Page 1. Elettronica delle telecomunicazioni 2003 DDC 1. Politecnico di Torino Facoltà dell Informazione. Contenuti del Capitolo 4

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1 Politecnico di Torino Facoltà dell Informazione Contenuti del Capitolo 4 Modulo Elettronica delle telecomunicazioni Processo di conversione /D» Campionamento e quantizzazione, errori, SNR Convertitori D/» Fdt, errori, tipi base, esempi di circuiti Conversione /D e D/ C5 - Convertitori /D speciali Convertitori /D» Fdt, errori, classificazione» esempi di circuiti, tecniche pipeline, moduli S/H» conversione logaritmica» approssimazione, legge e µ» convertitori differenziali» sovracampionamento e noise shaping Convertitori speciali» logaritmici, differenziali e Sigma-Delta, oversampling DDC DDC Contenuti di questa lezione (4.5) Codifica per modelli / forme d onda Convertitori /D speciali codifica per forme d onda e codifica per modelli Conversione logaritmica approssimazione, legge e µ Codifica per forme d onda: serie di valori numerici che riflettono la sequenza di campioni corrispondente all andamento nel tempo del segnale Esempio: Tono sinusoidale:» valori della sinusoide agli istanti di campionamento. Convertitori differenziali convertitori sigma-delta sovracampionamento noise shaping Riferimenti nel testo Convertitori /D e D/ per usi speciali 4.5 Codifica per modelli: viene definito un modello di sorgente dal segnale vengono ricavati i parametri del modello i parametri permettono di ricostruire il segnale Esempio: Tono sinusoidale:» modello: generatore sinusoidale,» parametri: ampiezza, frequenza e fase del tono DDC DDC Conversione lineare e nonlineare Caratteristiche di conversione Conversione /D con legge lineare tutti gl intervalli D sono uguali» errore di quantizzazione indipendente dal livello del segnale poco adatta per segnali con livelli prevalentemente bassi (voce) Conversione /D con legge nonlineare intervalli D diversi» l errore di quantizzazione varia al variare del livello del segnale» la legge di variazioe può essere tale da ottimizzare SNRq per un determinato tipo di segnale (distribuzione di ampiezza) per la voce (distribuzione esponenziale bilatera troncata)» legge logaritmica D Intervalli di quantizzazione D di ampiezza costante D Intervalli di quantizzazione D di ampiezza variabile DDC DDC Page DDC 1

2 Conversione logaritmica SNRq teorico La conversione /D aggiunge il rumore εq al segnale»d = + εq D è costante, quindi» errore assoluto costante» errore relativo (SNRq) legato all ampiezza del segnale La quantizzazione determina un errore relativo costante, quindi SNRq costante SNRq Conversione eseguita sul logaritmo del segnale:» D = log + εq la somma di logaritmi è il logaritmo del prodotto» D = log + εq = log K (εq = log K)» errore moltiplicativo (1 - K)» SNRq costante, indipendente dall ampiezza del segnale Fondo scala mpiezza DDC DDC pprossimazion e µ SNRq: approssimazione intorno a 0 Il segnale audio è bipolare Log 0 non è definito in prossimità dello 0 è possibile realizzare solo approssimazioni della caratteristica logaritmica Per segnali piccoli la quantizzazione è lineare, quindi SNRq variabile in funzione dell ampiezza (6 db/ottava) SNRq mpiezza Fondo scala DDC DDC Rapporto Segnale/Rumore pprossimazione a segmenti DDC DDC Page DDC 2

3 Formato PCM logaritmico SNRq con approssimazioni e µ MSB (bit 7): segno bit 6, 5, 4: segmento bit 3, 2, 1, 0: livello entro il segmento DDC DDC Convertitore D/ logaritmico Convertitori D/ nonlineari Il bit di segno inverte la tensione di riferimento Vr I bit di segmento generano una tensione variabile a passi 2 N I bit di livello comandano direttamente un D/ lineare Tecnica generale per convertitori D/ e /D nonlineari (con approssimazione a segmenti) decodificatore dei bit di segmento convertitore D/ non codificato per ottenere punto iniziale e pendenza di ogni segmento codifica lineare entro il segmento sommatore di uscita Utilizzato per i DC dei DDS (legga di conversione sinusoidale) DDC DDC Contenuti di questa lezione (4.5) Conversione differenziale Convertitori /D speciali Conversione logaritmica approssimazione, legge e µ Convertitori differenziali convertitori sigma-delta sovracampionamento noise shaping Viene quantizzata la differenza tra valore attuale e valore precedente riduzione della dinamica conversione /D a 1 bit (comparatore) flusso seriale di bit non pesati Riferimenti nel testo Convertitori /D e D/ per usi speciali DDC DDC Page DDC 3

4 Convertitore delta Segnali nel convertitore delta Convertitore differenziale a integratore L è una serie di impulsi positivi o negativi, a cadenza Tck il segnale ricostruito R è l integrale di L a ogni impulso R si sposta di γ. L è una serie di impulsi positivi o negativi, a cadenza Tck il segnale ricostruito R è l integrale di L a ogni impulso R si sposta di γ DDC DDC Dinamica del convertitore delta Convertitori differenziali: alternative Il convertitore differenziale può operare su più bit il comparatore è sostituito da un /D l integratore è preceduto da un D/ Segnale minimo (stato di IDLE) ampiezza γ/2» idle noise Segnale massimo slew rate γ/tck» limite di overload Le operazioni di differenza e accumulo possono essere eseguite su segnali analogici o numerici l integratore diventa un accumulatore DDC DDC Sovracampionamento Come aumentare la dinamica Rumore di quantizzazione sparso su banda più ampia llontanamento degli spettri secondari riduzione della potenza di rumore in banda base Dinamica dei segnali trattati valore minimo. Massimo» corrisponde a D S Per aumentare la dinamica γ costante,» dinamica (rapporto) = Fck/π Fs» possibile solo modificare Fck γ variabile (Convertitori adattativi)» minimo in condizione di idle (sequenza 0-1 alternati in uscita)» massimo in prossimità di overload (sequenze 000 o ) rimuovere la dipendenza da ω: convertitori Σ DDC DDC Page DDC 4

5 Convertitori adattativi Convertitore Sigma-Delta Doppio integratore nell anello problemi di stabilità integratore e predittore (polo/zero) Passo variabile, in base a stima della potenza» adattamento sillabico sequenza del segno degli errori» adattamento istantaneo L adattamento deve utilizzare il segnale in linea idle: sequenza 0-1 alternati in uscita overload: sequenze continue 0000 o Convertire l integrale del segnale di ingresso (SR costante) Raggruppare i due integratori sugli ingressi del sommatore Eliminare la coppia integratore/derivatore nel D/ DDC DDC Rumore di quantizzazione nel Σ Noise shaping Nel Σ il rumore di quantizzazione ε q viene introdotto dopo l integratore La potenza di rumore occupa la parte alta dello spettro: Sagomatura del rumore (NOISE SHPING) Ulteriore riduzione del rumore in banda La fdt tra rumore N e uscita Y è di tipo passa-alto DDC DDC Catena di conversione Σ Riduzione del bit rate Filtro anti aliasing» il sovracampionamento permette filtri semplici Convertitore /D Σ di ordine 1, 2, N» genera un flusso di bit (non pesati) ad alta velocità Decimatore» converte il flusso veloce in parole binarie a cadenza più bassa Canale Interpolatore» rigenera il flusso seriale veloce Convertitore D/ Σ» ricostrusce il segnale analogico Filtro di ricostruzione filtrato Σ D seriale, cadenza alta DECIMTORE D parallelo, cadenza bassa INTERPOLTORE Σ DDC DDC Page DDC 5

6 Esempio numerico Codifica per modelli / forme d onda Segnale in banda audio Fmax 3 khz campionamento 8 ks/s, quantizzazione a 8 bit» quale SNRq?» Quale Fck per avere lo stesso SNRq con conversione differenziale? Codifica per forme d onda: conversione logaritmica» SNRq costante su ampia dinamica convertitori differenziali» vantaggi costruttivi: non occorrono componenti precisi» sovracampionamento: specifiche più lache per il filtro Codifica per modelli: modello di sorgente» vengono trasmessi i parametri del modello Esempio: Tono sinusoidale:» modello: generatore sinusoidale,» parametri: ampiezza, frequenza e fase del tono DDC DDC Esempioo di codifica per modelli LPC: schema a blocchi LPC (Linear Predictive Coding) per segnali vocali basato su un modello del tratto vocale (laringe) suddivisione del segnale in frame (10-30 ms) per ogni frame:» decisione vocale/non vocale (voiced/unvoiced)» estrazione passo della periodicità (pitch)» calcolo coefficenti filtro voiced: forme d onda complesse ripetute» generatore di impulsi a frequenza della formante (pitch)» filtro per generare la forma d onda unvoiced: rumore filtrato» generatore di rumore + filtro PITCH GENERTORE DI IMPULSI GENERTORE RUMORE VOICED UNVOICED PRMETRI DEL FILTRO FILTRO DDC DDC Codifica per modelli: prestazioni Sommario lezione C5 Criterio standard: riconoscimento del parlatore o comprensione del testo Codifica a forma d onda PCM logaritmico 64/32 (kbit/s) Differenziale 32/16 Differenziale adattativo (DPCM) 4 (no parlatore) Codifica per modelli LPT (telefonia GSM) 9,6 Vocoder a bande 4,8 LPC 2,4 Convertitori /D speciali codifica della forma d onda codifica per modelli Conversione logaritmica caratteristiche del segnale vocale approssimazione, legge e µ Convertitori differenziali convertitori delta e sigma-delta sovracampionamento noise shaping DDC DDC Page DDC 6

7 Esercitazione di laboratorio 5 Convertitore differenziale Convertitore differenziale con FF tipo D verifica del funzionamento limiti di banda limiti di dinamica Convertitore sigma-delta Verifica della dinamica e dello slew rate Riferimenti manuale nel sito web: laboratorio C DDC Page DDC 7