Дельта - модуляция (ДМ) представляет собой разновидность дифференциальной (разностной) модуляции. При ДМ как и при ИКМ аналоговый сигнал подвергается дискретизации во времени, но кодируется не квантованное значение аналогового сигнала, а знак приращения данного отсчета по отношению к предыдущему за тактовый интервал (период дискретизации). За каждый период дискретизации в линию можно будит передавать, либо - 1, если разность отсчетов U < , где - выбранный шаг квантования, либо + 1, если U < . Таким образом, при выбранном приращении передаются сведения только о его знаке и для этого достаточно передавать один двоичный символ в каждый момент отсчета. Такой способ формирования цифрового сигнала называется классической дельта - модуляцией (ДМ) в отличии от других, более поздних ее разновидностей. Рассмотрим подробнее процесс преобразования аналогового сигнала в импульсную последовательность, а также процесс обратного преобразования при дельта - модуляции. Структурная схема дельта - кодека приведена на рис. 1., а временные диаграммы поясняющие принцип дельта-модуляции на Рис. 2.

Рис. 1. Структурная схема дельта - кодека

Рис. 2. Временные диаграммы получения дельта – кода

В схему кодера входит ФНЧ, ограничивающий спектр частот входного сигнала, дифференциальный усилитель (ДУ), усиливающий разность двух поступающих на его входы сигналов U(t) - U*(t), генератор тактовой частоты (ГТЧ), импульсы с которого поступают на пороговое устройство НУ. Па выходе ПУ возникают импульсы положительной полярности, если на выходе ДУ U(t) - U*(t) > 0, и импульсы отрицательной полярности, если U(t) - U*(t) < 0. В цепь обратной связи включается интегратор с помощью которого осуществляется формирование копии сигнала (аппроксимирующего сигнала) по совокупности кодовых импульсов, поступающих с выхода порогового устройства. После каждого поступившего на вход интегратора положительного импульса, сигнал на выходе (аппроксимирующий сигнал) увеличивается, а при отрицательном - уменьшается на один шаг квантования. Таким образом, на выходе интегратора формируется ступенчатая функция (аппроксимирующее напряжение). Импульсы положительной полярности через диод VD1 и Кл1 поступают на конденсатор и постепенно заряжают его, так что напряжение на конденсаторе имеет вид положительно нарастающих ступенек. Если приходят отрицательные импульсы через диод VD2 и Кл2, напряжение на конденсаторе ступенчато уменьшается.

Рис. 3. Формирование сигнала на выходе интегратора

Кодер работает следующим образом:

В тактовый момент 1 (Рис. 2.) напряжение сигнала U1(t) > 0, так как тактовый импульс еще не появлялся на входе интегратора и, следовательно U*(t) = 0. На выходе ПУ появляется положительный импульс, который на выходе интегратора дает ступенчатое напряжение, постоянное до следующего тактового момента. В тактовый момент 2 напряжение U2(t) > U2*(t), на выходе ПУ опять появляется положительный импульс, который на выходе интегратора дает ступенчатое напряжение, сохраняющееся до следующего тактового импульса. Возрастание ступенчатого напряжения будет происходить до тех пор, пока U(t) > U*(t). В тактовый момент 3 напряжение входного сигнала U(t) < U*(t). Следовательно, разность на выходе ДУ становится отрицательной и ПУ дает отрицательный импульс. В результате на выходе интегратора появляется отрицательный скачок напряжения. В тактовый момент 4U(t) > U*(t) и, следовательно, на выходе интегратора опять возникает положительный скачок напряжения. Таким образом, на выходе интегратора формируется аппроксимирующее ступенчатое напряжение U*(t), а на выходе ПУ формируется дельта-код, который можно посылать в линию передачи.

Дельта - декодер состоит из формирующего устройства ФУ, системы синхронизации (СС), интегратора и ФНЧ. Формирующее устройство восстанавливает искаженную форму импульсного сигнала, который затем поступает на интегратор декодера. Последний работает точно так же, как и интегратор, включенный в цепь обратной связи кодера. На выходе интегратора получается ступенчатое аппроксимирующее напряжение U*(t), которое после ФНЧ преобразуется в непрерывный сигнал U(t). Различие форм пер даваемого сигнала и аппроксимирующего напряжения, формируемого на приеме, определяет сигнал ошибки U(t) - U*(t) (Рис 2.) Составляющие спектра сигнала ошибки, попадающие в полосу частот передаваемого сигнала так же, как и при ИКМ, приводят к появлению шума квантования. Квантование сигналов при ИКМ сопровождается еще и ошибкой ограничения, возникающей в том случае, когда максимальные значения входных сигналов превышают пределы максимальных значений квантующих устройств.

Как видно из Рис. 2. в дельта - модуляции при рассмотренной аппроксимации сигнала на участках резкого изменения крутизны сигнала Тпер ступенчатое напряжение U*(t) с одинаковым шагом приращения не «успевает следить» за изменением сигнала U(t). На этих участках возникают специфические, свойственные способу ДМ искажения передаваемых сигналов - перегрузка по крутизне. Для уменьшения шумов перегрузки при ДМ можно увеличить шаг квантования, но при этом возрастает ошибка квантования, или при том же шаге квантования увеличить тактовую частоту, что приведет к увеличению скорости цифрового потока. Поэтому в рассмотренной здесь классической схеме дельта - модулятора при одинаковых с ИКМ шумах квантования тактовая частота или скорость цифрового потока будит существенно больше. Если в случае ИКМ при кодировании 8 - разрядным кодом одного канала ТЧ тактовая частота fr = 2*4 кГц *8 = 64 кГц, то при ДМ она при тех же шумах квантования должна быть в 2 ... 2.5 раза выше (примерно 150 кГц). По этой причине классическая ДМ практически не используется, а применяются се разновидности.

Требуемую частоту дискретизации можно существенно снизить, вводя переменный шаг квантования, зависящий от скорости (крутизны) изменения сигнала: на участках с большой крутизной шаг квантования должен быть больше, чем на участках где скорость изменения сигнала сравнительно мала. Этот эффект достигается в системах с компандированной дельта - модуляцией. Упрощенная структурная схема кодека с мгновенным компандированием но структуре цифрового потока показана на Рис. 4.

Рис. 4. Структурная схема кодека с мгновенной компрессией по структуре цифрового потока

Схема содержит классический дельта-модулятор, к которому дополнительно подключены амплитудно-импульсный модулятор и импульсный преобразователь ИП. Импульсный преобразователь в зависимости от характеристик двоичной последовательности изменяет величину приращений аппроксимирующего напряжения, для чего используется модулятор. Главным достоинством данного тина мгновенного компандирования является возможность реализации аппаратуры на современных элементах счетной техники, что обеспечивает точное соответствие характеристик компрессии на стороне передачи и экспандирования на стороне приема. Принцип работы такой схемы можно пояснить с помощью временных диаграмм, приведенных на Рис. 5.

Рис. 5. Временные диаграммы работы кодека с мгновенной компрессией по структуре цифрового потока

Импульсный преобразователь анализирует плотность единиц и при комбинациях вида 111 или -1-1-1 на его выходе возникает импульс, который увеличивает амплитуду импульса на выходе модулятора в 2 раза, при этом шаг квантования на выходе интегратора возрастает также в 2 раза. Дельта - декодер работает точно таким же образом, но дополнительно включает в себя схему синхронизации СС и формирователь импульсов ФИ. Использование комиандироваиия позволяет снизить тактовую частоту цифрового потока по сравнению с классической ДМ почти в 4 раза и довести ее до 48 кГц для одного канала ТЧ.

Системы передачи с компандированной дельта - модуляцией (КДМ) характеризуются следующими основными преимуществами перед системами с ИКМ:

1. В системах с КДМ тактовая частота цифрового сигнала, соответствующего одному каналу ТЧ в 1.3 - 1.5 раза меньше, чем в системах с 8 - разрядной ИКМ. Во столько же раз меньше полоса частот занимаемая в линии связи для передачи цифрового линейного сигнала.
2. В системах с КДМ переходные помехи между каналами меньше, т.к. объединение и разделение каналов осуществляется в цифровой форме, в то время как в системах с ИКМ эти операции производятся в импульсной форме.
3. Системы с КДМ менее чувствительны к ошибкам при приеме символов, т.к. почетность декодирования не может превышать шага квантования.

В системах с КДМ при вероятности ошибочною приема символа, равной , качество телефонной связи оказывается вполне удовлетворительным. В системах с ИКМ при передачи телефонных сообщений вероятность ошибочного приема символов не должна превышать .

Основным недостатком КДМ по сравнению с ИКМ является более высокая стоимость оконечного оборудования, т.к. кодеки являются индивидуальными устройствами, в то время как в системах с ИКМ кодеки включаются в групповую часть аппаратуры. Совершенствование элементной базы и интегральных схем сглаживают этот недостаток.

В настоящее время известно несколько десятков видов дельта - модуляции. Наиболее перспективными областями ее применения считаются: абонентские телефонные сети в сочетания их с электронными системами коммутации; радиорелейные, тропосферные и кабельные линии связи; спутниковые системы связи; системы коммутации, телеуправления и промышленного телевидения.

Контрольные вопросы и задания