (nTs) bezeichnet. Dies bringt die Vorhersage näher an das tatsächlich abgetastete Signal. Das quantisierte Fehlersignal eq (nTs) ist sehr klein und kann unter Verwendung einer kleinen Anzahl von Bits codiert werden. Somit wird die Anzahl der Bits pro Abtastung in DPCM reduziert.

Die Quantisiererausgabe würde geschrieben werden als:

Gleichung (nTs) = e (nTs) + q (nTs) …… (2)

Hier ist q (nTs) ein Quantisierungsfehler. Aus dem obigen Blockdiagramm wird der Vorhersagefiltereingang xq (nTs) durch die Summe von x ^ (nTs) und dem Quantisiererausgang eq (nTs) erhalten.

d.h. xq (nTs) = x ^ (nTs) + eq (nTs). (3)

durch Ersetzen des Wertes von Gleichung (nTs) aus der Gleichung (2) in Gleichung (3) erhalten wir,
xq (nTs) = x ^ (nTs) + e (nTs) + q (nTs) ……. (4)

Gleichung (1) kann geschrieben werden als:

e (nTs) + x ^ (nTs) = x (nTs) ……. (5)

aus den obigen Gleichungen 4 und 5 erhalten wir,

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

Daher ist die quantisierte Version des Signals xq (nTs) die Summe aus dem ursprünglichen Abtastwert und dem quantisierten Fehler q (nTs). Der quantisierte Fehler kann positiv oder negativ sein. Die Ausgabe des Vorhersagefilters hängt also nicht von seinen Eigenschaften ab.

Differenzielle Pulscodemodulation Empfänger

Um das empfangene digitale Signal zu rekonstruieren, besteht der DPCM-Empfänger (in der folgenden Abbildung gezeigt) aus ein Decoder und Vorhersagefilter. In Abwesenheit von Rauschen ist der codierte Empfängereingang der gleiche wie der codierte Senderausgang.

Differenzpulscode-Modulationsempfänger

Wie oben erläutert, nimmt der Prädiktor einen Wert an, der auf den vorherigen Ausgaben basiert. Die dem Decoder gegebene Eingabe wird verarbeitet und diese Ausgabe wird mit der Ausgabe des Prädiktors summiert, um eine bessere Ausgabe zu erhalten. Das heißt, hier rekonstruiert der Decoder zunächst die quantisierte Form des ursprünglichen Signals. Daher unterscheidet sich das Signal am Empfänger vom tatsächlichen Signal durch den Quantisierungsfehler q (nTs), der permanent in das rekonstruierte Signal eingeführt wird.

Anwendungen von DPCM

Die DPCM-Technik verwendete hauptsächlich Sprach-, Bild- und Audiosignalkomprimierung. Das DPCM, das an Signalen mit der Korrelation zwischen aufeinanderfolgenden Proben durchgeführt wird, führt zu guten Kompressionsverhältnissen. In Bildern gibt es eine Korrelation zwischen den benachbarten Pixeln, in Videosignalen besteht die Korrelation zwischen denselben Pixeln in aufeinanderfolgenden Bildern und innerhalb von Bildern (was der Korrelation innerhalb des Bildes entspricht).

Diese Methode eignet sich für Echtzeitanwendungen. Verständnis der Effizienz dieser Methode der medizinischen Kompression und Echtzeitanwendung medizinischer Bildgebung wie Telemedizin und Online-Diagnose. Daher kann es für eine verlustfreie Komprimierung und eine Implementierung für eine verlustfreie oder nahezu verlustfreie medizinische Bildkomprimierung effizient sein.

Hier dreht sich alles um die Funktion der differentiellen Pulscodemodulation. Wir sind der Ansicht, dass die Informationen in diesem Artikel für Sie hilfreich sind, um dieses Konzept besser zu verstehen. Darüber hinaus Fragen zu diesem Artikel oder Hilfe bei der Implementierung Elektro- und Elektronikprojekte können Sie sich an uns wenden, indem Sie im Kommentarbereich unten einen Kommentar abgeben. Hier ist eine Frage an Sie: Welche Rolle spielt der Prädiktor in der DPCM-Technik?