RU2446558C1 - Method of differential pulse-code modulation-demodulation of signals - Google Patents

Method of differential pulse-code modulation-demodulation of signals Download PDF

Info

Publication number
RU2446558C1
RU2446558C1 RU2011103381/08A RU2011103381A RU2446558C1 RU 2446558 C1 RU2446558 C1 RU 2446558C1 RU 2011103381/08 A RU2011103381/08 A RU 2011103381/08A RU 2011103381 A RU2011103381 A RU 2011103381A RU 2446558 C1 RU2446558 C1 RU 2446558C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
signal
information signal
coefficients
block
signals
Prior art date
Application number
RU2011103381/08A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Анна Валерьевна Хуторцева (RU)
Анна Валерьевна Хуторцева
Original Assignee
Анна Валерьевна Хуторцева
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Анна Валерьевна Хуторцева filed Critical Анна Валерьевна Хуторцева
Priority to RU2011103381/08A priority Critical patent/RU2446558C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2446558C1 publication Critical patent/RU2446558C1/en

Links

Images

Landscapes

  • Compression, Expansion, Code Conversion, And Decoders (AREA)

Abstract

FIELD: electricity.
SUBSTANCE: method of differential pulse-code modulation - demodulation of signals consisting in quantisation of error signals, their coding and recovery of quantised error signals after transfer in a channel, at the same time for each interval of time [ti, ti+1], ti+1>ti, i=0, 1, 2, … forecasting of spline-approximation coefficients of an information signal is done, they are confirmed by recovered quantised error signals, a recovered information signal is generated by confirmed estimates of coefficients in the form of a continuous spline process.
EFFECT: improved noise immunity of signals transfer and reception.

Description

Объектом изобретения является способ дифференциальной импульсно-кодовой модуляции - демодуляции (ДИКМД) сигналов. Предлагаемый способ относится к радиотехнике и связи, поскольку класс задач модуляции-демодуляции этого типа составляет основу организации передачи и приема сигналов во многих цифровых как радиотехнических, так и проводных информационных системах.The object of the invention is a method of differential pulse code modulation - demodulation (DIKMD) signals. The proposed method relates to radio engineering and communication, since the class of modulation-demodulation problems of this type forms the basis for the organization of the transmission and reception of signals in many digital radio and wired information systems.

Известен способ ДИКМД сигналов [1]. Его недостатком является ориентированность на работу с незашумленными информационными процессами. Если наблюдаемый сигнал представляет из себя сумму информационного сигнала и шумовой (как правило, широкополосной) помехи, то для использования такого способа необходимо предусмотреть специальные меры по проведению предварительной фильтрации. Сам способ не обеспечивает снижение дисперсии помехи при восстановлении сигнала на приемной стороне.A known method of DIKMD signals [1]. Its disadvantage is the focus on working with noiseless information processes. If the observed signal is the sum of the information signal and the noise (usually broadband) noise, then to use this method it is necessary to provide special measures for preliminary filtering. The method itself does not provide a reduction in the variance of the interference when restoring the signal at the receiving side.

Известен также способ ДИКМД [2], заключающийся в формировании последовательности отсчетов информационного сигнала на основании его дискретизации с частотой

Figure 00000001
, предсказании с шагом h их оценок, формировании сигналов ошибки путем вычитания из отсчетов информационного сигнала их предсказанных оценок, квантовании сигналов ошибки, их кодировании, восстановлении квантованных сигналов ошибки после передачи в канале, предсказании оценок отсчетов информационного сигнала на приемной стороне, уточнении этих оценок по принятым квантованным сигналам ошибки, формировании восстанавливаемого непрерывного информационного сигнала по уточненным оценкам отсчетов.There is also a known method of DICMD [2], which consists in the formation of a sequence of samples of an information signal based on its sampling with a frequency
Figure 00000001
, predicting their estimates with step h, generating error signals by subtracting their predicted estimates from the information signal samples, quantizing error signals, coding them, reconstructing quantized error signals after transmission in the channel, predicting estimates of the information signal samples on the receiving side, refining these estimates by received quantized error signals, the formation of a restored continuous information signal according to updated estimates of the samples.

Он также ориентирован на обработку незашумленных информационных сигналов, когда последние наблюдаются непосредственно, а не на фоне помех. Для наблюдаемого процесса, представляющего композицию информационного сигнала и шума, этот способ не позволяет снижать влияние помехи на восстанавливаемый на приемной стороне информационный процесс. Действительно, при формировании сигнала ошибки предсказанные отсчеты информационного сигнала вычитаются из наблюдаемого сигнала (композиции информационного процесса и шума). В результате сигнал ошибки помимо информационной содержит еще и помеховую составляющую с дисперсией, определяемой дисперсией входного шума.It is also focused on processing noisy information signals when the latter are observed directly, and not against the background of interference. For the observed process, representing the composition of the information signal and noise, this method does not allow to reduce the influence of interference on the information process restored on the receiving side. Indeed, when generating the error signal, the predicted samples of the information signal are subtracted from the observed signal (composition of the information process and noise). As a result, the error signal, in addition to the information one, also contains an interfering component with a dispersion determined by the dispersion of the input noise.

В результате входная помеха практически без изменения передается на приемную сторону.As a result, the input interference is transmitted almost unchanged to the receiving side.

Цель изобретения: повышение помехоустойчивости за счет совмещения процессов дифференциальной импульсно-кодовой модуляции-демодуляции и фильтрации на основе общей для этих двух классов задач процедуры предсказания оценок сигналов.The purpose of the invention: improving noise immunity by combining processes of differential pulse-code modulation-demodulation and filtering based on a common procedure for predicting signal estimates for these two classes of problems.

Сущность изобретения основана на использовании в задаче ДИКМД кусочно-полиномиального (сплайнового) представления оценок информационного сигнала. Такое описание адекватно отражает процесс импульсно-кодовой модуляции-демодуляции, подразумевающий преобразование непрерывного сигнала в дискретный и дискретного - в непрерывный.The essence of the invention is based on the use in the task DIKMD piecewise polynomial (spline) representation of the estimates of the information signal. Such a description adequately reflects the process of pulse-code modulation-demodulation, which implies the conversion of a continuous signal into a discrete and discrete into a continuous one.

Сущность изобретения состоит в следующем. Для каждого интервала времени [ti, ti+1], ti+1>ti i=0, 1, 2, … проводится предсказание коэффициентов сплайн-аппроксимации информационного сигнала. С их помощью на каждом интервале времени [ti, ti+1], i=0, 1, 2, … генерируется оценка этого сигнала в виде процесса, меняющегося по полиномиальному закону. Полученная оценка вычитается из входного сигнала. Результаты вычитания усредняются на [ti, ti+1], i=0, 1, 2, …. Результаты этого усреднения, служащие сигналами ошибки, используются для уточнения предсказанных оценок коэффициентов сплайн-аппроксимации. Сигналы ошибки квантуются, кодируются и передаются в канал. После передачи в канале на приемной стороне квантованные сигналы ошибки восстанавливаются. Для каждого интервала времени [ti, ti+1], i=0, 1, 2, … проводится предсказание оценок коэффициентов сплайн-аппроксимации восстанавливаемого информационного сигнала и их уточнение по восстановленным квантованным сигналам ошибки. По уточненным оценкам коэффициентов генерируется восстанавливаемый информационный сигнал в виде непрерывного кусочно-полиномиального процесса.The invention consists in the following. For each time interval [t i , t i + 1 ], t i + 1 > t i i = 0, 1, 2, ..., the coefficients of spline approximation of the information signal are predicted. With their help, at each time interval [t i , t i + 1 ], i = 0, 1, 2, ... an estimate of this signal is generated in the form of a process that varies according to the polynomial law. The resulting score is subtracted from the input signal. Subtraction results are averaged over [t i , t i + 1 ], i = 0, 1, 2, .... The results of this averaging, which serve as error signals, are used to refine the predicted estimates of the coefficients of the spline approximation. Error signals are quantized, encoded, and transmitted to the channel. After transmission in the channel at the receiving side, the quantized error signals are restored. For each time interval [t i , t i + 1 ], i = 0, 1, 2, ..., prediction of the coefficients of the spline approximation coefficients of the restored information signal and their refinement based on the restored quantized error signals are carried out. According to refined estimates of the coefficients, a reconstructed information signal is generated in the form of a continuous piecewise polynomial process.

Сравнительный анализ заявляемого способа и описанного способа ДИКМД показывает следующие существенные отличия заявляемого способа.A comparative analysis of the proposed method and the described method DIKMD shows the following significant differences of the proposed method.

Этап модуляции.Modulation stage.

1. Предсказание информационного сигнала осуществляется в два этапа:1. The prediction of the information signal is carried out in two stages:

- по априорным данным об информационном сигнале для каждого интервала времени [ti, ti+1], i=0, 1, 2, … проводится экстраполяция коэффициентов его сплайнового представления;- according to a priori information about the information signal for each time interval [t i , t i + 1 ], i = 0, 1, 2, ..., the coefficients of its spline representation are extrapolated;

- по этим коэффициентам на каждом интервале времени [ti, ti+1], i=0, 1, 2, … осуществляется предсказание оценки сплайн-аппроксимации информационного сигнала.- according to these coefficients on each time interval [t i , t i + 1 ], i = 0, 1, 2, ... prediction of the spline approximation of the information signal is carried out.

В результате предсказывается не мгновенное значение оценки информационного сигнала, как в известном способе, а его непрерывная на [ti, ti+1] оценка, в виде процесса, меняющегося по полиномиальному закону.As a result, it is not the instantaneous value of the evaluation of the information signal that is predicted, as in the known method, but its continuous assessment on [t i , t i + 1 ], in the form of a process that varies according to the polynomial law.

2. Сигнал ошибки формируется путем вычитания на каждом интервале [ti, ti+1] из входного сигнала предсказанной для этого интервала оценки информационного сигнала и усреднения на [ti, ti+1] полученной разности.2. An error signal is generated by subtracting at each interval [t i , t i + 1 ] from the input signal the estimate of the information signal predicted for this interval and averaging the obtained difference on [t i , t i + 1 ].

В результате в отличие от известного способа сигнал ошибки определяется не для мгновенных значений наблюдаемого сигнала и предсказанной оценки информационного сигнала, а на основании операции усреднения, т.е. сигнал ошибки носит интегральный характер.As a result, unlike the known method, the error signal is determined not for the instantaneous values of the observed signal and the predicted estimate of the information signal, but based on the averaging operation, i.e. the error signal is integral.

Этап демодуляции.Stage of demodulation.

1. По априорным данным об информационном сигнале осуществляется предсказание оценок коэффициентов его сплайн-аппроксимации.1. According to a priori data on the information signal, the estimates of the coefficients of its spline approximation are predicted.

2. Предсказанные значения оценок коэффициентов уточняются на основании принятого квантованного сигнала ошибки.2. The predicted values of the coefficient estimates are refined based on the received quantized error signal.

3. По уточненным коэффициентам сплайн-аппроксимации генерируется восстанавливаемый непрерывный информационный сигнал в виде кусочно-полиномиального процесса.3. Based on the adjusted coefficients of the spline approximation, a restored continuous information signal is generated in the form of a piecewise polynomial process.

Поскольку восстановление информационного сигнала основано на использовании усредненного по времени сигнала ошибки, влияние помехи, содержащейся в наблюдаемом процессе, существенно ослабляется.Since the restoration of the information signal is based on the use of a time-averaged error signal, the influence of the noise contained in the observed process is significantly attenuated.

Теоретическое обоснование способа дифференциальной импульсно-кодовой модуляции - демодуляции сигналов.Theoretical basis of the method of differential pulse code modulation - signal demodulation.

При решении задач ДИКМД, как правило, исходят из предположения о том, что информационный сигнал наблюдается непосредственно без шумов. Однако на практике часто встречаются ситуации, когда входной сигнал представляет из себя композицию (как правило, аддитивную) информационного сигнала и помехи (обычно широкополосной). В этом случае вначале необходимо решение задачи фильтрации, а уже потом модуляции.In solving the problems of DIKMD, as a rule, they proceed from the assumption that the information signal is observed directly without noise. However, in practice, there are often situations when the input signal is a composition (usually additive) of the information signal and interference (usually broadband). In this case, first you need to solve the filtering problem, and only then modulation.

Вместе с тем, как процедура дифференциальной импульсно-кодовой модуляции (цифрового кодирования с предсказанием), так и процедура фильтрации, предполагают реализацию операции предсказания или экстраполяции оценки информационного сигнала [1, 2, 3].At the same time, both the differential pulse code modulation (digital prediction coding) procedure and the filtering procedure involve the implementation of the prediction or extrapolation of the information signal estimation [1, 2, 3].

Это дает возможность объединить фильтрацию и ДИКМД на основе общей процедуры предсказания. В результате дифференциальный импульсно-кодовый модулятор приобретает свойства фильтра и позволяет снизить влияние помех, содержащихся во входном сигнале, на сигнал, восстанавливаемый на приемной стороне.This makes it possible to combine filtering and DICMD based on a common prediction procedure. As a result, the differential pulse-code modulator acquires the properties of a filter and allows to reduce the influence of noise contained in the input signal on the signal restored at the receiving side.

Исходя из специфики ДИКМД, состоящей в дискретизации с заданной частотой непрерывного сигнала, необходимо использовать класс моделей, обладающих непрерывно-дискретной структурой. Наиболее эффективным в этом классе является аппарат сплайн-функций.Based on the specifics of DIKMD, which consists in sampling with a given frequency of a continuous signal, it is necessary to use a class of models with a continuously discrete structure. The most effective in this class is the apparatus of spline functions.

Обычно информационный сигнал λ1(t) рассматривается как компонента векторного процесса λ(t)∈Rm [3], удовлетворяющего дифференциальному уравнениюUsually, the information signal λ 1 (t) is considered as a component of the vector process λ (t) ∈R m [3] satisfying the differential equation

Figure 00000002
Figure 00000002

где A∈Rm×m; nλ∈Rr; g∈Rm×r; nλ(t) - векторный формирующий гауссовский шум; М[nλ(t)]=0;

Figure 00000003
; λT(t)=[λ1(t),λ2(t),…,λn(t)]; Nλ∈Rr×r - диагональная матрица. Примерами, иллюстрирующими (1), могут служить [3]:where A∈R m × m ; n λ ∈R r ; g∈R m × r ; n λ (t) is the vector forming Gaussian noise; M [n λ (t)] = 0;
Figure 00000003
; λ T (t) = [λ 1 (t), λ 2 (t), ..., λ n (t)]; N λ ∈R r × r is the diagonal matrix. Examples illustrating (1) can serve [3]:

- модель речевого сообщения λ1(t), являющаяся компонентой марковского процесса- voice message model λ 1 (t), which is a component of the Markov process

Figure 00000004
Figure 00000004

где α1, α2 - константы, определяющие ширину полосы частот λ1(t);where α 1 , α 2 - constants that determine the frequency bandwidth λ 1 (t);

- модель телеметрического сообщения λ1(t), определяемого уравнениями- telemetry message model λ 1 (t) defined by equations

Figure 00000005
Figure 00000005

- модель узкополосного сообщения λ1(t), соответствующая системе- narrowband communication model λ 1 (t) corresponding to the system

Figure 00000006
Figure 00000006

где χ=const>0 и др.where χ = const> 0, etc.

Рассмотрим наблюдаемый сигнал, который связан с информационным соотношениемConsider the observed signal, which is associated with the information ratio

Figure 00000007
Figure 00000007

где n(t) - гауссовская широкополосная помеха, у которой M[n(t)]=0; M[n(t)n(t-τ)]=N0δ(τ).where n (t) is a Gaussian broadband interference for which M [n (t)] = 0; M [n (t) n (t-τ)] = N 0 δ (τ).

Для определения последовательности операций, соответствующих ДИКМД информационного сигнала λ1(t), наблюдаемого на фоне шума в соответствии с (5), воспользуемся принципами фильтрации.To determine the sequence of operations corresponding to the DICMD of the information signal λ 1 (t) observed against the background of noise in accordance with (5), we use the principles of filtering.

Процедура фильтрации процесса (1) (а следовательно, и его компоненты λ1(t)) имеет вид [3]The filtering procedure of process (1) (and therefore its components λ 1 (t)) has the form [3]

Figure 00000008
Figure 00000009
Figure 00000008
Figure 00000009

где К - матрица весовых коэффициентов, определяемая как результат решения матричного алгебраического уравненияwhere K is the matrix of weight coefficients, defined as the result of solving the matrix algebraic equation

Figure 00000010
Figure 00000010

H∈Rm; h=[1.0…0]H∈R m ; h = [1.0 ... 0]

Введем на временной оси две сеткиWe introduce two grids on the time axis

Figure 00000011
Figure 00000011

Figure 00000012
Figure 00000012

где ti+1-ti=h;

Figure 00000013
, i=-2, -1, 0, 1, ….where t i + 1 -t i = h;
Figure 00000013
, i = -2, -1, 0, 1, ....

Рассмотрим интервал времени [ti, ti+h], i=0, 1, 2, … Для него представим оценку λ*(t) в виде векторной параболической сплайн-функции [4]Consider the time interval [t i , t i + h], i = 0, 1, 2, ... For it, we represent the estimate λ * (t) in the form of a vector parabolic spline function [4]

Figure 00000014
Figure 00000014

где Si - параболический вектор-сплайн дефекта 1;where S i - parabolic vector-spline defect 1;

bi∈(i=-1, 0, 1, …) - вектор коэффициентов сплайна.b i ∈ (i = -1, 0, 1, ...) is the vector of spline coefficients.

Выбор параболических сплайн-функций обусловлен компромиссом между точностью представления аппроксимируемых процессов и сложностью их реализации.The choice of parabolic spline functions is due to a compromise between the accuracy of the representation of the approximated processes and the complexity of their implementation.

Представим (6) в терминах (9). В результате для t∈[ti, ti+h] получим:We represent (6) in terms of (9). As a result, for t∈ [t i , t i + h] we get:

- предсказанные (экстраполированные) оценки коэффициентов сплайн-аппроксимации информационного сигнала- predicted (extrapolated) estimates of the coefficients of spline approximation of the information signal

Figure 00000015
Figure 00000015

где

Figure 00000016
Figure 00000017
,Where
Figure 00000016
Figure 00000017
,

I - единичная матрица (m×m);I is the identity matrix (m × m);

- предсказанную (экстраполированную) оценку информационного сигнала в виде процесса, меняющегося по полиномиальному (в данном случае параболическому) закону- the predicted (extrapolated) estimate of the information signal in the form of a process that varies according to the polynomial (in this case, parabolic) law

Figure 00000018
Figure 00000018

где b1 - первый элемент вектора b;where b 1 is the first element of the vector b;

- усредненный сигнал ошибки- average error signal

Figure 00000019
Figure 00000019

- уточненное значение вектора

Figure 00000020
- refined value of the vector
Figure 00000020

Figure 00000021
Figure 00000021

где

Figure 00000022
.Where
Figure 00000022
.

Отметим, что начальные условия в (10) определяются из начальных условий в (6).Note that the initial conditions in (10) are determined from the initial conditions in (6).

Совокупность операций (10)-(13), дополненная квантованием сигнала ошибки δi→δквi; и его кодированием, составляют сущность дифференциальной импульсно-кодовой модуляции, лежащую в основе заявляемого способа ДИКМД.The set of operations (10) - (13), supplemented by quantization of the error signal δ i → δ qi ; and its encoding, constitute the essence of differential pulse-code modulation, which lies at the heart of the proposed method DIKMD.

Процесс демодуляции основан на (10)-(13) и состоит в следующем:The demodulation process is based on (10) - (13) and consists in the following:

проводят предсказание оценок коэффициентов сплайн-аппроксимации информационного сигнала на приемной сторонеpredicting estimates of the coefficients of spline approximation of the information signal at the receiving side

Figure 00000023
Figure 00000023

- на основании полученного после декодирования значения δквi оценку

Figure 00000024
уточняют- based on the δ qi value obtained after decoding, the estimate
Figure 00000024
specify

Figure 00000025
Figure 00000025

- по значениям коэффициентов

Figure 00000026
,
Figure 00000027
,
Figure 00000028
на [ti, ti+h] восстанавливают непрерывный информационный сигнал- by the values of the coefficients
Figure 00000026
,
Figure 00000027
,
Figure 00000028
on [t i , t i + h] restore the continuous information signal

Figure 00000029
Figure 00000029

Отметим, что в силу сплайнового представления восстановленный информационный сигнал вместе с его первыми производными является непрерывным на всем интервале времени своего существования.Note that, due to the spline representation, the reconstructed information signal, together with its first derivatives, is continuous over the entire time interval of its existence.

Результаты вычислительного экспериментаComputing Experiment Results

Рассмотрим пример ДИКМД применительно к узкополосному сообщению λ1(t), определяемому моделью (4). В среде MathCAD был проведен вычислительный эксперимент по дифференциальной импульсно-кодовой модуляции-демодуляции, основанной на операциях (10)-(16) для наблюдаемого сигнала, заданного (5).Let us consider an example of a DICMD as applied to a narrow-band message λ 1 (t) defined by model (4). In the MathCAD environment, a computational experiment was conducted on differential pulse-code modulation-demodulation based on operations (10) - (16) for the observed signal specified by (5).

Полагалось, что α=1200, χ=2·104, Nλ=10-7, N0=109, t∈[0,T],It was assumed that α = 1200, χ = 2 · 10 4 , N λ = 10 -7 , N 0 = 10 9 , t∈ [0, T],

Т=0.1, h=(4, 8, 10, 16, 20, 25, 32)·10-6. Все параметры приведены в безразмерных единицах.T = 0.1, h = (4, 8, 10, 16, 20, 25, 32) · 10 -6 . All parameters are given in dimensionless units.

Значения λ1(t) и λ2(t) определялись из численного решения уравнения (4) в соответствии со схемой Эйлера и шагом Δt=5·10-7.The values of λ 1 (t) and λ 2 (t) were determined from the numerical solution of equation (4) in accordance with the Euler scheme and the step Δt = 5 · 10 -7 .

Формирование nλ(t) в (4) и n(t) в (5) проводилось с помощью датчиков нормально распределенных случайных чисел. Число уровней квантования при переходе δi(t)→δквi(t) полагалось равным М=15, 31. Ошибки квантования задавались с помощью датчика равномерно распределенных случайных чисел. На Фигуре 1 представлен фрагмент информационного сигнала λ1(t). На Фигуре 2 представлены фрагменты информационного λ1(t) и наблюдаемого y(t) сигналов. Очевидно, что применять непосредственно к y(t) способы ДИКМД, рассмотренные в [1, 2], нельзя. На Фигуре 3 показаны фрагменты информационного сигнала λ1(t) и сигнала

Figure 00000030
, восстановленного на приемной стороне (М=31, h=20·10-6). Они оказываются достаточно близкими. Для оценки степени этой близости, то есть качества предлагаемого способа ДИКМД, был проведен расчет зависимости относительной дисперсии оценки восстановленного на приемной стороне процесса
Figure 00000031
The formation of n λ (t) in (4) and n (t) in (5) was carried out using sensors of normally distributed random numbers. The number of quantization levels during the transition δ i (t) → δ qi (t) was assumed to be M = 15, 31. Quantization errors were set using a sensor of uniformly distributed random numbers. The Figure 1 presents a fragment of the information signal λ 1 (t). The Figure 2 presents fragments of information λ 1 (t) and the observed y (t) signals. Obviously, it is impossible to apply the DIKMD methods considered in [1, 2] directly to y (t). The Figure 3 shows fragments of the information signal λ 1 (t) and signal
Figure 00000030
restored on the receiving side (M = 31, h = 20 · 10 -6 ). They are quite close. To assess the degree of this proximity, that is, the quality of the proposed DIKMD method, the dependence of the relative variance of the estimate restored on the receiving side of the process was calculated
Figure 00000031

Figure 00000032
Figure 00000032

где

Figure 00000033
, U=T/Δt,
Figure 00000034
, λ1j1(jΔt),
Figure 00000035
- априорная дисперсия λ1(t)Where
Figure 00000033
, U = T / Δt,
Figure 00000034
, λ 1j = λ 1 (jΔt),
Figure 00000035
- a priori dispersion λ 1 (t)

от шага h (Фигура 4) при М=15 (кривая 1) и М=31 (кривая 2). Кривая 3 на этом же графике характеризует зависимость от h относительной дисперсии оценки информационного сигнала, который может быть сформирован на передающей стороне в соответствии с соотношениемfrom step h (Figure 4) at M = 15 (curve 1) and M = 31 (curve 2). Curve 3 on the same graph characterizes the dependence of the relative variance of the estimate of the information signal, which can be formed on the transmitting side, in accordance with the relation

Figure 00000036
Figure 00000036

Она является нижней гранью, к которой стремятся зависимости (17) по мере роста М. Из графиков следует, что для каждого М может быть выбрана оптимальная величина hопт шага сплайн-аппроксимации, обеспечивающая минимальное значение погрешности восстановления информационного сигнала. Вогнутый характер кривых 1, 2 обусловлен, с одной стороны, снижением точности сплайн-аппроксимации по мере роста h, а с другой - увеличением по мере уменьшения шага h влияния на точность оценки

Figure 00000037
ошибок квантования.It is the lower bound to which the dependences (17) tend to as M. grows. From the graphs it follows that for each M the optimal value h opt of the spline approximation step can be chosen, which ensures the minimum value of the error in reconstructing the information signal. The concave nature of curves 1, 2 is due, on the one hand, to a decrease in the accuracy of the spline approximation with increasing h, and on the other hand, to an increase in the decrease in the step h, the effect on the estimation accuracy
Figure 00000037
quantization errors.

Определим - насколько возрастает помехоустойчивость предлагаемого способа ДИКМД по сравнению со способом-прототипом [2]. Еще раз отметим, что при использовании способа-прототипа шумовая составляющая, содержащаяся в наблюдаемом сигнале (6), не подавляется. В условиях примера ее дисперсия составляет (см. Фиг.2)Determine - how the noise immunity of the proposed method DIKMD increases compared with the prototype method [2]. Once again, we note that when using the prototype method, the noise component contained in the observed signal (6) is not suppressed. In the conditions of the example, its dispersion is (see Figure 2)

Figure 00000038
Figure 00000038

Дисперсия оценки восстанавливаемого сигнала для h=hопт=1,6·105, М=31 оказалось равной (см. Фиг.4, кривая 2)The variance of the estimated signal recovery for h = h opt = 1.6 · 10 5 , M = 31 turned out to be equal (see Figure 4, curve 2)

Figure 00000039
Figure 00000039

где

Figure 00000040
(см. Фиг.1).Where
Figure 00000040
(see Figure 1).

Относительный выигрыш в помехоустойчивости составилThe relative gain in noise immunity was

Figure 00000041
Figure 00000041

Полученный выигрыш обусловлен наличием в процедуре формирования сигнала ошибки операции усреднения (12), обеспечивающей существенное снижение влияния на качество восстановления сигнала широкополосной помехи, на фоне которой наблюдается информационный сигнал.The gain is due to the presence of an averaging operation error (12) in the signal generation procedure, which provides a significant reduction in the influence on the quality of signal recovery of broadband interference, against which an information signal is observed.

Структурная схема устройства, реализующего способ ДИКМД, представлена на Фигуре 5.The structural diagram of a device that implements the method DIKMD, presented in Figure 5.

На Фигуре 5 использованы следующие обозначения: 1 - первый сумматор; 2 - генератор предсказываемой оценки сигнала; 3 - блок вычитания; 4 - блок усреднения; 5 - блок выборки-хранения; 6 - аналого-цифровой преобразователь (АЦП); 7 - канал связи; 8 - цифроаналоговый преобразователь; 9 - второй блок определения поправки; 10 - третий сумматор; 11 - генератор восстановленной оценки сигнала; 12 - второй блок преобразования; 13 - четвертый сумматор; 14 - второй блок задержки; 15 - четвертый блок задержки; 16 - первый блок преобразования; 17 - третий блок преобразования; 18 - первый блок задержки; 19 - третий блок задержки; 20 - второй сумматор; 21 - первый блок определения поправки; 22 - четвертый блок преобразования.In Figure 5, the following notation is used: 1 — first adder; 2 - a predicted signal estimation generator; 3 - block subtraction; 4 - averaging unit; 5 - block sampling-storage; 6 - analog-to-digital Converter (ADC); 7 - communication channel; 8 - digital-to-analog converter; 9 - the second block determining the amendment; 10 - the third adder; 11 - generator restored signal estimates; 12 - second conversion unit; 13 - the fourth adder; 14 - second block delay; 15 - the fourth block delay; 16 is a first conversion unit; 17 - the third conversion unit; 18 - the first block delay; 19 - the third block delay; 20 - second adder; 21 is a first amendment determination unit; 22 is a fourth conversion unit.

Входной сигнал поступает на вход 32 блока вычитания 3. На вход 31 этого же блока подается предсказываемая оценка информационного сигнала в виде полиномиального на каждом интервале времени [ti, ti+h] процесса. Эта оценка формируется в генераторе 2 предсказываемой оценки сигнала на основании i-го (выход первого блока задержки 18) (i-1)-го (выход второго блока задержки 14) и (i+1)-го предсказанного (выход первого сумматора 1) коэффициентов сплайн-аппроксимации. Указанные коэффициенты подаются соответственно на входы 23, 22 и 21 блока 2. Экстраполяция (предсказание) (i+1)-го коэффициента проводится путем суммирования в сумматоре 1 i-го коэффициента сплайн-аппроксимации, преобразованного в первом блоке преобразования 16 и (i-1)-го коэффициента преобразованного во втором блоке преобразования 12. Указанные блоки реализуют операции умножения вектора на матрицы, соответствующие процедуре (10).The input signal is fed to the input 3 2 of the subtraction block 3. At the input 3 1 of the same block, a predicted estimate of the information signal is supplied as a polynomial process at each time interval [t i , t i + h]. This estimate is generated in the generator 2 of the predicted signal estimate based on the i-th (output of the first delay unit 18) (i-1) -th (output of the second delay unit 14) and (i + 1) -th predicted (output of the first adder 1) spline approximation coefficients. The indicated coefficients are fed respectively to the inputs 2 of 3 , 2 2, and 2 1 of block 2. The extrapolation (prediction) of the (i + 1) -th coefficient is carried out by summing in the adder 1 the i-th coefficient of the spline approximation converted in the first transform block 16 and the (i-1) th coefficient of the transform converted in the second block 12. These blocks implement the operations of multiplying the vector by matrices corresponding to procedure (10).

В блоке 3 для каждого интервала [ti, ti+h] формируется разностный сигнал, поступающий на вход 41 блока усреднения 4. Результаты усреднения разностного сигнала поступают на вход 51 блока 5 выборки-хранения и по управляющему импульсу на входе 52, формируемому в конце каждого интервала, фиксируются и запоминаются. Таким образом, на выходе блока 5 формируется сигнал ошибки. Выходной сигнал блока 5 поступает на вход первого блока определения поправки 21, в котором сигнал ошибки преобразуется в вектор поправки путем домножения его на вектор F3 в (13). Во втором сумматоре 20 предсказанное (i+1)-е значение коэффициента, поступающее на вход 201 блока 20, уточняется за счет добавления к нему вектора поправки, поступающего на вход 202. Уточненное значение (i+1)-го коэффициента подается на вход блока задержки 18, выход которого, кроме входа 23 сумматора 2, соединен также со входом блока задержки 14 и входом блока преобразования 16. Блоки задержки осуществляют задержку на величину шага предсказания h.In block 3, for each interval [t i , t i + h], a differential signal is generated that is input to input 4 1 of the averaging unit 4. The results of averaging the difference signal are fed to input 5 1 of block 5 of the sample-storage and by the control pulse at input 5 2 formed at the end of each interval are recorded and stored. Thus, an error signal is generated at the output of block 5. The output signal of block 5 is input to the first block of determination of amendment 21, in which the error signal is converted into a correction vector by multiplying it by vector F 3 in (13). In the second adder 20, the predicted (i + 1) -th value of the coefficient supplied to the input 20 1 of block 20 is refined by adding to it the correction vector fed to the input 20 2 . The adjusted value of the (i + 1) th coefficient is fed to the input of the delay unit 18, the output of which, in addition to the input 2 3 of the adder 2, is also connected to the input of the delay unit 14 and the input of the conversion unit 16. The delay units delay by the value of the prediction step h.

Сигналы ошибок с выхода блока 5 поступают на вход АЦП 6, где происходит их квантование и преобразование в кодовые последовательности. Эти кодовые последовательности передаются в канал 7, выход которого соединен со входом ЦАП 8. На выходе ЦАП 8 из кодовых последовательностей восстанавливаются квантованные значения сигналов ошибок, поступающие на второй блок определения поправок 9. Принцип его функционирования аналогичен принципу функционирования первого блока определения поправок 21. На его выходе по принятому квантованному сигналу ошибки формируется вектор поправки, подаваемый на вход 101 третьего сумматора 10. Одновременно на его вход 102 с выхода четвертого сумматора 13 подается предсказанное значение (i+1)-го коэффициента сплайн-аппроксимации приемной стороны. В результате на выходе сумматора 10 формируется восстановленная по принятому сигналу ошибки оценка (i+1)-го коэффициента сплайн-аппроксимации, используемая наряду с i-м и (i-1)-м коэффициентами для генерации восстановленной оценки сигнала в генераторе 11. Кроме того, оценка (i+1)-го коэффициента подается на вход четвертого блока задержки 15. Выход этого блока в свою очередь соединен со входом третьего блока задержки 19.Error signals from the output of block 5 are fed to the input of the ADC 6, where they are quantized and converted into code sequences. These code sequences are transmitted to channel 7, the output of which is connected to the input of the DAC 8. At the output of the DAC 8, the quantized values of the error signals received by the second block for determining amendments 9 are restored from the code sequences. The principle of its operation is similar to the principle of functioning of the first block for determining amendments 21. On at its output, on the received quantized error signal, a correction vector is generated that is fed to input 10 1 of the third adder 10. At the same time, its input 10 2 from the output of the fourth adder 13 the predicted value of the (i + 1) -th coefficient of the spline approximation of the receiving side is supplied. As a result, at the output of adder 10, an estimate of the (i + 1) th spline approximation coefficient is reconstructed from the received error signal, which is used along with the ith and (i-1) th coefficients to generate a reconstructed signal estimate in the generator 11. In addition to Moreover, the estimate of the (i + 1) th coefficient is fed to the input of the fourth delay block 15. The output of this block is in turn connected to the input of the third delay block 19.

Блоки задержки 15 и 19 аналогичны блокам 14, 18. Выходные сигналы с выходов блоков 15, 19 подаются соответственно на входы третьего 17 и четвертого 22 блоков преобразования, выходы которых соединены с входами 132 и 131). Структура блоков 17, 22 идентична структуре блоков соответственно 16, 12. Выход генератора 11 является выходом устройства. На нем формируется оценка восстановленного после передачи и демодуляции информационного сигнала в виде кусочно-полиномиального процесса сплайнового типа.The delay blocks 15 and 19 are similar to blocks 14, 18. The output signals from the outputs of blocks 15, 19 are supplied to the inputs of the third 17 and fourth 22 conversion blocks, the outputs of which are connected to the inputs 13 2 and 13 1 ), respectively. The structure of the blocks 17, 22 is identical to the structure of the blocks 16, 12, respectively. The output of the generator 11 is the output of the device. It forms the evaluation of the information signal restored after transmission and demodulation in the form of a piecewise polynomial spline-type process.

Функции блоков: блок 1 - суммирование двух векторов в соответствии с (10); блок 2 - генерация на каждом интервале времени [ti fi+h) предсказываемой (экстраполируемой) оценки информационного сигнала в виде полиномиальной зависимости (11) на основании значений коэффициентов b1i-1, b1i,

Figure 00000042
,; блок 3 - формирование на [ti, ti+h] разности наблюдаемого и экстраполируемого процесса; блок 4 - усреднение по времени на [ti, ti+h] разностного сигнала в соответствии с (12); блок 5 - выборка и хранение результатов усреднения; блок 6 - квантование сигнала ошибки и его кодирование; блок 7 - передача кода на приемную сторону; блок 8 - формирование квантованного сигнала ошибки; блок 9 - определение сигнала поправки путем домножения квантованного сигнала ошибки на вектор F3, (значение F3 определено в (13)); блок 10 - суммирование двух векторов в соответствии с (15); блок 11 - генерация восстанавливаемого информационного сигнала в соответствии с (16) по восстановленным коэффициентам
Figure 00000043
,
Figure 00000044
,
Figure 00000045
; блок 12 - домножение вектора bi-1 на матрицу F1 (структура F1 определена в (10)); блок 13 - суммирование двух векторов в соответствии с (14); блок 14 - задержка значений bi на время h; блок 15 - задержка значений
Figure 00000046
на время h; блок 16 - домножение вектора bi на матрицу F2 (структура F2 определена в (10)); блок 17 - домножение вектора
Figure 00000047
на матрицу F2; блок 18 - задержка значений bi+1 на время h; блок 19 - задержка значений
Figure 00000048
на время h; блок 20 - суммирование векторов в соответствии с (13); блок 21 - домножение сигнала ошибки δi на вектор F3; блок 22 - домножение вектора
Figure 00000049
на F1.Functions of blocks: block 1 - summation of two vectors in accordance with (10); block 2 - generation at each time interval [t i f i + h) of a predicted (extrapolated) estimate of the information signal in the form of a polynomial dependence (11) based on the values of the coefficients b 1i-1 , b 1i ,
Figure 00000042
,; block 3 - the formation on [t i , t i + h] of the difference between the observed and extrapolated process; block 4 - time averaging over [t i , t i + h] of the difference signal in accordance with (12); block 5 - selection and storage of averaging results; block 6 - quantization of the error signal and its coding; block 7 - code transmission to the receiving side; block 8 - the formation of a quantized error signal; block 9 - determination of the correction signal by multiplying the quantized error signal by the vector F 3 , (the value of F 3 is defined in (13)); block 10 - summation of two vectors in accordance with (15); block 11 - generation of the restored information signal in accordance with (16) according to the restored coefficients
Figure 00000043
,
Figure 00000044
,
Figure 00000045
; block 12 - multiplication of the vector b i-1 by the matrix F 1 (the structure of F 1 is defined in (10)); block 13 - summation of two vectors in accordance with (14); block 14 - delay values b i at time h; block 15 - delay values
Figure 00000046
at time h; block 16 - multiplication of the vector b i by the matrix F 2 (the structure of F 2 is defined in (10)); block 17 - vector multiplication
Figure 00000047
to the matrix F 2 ; block 18 - delay values b i + 1 at time h; block 19 - delay values
Figure 00000048
at time h; block 20 - summation of vectors in accordance with (13); block 21 - multiplication of the error signal δ i by the vector F 3 ; block 22 - vector multiplication
Figure 00000049
on F 1 .

Источники информацииInformation sources

1. Прокис Дж. Цифровая связь. - М.: Радио и связь, 2000.1. Prokis J. Digital Communications. - M .: Radio and communications, 2000.

2. Помехоустойчивость и эффективность систем передачи информации. / Под ред. А.Г.Зюко. - М.: Радио и связь, 1985.2. Interference immunity and efficiency of information transmission systems. / Ed. A.G. Zyuko. - M .: Radio and communications, 1985.

3. Ярлыков М.С. применение марковской теории нелинейной фильтрации в радиотехнике. - М.: Сов. радио, 1980.3. Yarlykov M.S. application of the Markov theory of nonlinear filtering in radio engineering. - M .: Owls. radio, 1980.

4. Хуторцев В.В., Федоренко О.С. Использование метода сплайн-функций при синтезе цифровых алгоритмов фильтрации с группированием наблюдений. / - Радиотехника, 2010, №2, С.4-8.4. Khutortsev VV, Fedorenko O.S. Using the spline function method in the synthesis of digital filtering algorithms with grouping of observations. / - Radio engineering, 2010, No. 2, C.4-8.

Claims (1)

Способ дифференциальной импульсно-кодовой модуляции - демодуляции сигналов, заключающийся в квантовании сигналов ошибки, их кодировании и восстановлении квантованных сигналов ошибки после передачи в канале, отличающийся тем, что для каждого интервала времени [ti, ti+1], ti+1>ti, i=0, 1, 2, … проводят предсказание коэффициентов сплайн-аппроксимации информационного сигнала, с их помощью на каждом интервале времени [ti, ti+1], i=0, 1, 2, … генерируют оценку этого сигнала в виде процесса, меняющегося по полиномиальному закону, вычитают такую оценку из входного сигнала, а результаты вычитания усредняют на [ti, ti+1], результаты усреднения, служащие сигналами ошибки, используют для уточнения предсказанных оценок коэффициентов сплайн-аппроксимации, на приемной стороне для каждого интервала времени [ti, ti+1], i=0, 1, 2, … проводят предсказание оценок коэффициентов сплайн-аппроксимации восстанавливаемого информационного сигнала, уточняют их по восстановленным квантованным сигналам ошибки, генерируют по уточненным оценкам коэффициентов восстанавливаемый информационный сигнал в виде непрерывного кусочно-полиномиального процесса. The method of differential pulse-code modulation - demodulation of signals, which consists in quantizing error signals, their coding and restoration of quantized error signals after transmission in the channel, characterized in that for each time interval [t i , t i + 1 ], t i + 1 > t i , i = 0, 1, 2, ... predicting the coefficients of the spline approximation of the information signal, using them on each time interval [t i , t i + 1 ], i = 0, 1, 2, ... generate an estimate of this signal in the form of a process that varies according to the polynomial law, subtract such an estimate from one signal, and subtracting the results are averaged to [t i, t i + 1], the averaging results serve error signals are used to update the predicted estimates spline approximation coefficients at the receiving side for each interval [t i, t i + 1 ], i = 0, 1, 2, ... carry out the prediction of estimates of the coefficients of the spline approximation of the reconstructed information signal, refine them according to the reconstructed quantized error signals, and generate the reconstructed information signal in the form of continuous estimates of the refined estimates of the coefficients th piecewise-polynomial process.
RU2011103381/08A 2011-01-31 2011-01-31 Method of differential pulse-code modulation-demodulation of signals RU2446558C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2011103381/08A RU2446558C1 (en) 2011-01-31 2011-01-31 Method of differential pulse-code modulation-demodulation of signals

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2011103381/08A RU2446558C1 (en) 2011-01-31 2011-01-31 Method of differential pulse-code modulation-demodulation of signals

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2446558C1 true RU2446558C1 (en) 2012-03-27

Family

ID=46031026

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2011103381/08A RU2446558C1 (en) 2011-01-31 2011-01-31 Method of differential pulse-code modulation-demodulation of signals

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2446558C1 (en)

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2480904C1 (en) * 2012-06-01 2013-04-27 Анна Валерьевна Хуторцева Method for combined filtering and differential pulse-code modulation/demodulation of signals
RU2628918C1 (en) * 2016-08-03 2017-08-22 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Уфимский государственный нефтяной технический университет" Hybrid functional digital-to-analog converter with spline approximation of n-th order
RU2651640C1 (en) * 2017-02-07 2018-04-23 Федеральное государственное казенное военное образовательное учреждение высшего образования "Военный учебно-научный центр Военно-Морского Флота "Военно-морская академия им. Адмирала Флота Советского Союза Н.Г. Кузнецова" Method of the signals spline-filtering

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
SU1575324A1 (en) * 1988-01-26 1990-06-30 Предприятие П/Я М-5876 System for transmission of television signal with differential pulse-code modulation
EP0671082A1 (en) * 1992-11-24 1995-09-13 Qualcomm Incorporated Dot product circuit for multipath receivers
EP1177640A1 (en) * 1999-05-11 2002-02-06 QUALCOMM Incorporated System and method for providing an accurate estimation of received signal interference for use in wireless communications systems
RU2251723C2 (en) * 2003-06-26 2005-05-10 Власов Валерий Иванович Device for controlling quality of communication line of data transfer channel
RU2376718C1 (en) * 2008-10-06 2009-12-20 Федеральное государственное унитарное предприятие "Российский научно-исследовательский институт космического приборостроения" Demodulator for communication system with double phase modulation

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
SU1575324A1 (en) * 1988-01-26 1990-06-30 Предприятие П/Я М-5876 System for transmission of television signal with differential pulse-code modulation
EP0671082A1 (en) * 1992-11-24 1995-09-13 Qualcomm Incorporated Dot product circuit for multipath receivers
EP1177640A1 (en) * 1999-05-11 2002-02-06 QUALCOMM Incorporated System and method for providing an accurate estimation of received signal interference for use in wireless communications systems
RU2251723C2 (en) * 2003-06-26 2005-05-10 Власов Валерий Иванович Device for controlling quality of communication line of data transfer channel
RU2376718C1 (en) * 2008-10-06 2009-12-20 Федеральное государственное унитарное предприятие "Российский научно-исследовательский институт космического приборостроения" Demodulator for communication system with double phase modulation

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2480904C1 (en) * 2012-06-01 2013-04-27 Анна Валерьевна Хуторцева Method for combined filtering and differential pulse-code modulation/demodulation of signals
RU2628918C1 (en) * 2016-08-03 2017-08-22 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Уфимский государственный нефтяной технический университет" Hybrid functional digital-to-analog converter with spline approximation of n-th order
RU2651640C1 (en) * 2017-02-07 2018-04-23 Федеральное государственное казенное военное образовательное учреждение высшего образования "Военный учебно-научный центр Военно-Морского Флота "Военно-морская академия им. Адмирала Флота Советского Союза Н.Г. Кузнецова" Method of the signals spline-filtering

Similar Documents

Publication Publication Date Title
RU2446558C1 (en) Method of differential pulse-code modulation-demodulation of signals
JP2018510374A5 (en)
JP3008763B2 (en) Method and apparatus for system identification with adaptive filters
WO2012046582A1 (en) Signal processing device, signal processing method, and signal processing program
Song Recursive identification of systems with binary-valued outputs and with ARMA noises
JPS6352811B2 (en)
RU2012148131A (en) AUDIO OR VIDEO CODER, AUDIO OR VIDEO AND RELATED METHODS FOR PROCESSING MULTI-CHANNEL AUDIO OR VIDEO SIGNALS USING A VARIABLE Prediction Direction
JP2013255252A5 (en) Image coding method and image coding apparatus
JP5936695B2 (en) A method for enhancing speech in mixed signals.
EP2987314B1 (en) Echo suppression
EP2987315B1 (en) Echo removal
JP5016581B2 (en) Echo suppression device, echo suppression method, echo suppression program, recording medium
JPS6111380B2 (en)
JPWO2021059348A5 (en)
JP6507320B2 (en) Method of recovering original signal in DS-CDMA system based on complexity reduction
WO2015162979A1 (en) Frequency domain parameter sequence generation method, coding method, decoding method, frequency domain parameter sequence generation device, coding device, decoding device, program, and recording medium
WO2016121824A1 (en) Parameter determination device, method, program, and recording medium
JP4286666B2 (en) Method and unit for removing quantization noise from a PCM signal
Denic et al. Three-Level Delta Modulation for Laplacian Source Coding.
JP6502307B2 (en) Echo cancellation apparatus, method and program therefor
TW200412728A (en) Noise matching for echo cancellers
Peric et al. The general design of asymptotic unrestricted polar quantizers with square cells
Pathan et al. Computationally efficient low-power sigma delta modulation-based image processing algorithm
JP5562332B2 (en) Prediction order determination method, prediction order determination device, program, and recording medium
RU105550U1 (en) DATA TRANSFER INTERFERENCE SYSTEM