22.5.1. ДЕЛЬТА-МОДУЛЯЦИЯ

Система с дельта-модуляцией, показанная на рис. 22.5.2 [46], осуществляет кодирование с предсказанием в его простейшей форме. Аналоговый видеосигнал с ограниченной полосой частот подается на вход дифференцирующего (вычитающего) устройства. Если разностный сигнал на выходе устройства положителен, то в момент взятия отсчета от тактового генератора поступает положительный импульс стандартной амплитуды; в противном случае этот импульс будет отрицательным. Положительные и отрицательные импульсы передаются по каналу связи в виде двоичных цифр. Одновременно на передающей стороне последовательность импульсов подается в цепь обратной связи на интегратор, воспроизводящий входной сигнал в ступенчатой форме. На приемной стороне последовательность двоичных цифр преобразуется опять в положительные и отрицательные импульсы, интегрирование которых дает восстановленный видеосигнал. Фильтр нижних частот подавляет высокочастотные компоненты, внесенные в видеосигнал процессом кодирования. В этом варианте системы с дельта-модуляцией предсказание основывается на учете только одного предшествующего элемента, а разностный сигнал для каждого элемента квантуется всего лишь на два уровня.

Рис. 22.5.2. Система кодирования с дельта-модуляцией.

Система дельта-модуляции с двумя уровнями квантования для кодирования сигналов разработана исследовательскими лабораториями фирмы «Филипс» (Голландия, 1952 г.) [47]. В 1961 г. Саламан [48] описал систему дельта-модуляции, предназначенную для передачи телевизионных сигналов. Одна из первых экспериментальных систем телевизионной передачи с дельта-модуляцией была разработана Бальдером и Крамером [49]. В этой системе прошли испытания интегрирующие цепи двух типов. Простейшая из них представляла собой одиночную -цепь, другая состояла из нескольких последовательно соединенных -цепей с различными постоянными времени. Полученные при этом результаты достаточно показательны с точки зрения оценки возможностей простейших систем дельта-модуляции с двумя уровнями квантования. В варианте с одиночной интегрирующей -цепью частота отсчетов была установлена с 10-кратным превышением частоты Найквиста. Поскольку дельта-модуляция предполагает затрату 1 дв. ед. на отсчет, для передачи требовалось 10 дв. ед. в пересчете на каждый из элементов изображения, взятых с интервалом Найквиста. Это больше, чем 6—8 дв. ед., которые затрачивает на передачу элемента обычная система ИКМ, так что одиночная интегрирующая цепь приводила к расширению полосы частот. В системе с комбинированной интегрирующей цепью для сохранения того же качества передачи требовалось 4-кратное превышение частоты Найквиста, что сводило расход двоичных цифр к 4 дв. ед./эл.

 

Рис. 22.5.3. Структура сигналов в системе кодирования с дельта-модуляцией.

Рис. 22.5.3 иллюстрирует характерные особенности работы системы с дельта-модуляцией. Чертеж поясняет основную трудность в построении таких систем: если шаг квантования выбирается достаточно малым, чтобы ограничить шум квантования, то крутые склоны видеосигнала удается воспроизвести достаточно точно не иначе, как ценой резкого повышения частоты отсчетов. В случае фиксированной частоты отсчетов остается, таким образом, лишь возможность обменивать уровень шума квантования на степень «перегрузки» системы на склонах.

На рис. 22.5.4 приведены фотоснимки, полученные путем цифрового моделирования процесса дельта-модуляции. В случае когда шаг ступени при воспроизведении яркости составляет 2,5 % от пикового уровня яркости изображения, кодирование сопровождается заметным эффектом перегрузки на склонах. Если же взять другой крайний случай и установить шаг ступени равным 10 % от пикового значения яркости, то на первый план выступает шум, проявляющийся как зернистость изображения. Шаг с относительной величиной 5 % дает приемлемый компромисс между перегрузкой и зернистостью.

Действие кодера в системе дельта-модуляции сводится по существу к дифференцированию видеосигнала, вследствие чего при декодировании возникает необходимость в интегрирующем звене для восстановления среднего уровня яркости исходного изображения. Поскольку интегрирование дельта-импульсов производится после того, как они переданы по каналу связи, возникающие при передаче ошибки ведут к накоплению погрешности воспроизведения яркости в пределах строки. В качестве средства, позволяющего избежать интегрирования на приемной стороне, Инозе и Ясуда [50] предложили систему кодирования с дельта-сигма- модуляцией, показанную на рис. 22.5.5. Как показано на рис. 22.5.5, а, интегратор помещен перед дельта-кодером, а дифференцирующее звено следует за ним. Эта схема, иллюстрирующая общий принцип дельта-сигма-модуляции, может быть сведена к более простой схеме рис. 22.5.5, б путем некоторой перестановки линейных звеньев системы. Показано, что дельта-сигма-модулятор представляет собой особую форму одноразрядного кодера с непосредственной обратной связью [51].

Рис. 22.5.4. Примеры кодирования изображений посредством дельта-модуляции с затратой 1 дв. ед./эл.: — шаг ступенчатого воспроизведения яркости; CKO — среднеквадратическая ошибка воспроизведения яркости. а) оригинал; б) , CKO = 5,71 %: в) , CKO = 2.58 %; г) , CKO = 3.35 %.

Рис. 22.5.5. Система кодирования с дельта-сигма-модуляцией для передачи изображений: а — общий принцип построения системы; б — упрощенная система.

Чтобы подавить эффект перегрузки на склонах, избежав при этом увеличения шума квантования, можно, в частности, перейти к системе дельта-модуляции, где допустимы уже не два, а большее число уровней квантования. Действительно, качество работы многоуровневых дельта-модуляторов повышается, однако достигается это ценой дополнительных усложнений. Следует при этом отметить, что многоуровневая дельта-модуляция представляет собой в действительности частный случай дифференциальной импульсно-кодовой модуляции, рассматриваемой ниже. Другой путь повышения качества работы дельта-модулятора состоит в адаптации дискретной шкалы яркостей по отношению к параметрам видеосигнала в процессе воспроизведения изображения. Адаптивные линейные системы с предсказанием будут рассмотрены в следующем разделе.