Badania symulacyjne modulacji różnicowych ze zmienną częstotliwością próbkowania

• Autorzy: Golański R.

Warianty tytułu

EN

Computer simulation of the delta modulations with sampling frequency adaptation

• Języki publikacji: PL

Abstrakty

PL

Zaprezentowano wyniki symulacyjnych badań parametrów wyjściowych dwóch rodzajów modulacji różnicowych, z których NS-DM posiada możliwość kompandowania jedynie częstotliwości próbkowania natomiast ANS-DM zapewnia również kompandowanie kroku kwantyzacji. Badaniami objęto cztery podstawowe parametry wyjściowe: współczynnik SNR, (SNR_max ), średnią częstotliwość próbkowania f_savg, współczynnik kompresji CF i zakres dynamiki DR. Maksymalizacja SNR, CF, DR i minimalizacja f_savg stanowiła podstawowe kryteria poszukiwania optymalnych parametrów zewnętrznych. Ustalono, że dla modulacji NS-DM i ANS-DM maksymalna wartość współczynnika SNR zależy od wartości średniej częstotliwości próbkowania f_savg (krok kwantyzacji decyduje jedynie o tym, przy jakim poziomie mocy to maksimum wystąpi). Wyniki badań wskazują na logarytmiczny charakter zależności SNR_max [DB]=g(f_savg ). Wykazano symulacyjnie wyższą efektywność kodowania sygnałów niestacjonarnych przez modulatory różnicowe ze zmienną szybkością próbkowania niż przez modulatory ze stałą częstotliwością. Badania symulacyjne potwierdzają wyniki analiz matematycznych, że całkowity zakres dynamiki modulacji ANS-DM jest w [DB] równy sumie zysków kompandacji od każdego z adaptowanych parametrów. W efekcie modulacja ANS-DM wykazuje w porównaniu z modulacjami z kompandacją tylko jednego parametru (CFDM i NS-DM) nie tylko wzrost dynamiki DR, ale także współczynnika SNR_max. Wyznaczony na podstawie badań symulacyjnych współczynnik kompresji wynosi około 2 dla modulacji CFDM i NS-DM oraz około 3 dla modulacji ANS-DM.

EN

Author have been decided to investigate variable rate delta coding systems because of it's theoretical improvements over coding delta systems with fixed rate, especially for non-stationary input signals. Computer simulation results are presented. Characteristics of SNR ratio as a function of input signal level of NS-DN, ANS-DM modulation and the conventional LDM, CFDM have been obtained. The paper presents in graphical form dependences between the most important output parameters of the NS-DM and ANS-DM modulation. The performance of the SNR ratio, bit rate average, dynamic range and compression ratio is discussed. Simulation investigations for input signals in the form of wave files on the emulator of LDM, CFDM, NSDM and ANS-DM have been carried out. Results of simulation investigations concerning the performance of these modulations have been compared. The following general comments can be made. It was measured, that BR_avg is the parameter, which in decisive manner influences on SNR_max value in delta modulation systems with variable-sampling-rate (Fig. 3, 4, 7, 9). The maximum SNR ratio is greater by about 6 dB for variable-sampling delta system than LDM for stationary signals. Using for coding non-stationary signals the delta modulation with variable-sampling-rate one can improve SNR_max by 2 to 9 dB over the fixed-rate adaptive schemes (Fig. 2-9). The shape of the curves of SNR ratio as a function of input signal power is similar for both variable- and fixed-sampling delta systems (Fig. 5, 8, 9). The change of dynamic range from the f s adaptation is smaller then the change from the step size adaptation, which is constant and equal to 6 decibels per octave of the step size change (Fig. 9). The total dynamic range of the ANS-DM modulation is a product of the dynamic range derived both from sampling frequency and step size adaptation (Fig. 9). Hence, ANS-DN modulation guarantees the same range as in case of the adaptive modulations where only single parameter is adapted, but at the within range of the each parameter. In practice, it is reflected by the increase of maximum value of SNR (Fig. 9). The doubly adapted delta systems (eg ANS-DM) require a lower BR_avg, and have a greater DR than the systems with step size adapted only. The ANS-DM modulation is modest in complexity compared with other medium range speech coders, but yields good performance regardless of channel conditions. The results of computer simulation of the NS-DM and ANS-DM performances agree well with the theoretical evaluations [23, 23]. As seen from the results of computer simulation variable-rate-sampling improves the performances of delta modulations, at conversion of the highly non-stationary signal (i.e. speech and television).

Słowa kluczowe

PL

adaptacyjne modulacje różnicowe; zmienna częstotliwośc próbkowania; kompandacja; zakres dynamiki; badania symulacyjne; stosunek sygnał-szum

EN

differentional modulations; variable sampling frequency; computer simulation; dynamic range; compression ratio; signal-to-noise ratio

• Wydawca: Wydawnictwo Naukowe PWN SA
• Czasopismo: Kwartalnik Elektroniki i Telekomunikacji
• Rocznik: 2004
• Tom: Vol. 50, z. 3
• Strony: 343--364
• Opis fizyczny: Bibliogr. 28 poz., rys., wykr.

Twórcy

autor

Golański R.

• Katedra Elektroniki, Akademia Górniczo-Hutnicza w Krakowie, 30-059 Kraków, Al. A. Mickiewicza 30,

Bibliografia

• 1. J. E. Abate: Linear and Adaptive Delta Modulation. Proceedings of the IEEE, Vol. 55, No. 3, March 1967, pp. 298-308.
• 2. R. Golański: Adaptacja częstotliwości próbkowania jako metoda kompandowania w modulacjach różnicowych. Kwartalnik Elektrotechniki i Telekomunikacji 2/2001, Warszawa, PWN, 2001.
• 3. R. Golański, J. Kołodziej: Próby analitycznego rozwiązania problemu wyznaczania średniej przepływności bitowej w modulatoch NSDM. Mat. Konf.: KST' 2001, Tom B, Bydgoszcz, wrzesień 2001.
• 4. R. Golański, J. Kołodziej, P. Świrek: Badanie symulacyjne modulacji różnicowych ze zmiennym krokiem kwantyzacji i nierównomiernym próbkowaniem. Mat. Konf. KST'99, Bydgoszcz 1999.
• 5. R. Golański: Propozycja doboru parametrów adaptacji modulatora różnicowego z nierównomiernym próbkowaniem. Mat. Konf. KST'98, Tom B, Bydgoszcz 1998.
• 6. R. Golański, R. Dmoch, J. Kochanowski, K. Szklarski: Propozycja znajdowania optymalnych parametrów modulacji różnicowej NSDM w oparciu o badania symulacyjne. Mat. Konf. KST, Tom B, Bydgoszcz 2000.
• 7. H. Taub, D. L. Schilling: Principles of Communication Systems. McGraw-Hill, Ltd. 1986.
• 8. Y. S. Zhu, W. Leung, C. M. Wong: Adaptive Non-Uniform Sampling Delta Modulation for Audio/Image Processing. IEEE Trans. Consumer Electron, vol. 42, No. 4, 1996, pp. 1062-1072.
• 9. Y. S. Zhu, W. Leung, C. M. Wong: A digital audio processing system based on nonuniform sampling delta modulatin. IEEE Trans. on Consumer Electronics, vol. 42, No. 1, 1996, pp. 80-85.
• 10. R. Dmoch, R. Sadkiewicz.: Porównanie właściwości wybranych modulacji różnicowych a oparciu o wyniki symulacji algorytmicznych i rozważań analitycznych., Pr. Dyp., Katedra Elektroniki, Kraków, AGH, 2000.
• 11. J. Seidler, A. Badach, W. Molisz: Metody rozwiązywania zadań optymalizacji. Warszawa, WNT, 1980.
• 12. R. Golański, J. Kołodziej: Wpływ częstotliwości startowej i współczynników adaptacji na parametry modulacji NSDM. Mat. Konf.: KST'2001, Tom B, Bydgoszcz, wrzesień 2001.
• 13. R. Golański, J. Kołodziej: Problemy dyskretyzacji wartości szybkości próbkowania a modulatorach ANS-DM. Mat. Konf. KST. Bydgoszcz 2003.
• 14. R. Golański,. D. Kościelnik: System badawczy i analiza modulacji różnicowych. Mat. Konf. KST'93. Bydgoszcz 1993.
• 15. Wybrane systemy i układy scalone w telekomunikacji cyfrowej. Pr. zb. pod red. R. Golańskiego, Kraków, Wyd. AGH, 1995.
• 16. R. Golański: Stanowisko do badania właściwości współczesnych modulatorów różnicowych. Mat. Konf.: PWT'99, str.1.2-1 do 1.2-6. Poznań 1999.
• 17. S. Kończyk: Wpływ zakłóceń i przerw w transmisji na pracę demodulatorów delta-metoda symulacyjna., Pr. Dypl., Katedra Elektroniki AGH, Kraków 1998.
• 18. L. Olszewski: Symulator modulatorów różnicowych ze zmienną częstotliwością próbkowania. Pr. Dypl., Katedra Elektroniki AGH. Kraków 1999.
• 19. R. Steele: Delta Modulation Systems. London, Pentech Press, 1986.
• 20. Syntrillium Software Corporation-Cool Edit Pro, www.syntrillium.com.
• 21. T. Fornalik: Porównanie właściwości modulacji NS-DM i ANS-DM., Pr Dypl., Katedra Elektroniki AGH, Kraków 2002.
• 22. M. Kilian: Badanie symulacyjne wpływu częstotliwości startowej na parametry modulacji różnicowej ze zmienną szybkością próbkowania. Pr Dypl., Katedra Elektroniki AGH, Kraków 2001.
• 23. R. Golański: Influence of the Non-uniform Sampling on the Dynamic Range of Delta Modulators. Proc. of 3rd Conf. on Telecom., Session TM4, Portugal. 2001, pp. 307-314.
• 24. W. Pogribny, I. Różnakowski, I. Zieliński, Z. Nowakowski: Graniczna częstotliwość drskretyzacji eliminująca przeciążenie delta-kodera. Mat. Konf. KST'98, tom. B , Bydgoszcz, wrzesień 1998, pp. 390-395.
• 25. K. Un, D. H. Cho: Hybrid Companding Delta Modulation with Variable-Rate Sampling. IEEE Trans. On Comm., vol. COM-30, No. 4, 1982, pp. 593-599.
• 26. J. J. Dubnowski, R. E. Crochiere: Variable Rate Coding of Speech. Bell Sys. Tech. J., vol. 58. 1979, pp. 577-600.
• 27. J. L. Lo Cicero, P. P. Prezas: Doubly adaptive delta modulation for bandwidth compression of speech signals. Proc. of Nat. Telecom. Conf., 80 CH 1539-6, vol 2, 1980. pp. 36.5.1-36.5.5.
• 28. R. Golański: Analytical Investigations of Delta Modulation with Variable Sampling Frequency. Proc. of ICSES'2000, A.1.6, Ustroń. Poland, 2000, pp. 81-87.