Способы построения типовых групп и каналов
6.2.1 Построение основной первичной группы (ПГ)
Основная первичная группа формируется в аппаратуре СИП, в состав которой входят 12 канальных модуляторов (рисунок 6.2, а) и 12 канальных полосовых фильтров. На каждый модулятор подаются исходные информационные сигналы в спектре 0,3 -3,4 кГц и разные несущие частоты. Значение несущей можно определить по формуле:
fk = 112 – 4к, (6.1)
где к - номер канала.
а)
б)
Рисунок 6.2 - Схема формирования (а) и план частот (б) формирования ПГ
Канальный ПФ выделяет нижнюю боковую полосу частот (НБПЧ) и подавляет не используемую верхнюю боковую полосу частот (ВБПЧ). После объединения сигналов с выходов всех 12-ти фильтров, формируется спектр ПГ 60,6 ÷ 107,7 кГц. При отведенной полосе частот 4кГц на один канал полезная полоса частот составляет 3,1 кГц и частотный интервал между каналами 0,9 кГц - это требует применения высокодобротных, а поэтому дорогосоящих, канальных ПФ с высокой крутизной нарастания затуханием при переходе от полосы пропускания к полосе задерживания.
Формирование вторичной группы каналов (ВГ)
ВГ формируется из пяти основных ПГ путем раздельного преобразования каждой ПГ со спектром 60-108 кГц в групповых преобразователях с помощью соответствующей несущей частоты (рисунок 6.3).
|
|
|
а) б)
Рисунок 6.3 – Схема формирования ВГ (а), план частот
основного варианта ВГ (б)
Значение несущей частоты определяется по формуле:
fn = 420 +48 (П -1), (6.2)
где П - номер ПГ.
В этом случае фильтр выделяет НБПЧ, сигналы с выходов всех фильтров объединяются в блоке параллельной работы первичных групп (БПРПГ). В результате формируется основная ВГ со спектром 312 - 552 кГц.
Формирование третичной группы каналов
Блок-схема и план частот формирования третичной группы (ТГ) показаны на рисунке 6.4. ТГ формируется из 5 ВГ.
Для формирования основной ТГ используются вторичные групповые несущие частоты, значения которых можно определить по формуле:
Fв = 1364 + 248 (В - 4), (6.3)
где В - номер вторичной группы, может принимать значения от 4 до 8 (так как счёт ВГ начинается с четвёртой по восьмую ВГ, а не с первой по пятую).
|
|
|
Групповые ПФ выделяют НБПЧ, которые объединяются в блоке параллельной работы вторичных групп (БПРВГ), в результате формируется ТГ со спектром 812-2044 кГц.
а) б)
Рисунок 6.4 - Схема формирования ТГ (а), план частот (б)
Принципы формирования канального цифрового сигнала с импульсно-кодовой модуляцией
Формируется цифровой сигнал в системах с импульсно-кодовой модуляцией (ИКМ) в три этапа:
-дискретизация аналогового сигнала;
-квантование по уровню дискретных отсчетов;
-кодирование.
Процесс дискретизации аналогового сигнала был рассмотрен раньше. Далее рассмотрено квантование и кодирование.
Квантование
Амплитуда АИМ-отсчетов может принимать бесконечное количество значений. Это потребует использования кодов с числом разрядов, стремящимся к бесконечности. По этой причине число возможных значений амплитуд АИМ-отсчетов ограничивают определенным количеством разрешенных амплитудных значений (уровней). Количество разрешенных значений амплитуд зависит от вида передаваемого сигнала и требований к качеству передачи. Процесс замены исходного значения амплитуды АИМ-отсчета на ближайшее разрешенное значение амплитуды называется квантованием. Разность между двумя ближайшими разрешенными значениями амплитуд называется шагом квантования 
. Если шаг квантования во всем диапазоне разрешенных амплитудных значений остается постоянным, то квантование называют равномерным. На рисунке 7.1 приведена временная диаграмма, поясняющая принцип равномерного квантования. Операция квантования аналогична операции округления чисел, а следовательно, неизбежно приводит к возникновению ошибки. Ошибкой квантования называется разность между истинным значением отсчета и его квантованным значением: 
. Величина ошибки квантования не превышает половины шага квантования.
|
|
|
Наличие ошибки, сопровождающей процесс квантования, приводит к появлению искажений, то есть шумов квантования. Искажения квантования действуют одновременно с передачей сигнала и их удобно оценивать по отношению сигнал/шум квантования. Выраженное в логарифмических единицах отношение сигнал/шум квантования является защищенностью от шумов квантования.
Амплитудная характеристика квантующего устройства представляет собой ступенчатую кривую (рисунок 7.1б). На характеристике показан порог ограничения U0, превышение которого приводит к появлению дополнительных шумов ограничения.
|
|
|
При равномерном квантовании величина ошибки различна для слабых и сильных сигналов: для импульса 4 на рисунке 7.1, а ошибка квантования составляет половину амплитуды, а для импульса 1 - одну восьмую от амплитудного значения. Защищенность от шумов квантования оказывается небольшой для слабых сигналов и увеличивается с увеличением уровня сигнала.
| 
|
а) б)
Рисунок 7.1 – Равномерное квантование (а) и амплитудная характеристика квантующего устройства (б)
Выбор шага квантования Δ и количество уровней квантования lмакс определяются, во-первых параметрами преобразуемого сигнала, в частности величиной Uмакс, а во-вторых допустимой величиной помех, возникающих в канале, поскольку ошибки квантования при передаче, например, телефонного сигнала воспринимаются как специфический шум квантования, имеющий некоторую мощность Pшкв.
Энергетический спектр шумов квантования аналогичен энергетическому спектру «белого шума» и имеет равномерный характер в диапазоне частот: —∞ < f < ∞,
Плотность распределения вероятности W ( x ) шума квантования в пределах одного шага квантования в интервале от -Δ/2 до Δ/2, также имеет равномерный вид и показана на рисунке 7.2.
 |
Рисунок 7.2 - Плотность распределения шума квантования
Средняя мощность случайного процесса с нулевым средним значением и одномерной плотностью распределения вероятности (каковым является шум квантования), определяется следующим образом :
(7.1)
где 
- значение i-го уровня квантования;
х- случайная величина погрешности квантования;
Δ - шаг квантования.
Так как погрешность квантования внутри каждого шага квантования имеет равномерный характер (рисунок 7.2) можно для простоты принять Uki =0 и получить (из 7.1) выражение:
(7.2)
Мощность шума квантования не должна превышать допустимую норму на помехи на выходе канала, предназначенного для передачи различных аналоговых сигналов. Поскольку системы передачи с ИКМ плезиохронной цифровой иерархии (PDH) разрабатывались для передачи телефонных сообщений, далее определим минимально необходимое число уровней квантования при организации телефонного канала в ЦПС с ИКМ. Известно, что согласно требованиям МСЭ-Т [1, 2] суммарная допустимая мощность помех на выходе канала тональной частоты (ТЧ) эталонной цепи в точке нулевого относительного уровня (ТНОУ) в час наибольшей нагрузки (ЧНН) не должна превышать величины 10000 пВт псоф. В канале ТЧ ЦСП с ИКМ величина помехи определяется только шумом квантования (при отсутствии ошибок при передаче двоичных символов по линейному тракту):
Ршкв доп= 
= 10000пВт псоф.
При этом эффективное значение допустимой мощности шума квантования будет равно:
(7.3)
где Кпс=0,75 псофометрический коэффициент, учитывающий чувствитель-ность человеческого уха к различным частотным составляющим помех
Мощность шума квантования в низкочастотном диапазоне распределена в полосе частот 0 ÷ fмакс, где fмакс = Fд/2 [7]. Тогда Ршкв на 1 Гц полосы частот в общем виде имеет выражение:
(7.4)
Для оценки действия помех в каналах систем передачи пользуются параметром, который называется защищенностью и определяется следующим образом: RM = Рс/Рп или RH = U с / Un в относительных единицах.
Аз = 101 g RM, дБм или А3 = 20 lgR , дБм в логарифмических единицах, где Рс, Рп, Uc , Un - мощности и напряжения сигнала и помехи соответственно.
Величина средней мощности телефонного сигнала при передаче по каналу ТЧ известна [1.2] и равна величине Рсртф = 32 мВт. Отсюда допустимая защищенность от шумов квантования
| (7.5) |
Средняя мощность P ср,тф = 
на единичном сопротивлении равна
Pc р,тф = 
Телефонный (ТФ) сигнал имеет характеристику, называемую пикфактором:
(7.6)
a Uмакс зависит от шага квантования и их числа:
Uмакс= Lмакс ∙ 
/2
где множитель 1/2 учитывает квантование по уровню двухполярного сигнала.
Тогда:
а 
(7.7)
ТФ сигнал в канале ТЧ передается в полосе частот 0,3-3,4 кГц ширина полосы частот Δfтч = 3,4 - 0,3 = 3,1 кГц, и мощность ТФ сигнала на 1 Гц полосы частот равна:
(7.8)
Поставим (7.8) и (7.7) в выражение для защищенности Rшквм приравняем его допустимому значению Rшкв доп
(7.9)
и определим lмакс при передаче ТФ сигнала в канале ЦСП с ИКМ учитывая что q = (50÷70), Fд = 8 кГц, Δf тч=3,1 кГц, a Rшкв,доп = 
; 
Такое число уровней квантования оказывается чрезмерно большим но его можно значительно снизить, принудительно уменьшая пик-фактор ТФ сигнала на передаче и восстанавливая его на приеме. Так, если уменьшить пик-фактор на передаче до величины q = 4,75 количество уровней квантования также резко уменьшится и составит величину 
На практике изменение и восстановление пик-фактора сигнала (или динамического диапазона) осуществляется при помощи системы компандирования: на передающей стороне на входе АЦП включается устройство, которое называется компрессором (сжимателем) динамического диапазона, а на приеме на выходе ЦАП включается экспандер (расширитель) динамического диапазона (Рисунок 7.3).
Рисунок 7.3 - Система компандирования ЦСП с ИКМ
В современных телекоммуникационных системах используется неравномерное квантование. При неравномерном квантовании уменьшается величина шагов квантования для малых мгновенных значений сигнала за счет увеличения шагов для больших значений (рисунок 7.4). Ошибка квантования для слабых сигналов уменьшается, а для больших - увеличивается: для импульса 4 на рисунке 7.4, а ошибка квантования уменьшилась до 1/3 от амплитуды, а для импульса 1 увеличилась до значения 1/6 от амплитуды. Таким образом, происходит выравнивание защищенности от шумов квантования в широком диапазоне изменения уровней сигнала. Использованием неравномерного квантования обеспечивает требуемую защищенность от шумов квантования в широком динамическом диапазоне сигнала и уменьшает число разрядов кода до m=8 (Мкв=256).
| 
|
а) б)
Рисунок 7.4 – Неравномерное квантование (а) и амплитудная
характеристика квантующего устройства (б)
В современных цифровых телекоммуникационных системах применяются сегментные неравномерные характеристики квантования, поскольку они достаточно просто реализуются на цифровой основе. На рисунке 7.5 приведена характеристика типа А-87,6/13 (положительная ветвь). Значение А-87,6 является параметром компрессии, используемым в ЦСП в европейских странах, в том числе и в нашей стране. Характеристика симметрична относительно нуля, положительная и отрицательная ее ветви состоят из восьми сегментов, каждый сегмент поделен на 16 одинаковых шагов (внутри сегмента квантование равномерное). Сегменты имеют номера от 1 до 8, начиная от центральной части характеристики. Каждый сегмент начинается с определенного эталонного сигнала (эталона), называемого основным эталонным током. Основные эталонные токи указаны на рисунке 7.5 в начале каждого сегмента и в таблице 7.1.
Каждый сегмент характеристики содержит 16 уровней квантования, они нумеруются от 0 до 15. Общее число уровней равно 256 (по 128 для каждой полярности сигнала). Каждый из 16 уровней внутри соответ-ствующего сегмента может быть сформирован с помощью сочетания четырех эталонных сигналов, называемых дополнительными эталонными токами. Дополнительные эталонные токи для каждого сегмента указаны в таблице 7.1.
В первом и втором сегментах шаг квантования минимален и равен Δ. По этой причине четыре центральных сегмента (два в положительной и два в отрицательной областях) образуют, фактически, один сегмент. Поэтому фактическое число сегментов характеристики равно 13.
|
|
|
|
Рисунок 7.5– Характеристика компрессии типа А-87,6/13
Шаг квантования в пределах сегмента постоянный. При переходе к сегменту с большим порядковым номером происходит увеличение шага квантования в 2 раза. Максимальный шаг квантования составляет 64Δ.
Таблица 7.1 – Параметры амплитудной характеристики типа А-87,6/13
| Номер сег-мента | Кодовая комбинация номера сегмента | Эталонные токи | Шаг кванто-вания
| Эталонные сигналы коррекции | ||||
| основ- ной | дополнительные | |||||||
| 1 | 000 | – | 8 | 4 | 2 | 1 | 1 | 0,5 |
| 2 | 001 | 16 | 8 | 4 | 2 | 1 | 1 | 0,5 |
| 3 | 010 | 32 | 16 | 8 | 4 | 2 | 2 | 1 |
| 4 | 011 | 64 | 32 | 16 | 8 | 4 | 4 | 2 |
| 5 | 100 | 128 | 64 | 32 | 16 | 8 | 8 | 4 |
| 6 | 101 | 256 | 128 | 64 | 32 | 16 | 16 | 8 |
| 7 | 110 | 512 | 256 | 128 | 64 | 32 | 32 | 16 |
| 8 | 111 | 1024 | 512 | 256 | 128 | 64 | 64 | 32 |
Кодирование
Полученный в результате дискретизации и квантования АИМ-сигнал для завершения аналого-цифрового преобразования необходимо подвергнуть процессу кодирования. Кодированием называется процесс преобразования квантованных импульсов АИМ-сигнала в m-разрядные группы двоичных символов. Группа двоичных символов, каждый из которых может принимать значение 0 или 1 называется кодовой комбинацией. Преобразование происходит в соответствии с определенным законом – кодом, который задается аналитически или в виде таблицы. Для кодирования телефонных сигналов в современных телекоммуникационных системах применяют симметричный двоичный код. Код предназначен для кодирования двухполярных сигналов, символ первого разряда определяется знаком АИМ- отсчета (1 - положительный отсчет, 0 - отрицательный отсчет), а символы остальных разрядов – абсолютным значением отсчета, выраженным в двоичной системе исчисления. В первых системах передачи использовался натуральный код который отличался от симметричного тем, что первый разряд не содержал сведения о знаке кодируемого отсчета. Все уровни находятся на одинаковом расстоянии ∆ друг от друга (рисунок 8.1). Каждый уровень имеет номер.
Рисунок 8.1 - Равномерное квантование
При симметричном кодировании номера могут быть положительными и отрицательными (таблица на рисуноке 8.1), при натуральном только положительными. Количество уровней квантования зависит от максимального значения сигнала и определяется по формуле:
- для симметричного кодирования
- округлить в большую сторону
- для натурального кодирования
- округлить в большую сторону.
В многоканальных системах передачи принято восьми разрядное кодирование. В общем виде кодовая комбинация может быть записана следующим образом:
а7∙27 + а6∙26 + а5∙25 + а4∙24 + а3∙23 + а2∙22 + а1∙21 + а0∙20
2n – определяет вес каждого разряда (128∆, 64∆, 32∆, 16∆, 8∆, 4∆, 2∆, ∆), эти величины также называют эталонами.
При натуральном кодировании используются все эталоны. При симметричном не используется 128∆, так как в первом разряде передаются сведения о знаке кодируемого номера уровня.
Рассмотрим на примере. Необходимо закодировать первый и второй отсчеты (см. рисунок 8.1), то есть номера уровней, до которых было произведено округление сигнала.
При симметричном кодировании это номера +3 и -2. При натуральном это 6 и 1.
Кодирование выполняется методом сравнения кодируемой величины и значением эталонов. Сравнение выполняет компаратор. Суммарное количество эталонных величин должно соответствовать кодируемой величине. Результат кодирования приводится ниже.
+3 → 1 + 0∙26 + 0∙25 + 0∙24 + 0∙23 + 0∙22 + 1∙21 + 1∙20 → 10000011
-2 → 0 + 0∙26 + 0∙25 + 0∙24 + 0∙23 + 0∙22 + 1∙21 + 0∙20 → 00000010
При симметричном кодировании используется 7 эталонов. Первый эталон не используется.
При натуральном кодировании используются все эталоны. Кодируем уровни 6 и 1 (см. рисунок 8.1).
6 → 0∙128 + 0∙64 + 0∙32 + 0∙16 + 0∙8 + 1∙4 + 1∙2 + 0∙20 → 00000110
1 → 0∙128 + 0∙64 + 0∙32 + 0∙16 + 0∙8 + 0∙4 + 0∙2 + 1∙20 → 00000001
В основном, в системах ИКМ применяются симметричные кодеры взвешивающего типа. Кодер взвешивающего типа линейной шкалой квантования представлен на рисунке 8.2. На рисунке 8.2 обозначено:
К – компаратор (схема сравнения), работает по алгоритму:
если UАИМ ≥ UЭТ1, то U3 = 1
если UАИМ < UЭТ1, то U3 = 0
ГЭН – генератор эталонных напряжений
UЭТ1 = 2m-1 ∙ ∆,
UЭТ2 = 2m-2 ∙ ∆,
UЭТm = ∆,
где m – число информационных посылок; если разрядность кода равна 8, то одна посылка используется для кодирования знака отсчета, а информационных будет 7.
ЛУ – логическое устройство.
Рисунок 8.2 - Кодер взвешивающего типа с линейной шкалой квантования
Импульсы тактовой частоты (fт) поступают из ГОпер и вызывают появление сигналов «1» на выходах логического устройства. Первый тактовый импульс появляется на нулевом (0) выходе ЛУ. При этом вход компаратора эталонные напряжения не подключаются (Uэт=0). Если кодируется положительный отсчет, то в конце такта замыкается ключ Кл+, и подключается на весь этап кодирования генератор положительных эталонных напряжений. В другом случае (UАИМ < 0) замыкается ключ Кл-, и подключается на весь этап кодирования генератор отрицательных эталонных напряжений. Второй тактовый импульс вызывает появление сигнала «1» на первом (1) выходе ЛУ, и к входу компаратора 2 подключается UЭТ1. Сигнал «1» с выхода компаратора оставит это напряжение подключенным до конца этапа кодирования, а сигнал «0» отключит это эталонное напряжение. каждый последующий тактовый импульс вызывает появление сигнала «1» на соответствующих выходах ЛУ и подключение соответствующего эталонного напряжения. Сигнал «1» с выхода компаратора оставляет UЭТ1 подключенным, а сигнал «0» отключает их. В конце восьмого такта из ГОпер поступает сигнал сброса, который устанавливает все устройства в исходные состояния.
Рассмотрим пример кодирования. Закодируем отсчет UАИМ = 107∆, где ∆ величина напряжения шага квантования. Результаты сведем в таблицу 8.1.
Таблица 8.1 – Этапы кодирования
| № такта | Знак Вх.0 | 26 1 | 25 2 | 24 3 | 23 4 | 22 5 | 21 6 | 20 7 | Сравнение | |
| 1 | Н | 1 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | UАИМ < UЭТ1 = 0 |
| К | 1 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | ГЭН+ подключен | |
| 2 | Н | 1 | 1 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | UЭТ1 = 26 = 64∆ < 107∆ |
| К | 1 | 1 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | U3=1, UЭТ1=64∆, не отключается | |
| 3 | Н | 1 | 1 | 1 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | UЭТ1+UЭТ2=64∆+32∆=96∆ <107∆ |
| К | 1 | 1 | 1 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | U3=1, UЭТ2=32∆, не отключается | |
| 4 | Н | 1 | 1 | 1 | 1 | 0 | 0 | 0 | 0 | UЭТ1+UЭТ2+ UЭТ3=112∆ >107∆ |
| К | 1 | 1 | 1 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | U3=0, UЭТ3=16∆, отключается | |
| 5 | Н | 1 | 1 | 1 | 0 | 1 | 0 | 0 | 0 | UЭТ1+UЭТ2+ UЭТ4=104∆ <107∆ |
| К | 1 | 1 | 1 | 0 | 1 | 0 | 0 | 0 | U3=1, UЭТ4=8∆, не отключается | |
| 6 | Н | 1 | 1 | 1 | 0 | 1 | 1 | 0 | 0 | UЭТ1+UЭТ2+UЭТ4+UЭТ5=108∆>107∆ |
| К | 1 | 1 | 1 | 0 | 1 | 0 | 0 | 0 | U3=0, UЭТ5=4∆, отключается | |
| 7 | Н | 1 | 1 | 1 | 0 | 1 | 0 | 1 | 0 | UЭТ1+UЭТ2+UЭТ4+UЭТ6=106∆<107∆ |
| К | 1 | 1 | 1 | 0 | 1 | 0 | 1 | 0 | U3=1, UЭТ6=2∆, не отключается | |
| 8 | Н | 1 | 1 | 1 | 0 | 1 | 0 | 1 | 1 | UЭТ1+UЭТ2+UЭТ4+UЭТ6+UЭТ7=107∆ |
| К | 1 | 1 | 1 | 0 | 1 | 0 | 1 | 1 | U3=1, UЭТ6=∆, не отключается | |
Кодирование завершено. Ошибка квантования равно 0.
В современных ЦСП применяются нелинейные кодирующие и декодирующие устройства (нелинейные кодеки), обеспечивающие кодирование и декодирование сигналов с неравномерной шкалой квантования при восьмиразрядном коде. Ранее была рассмотрена нелинейная характеристика квантования, используемая в нелинейных кодерах (рисунок 7.5). Наиболее часто используют нелинейные кодеки взвешивающего типа. Принцип работы таких кодеров заключается в уравновешивании кодируемых отсчетов суммой эталонных токов (напряжений) с определенными весами.
Для кодирования двухполярного сигнала в кодере необходимо сформировать по 11 эталонных токов каждой полярности. В кодере формируются следующие величины эталонных токов: Δ, 2Δ, 4Δ, 8Δ, 16Δ, 32Δ, 64Δ, 128Δ, 256Δ, 512Δ, 1024Δ.
Кодирование осуществляется в течение восьми тактов, в каждом из которых формируется один из символов кодовой комбинации. При этом можно выделить три этапа:
определение и кодирование полярности отсчета (такт 1);
определение и кодирование номера сегмента, в котором заключен кодируемый отсчет (такты 2, 3, 4);
определение и кодирование номера уровня квантования внутри сегмента (такты 5, 6, 7, 8).
В первом такте определяется знак поступившего на вход кодера очередного отсчета. Если знак положительный, то в первом разряде кодовой комбинации формируется «1», если знак отсчета отрицательный, то в первом разряде будет сформирован «0».
Формирование кода номера сегмента осуществляется следующим образом. Во втором такте происходит сравнение кодируемого отсчета и среднего из семи основных эталонных токов 128Δ (см. рисунок 4.5 и таблицу 4.1). Если амплитуда отсчета больше 128Δ, то принимается решение, что отсчет находится в одном из четырех сегментов, находящихся выше сегмента с основным эталоном 128Δ (с пятого по восьмой) и на выходе кодера во втором разряде формируется символ «1». Если же амплитуда отсчета меньше 128Δ, то принимается решение, что кодируемый отсчет находится в одном из четырех сегментов, находящихся ниже сегмента с основным эталоном 128Δ (с первого по четвертый) и на выходе кодера во втором разряде формируется символ «0».
В третьем такте формируется третий символ кодовой комбинации. Если в предыдущем такте на входе кодера была сформирована «1», то в третьем такте будет происходить сравнение кодируемого отсчета с эталонным током 512Δ, который является средним из основных эталонных токов, находящихся в сегментах с 5 по 8. Если после сравнения амплитуда отсчета оказалась больше 512Δ, то принимается решение, что отсчет находится в пределах седьмого или восьмого сегментов характеристики и на выходе кодера в третьем разряде формируется «1». Если амплитуда отсчета меньше 512Δ, то принимается решение, что отсчет попадает в четвертый или пятый сегмент, и формируется «0» в третьем разряде.
Если во втором такте в качестве второго разряда был сформирован «0», то в третьем такте кодируемый отсчет будет сравниваться с эталонным током 32Δ, соответствующего нижней границе второго сегмента. Если амплитуда отсчета больше 32Δ, то принимается решение, что отсчет находится в пределах второго или третьего сегментов характеристики и на выходе кодера в третьем разряде формируется «1». Если амплитуда отсчета меньше 32Δ, то принимается решение, что отсчет попадает в один из младших сегментов, и в третьем разряде формируется «0».
В четвертом такте кодирования формируется последний символ в коде номера сегмента. В зависимости от предыдущих символов устанавливается окончательно номер сегмента. Если во втором и третьем разрядах, соответственно, были сформированы «1» и «0», то включается эталонный ток 256Δ, соответствующий нижней границе пятого сегмента. Если амплитуда отсчета больше 256Δ, то принимается решение, что отсчет находится в пятом сегменте, формируется «1» в четвертом разряде и эталонный ток 256Δ остается включенным до конца процесса кодирования данного отсчета. Если амплитуда отсчета меньше 256Δ, то принимается решение, что отсчет попадает в четвертый сегмент, в третьем разряде формируется «0» и до конца кодирования включается эталон 128Δ, соответствующий нижней границе четвертого сегмента.
Алгоритм определения номера сегмента приведен на рисунке 8.3.
Рисунок 8.3 – Алгоритм определения номера сегмента
В результате после четырех тактов кодирования сформируются четыре символа восьмиразрядной кодовой группы, и будет оставлен включенным один из восьми эталонных токов, соответствующий нижней границе сегмента, в котором находится кодируемый отсчет. В таблице 7.1 представлены возможные кодовые комбинации, соответствующие номерам сегментов.
За время оставшихся четырех тактов (с 5 по 8) определяется номер уровня внутри выбранного сегмента, и последовательно формируются с пятого по восьмой разряды кодовой группы. Номер уровня квантования также определяется методом поразрядного взвешивания. Требуемый номер уровня составляется из набора основного и дополнительных эталонов выбранного сегмента (см. таблицу 7.1). Дополнительные эталоны подключаются последовательно, в порядке уменьшения.
На рисунке 8.4 представлена упрощенная структурная схема нелинейного кодера взвешивающего типа, содержащая компаратор К, два генератора эталонных токов ГЭТ1 и ГЭТ2, цифровой регистр ЦР, компрессирующую логику КЛ, блок коммутации эталонов БКЭ и преобразователь кода ПК.
Компаратор является схемой сравнения, которая определяет знак разности между амплитудой тока кодируемого отсчета и суммы эталонных токов.
Рисунок 8.4 - Нелинейный кодер взвешивающего типа
Если в момент кодирования эта разность больше 0 (Iсигн > Iэт), то на выходе компаратора формируется «0» , в противном случае – «1».
Два генератора эталонных токов вырабатывают по одиннадцать эталонов от 1∆ до 1024∆. ГЭТ1 вырабатывает эталонные токи положительной полярности, а ГЭТ2 вырабатывает эталонные токи отрицательной полярности.
Восьмиразрядный цифровой регистр с логикой управления записывает и хранит информацию от компаратора, в соответствии с которой формируются сигналы управления работой ГЭТ1 и ГЭТ2. Компрессирующая логика представляет собой логическую схему, преобразовывающую семиразрядный код, поступающий с выходов ЦР, в сигналы управления ключами ГЭТ.
Блок коммутации эталонов пропускает сигналы компрессирующей логики на входы одного из ГЭТ в зависимости от полярности отсчета.
Преобразователь кода преобразует параллельный код в последовательный.
Работой узлов кодера управляют импульсы, поступающие от генераторного оборудования передачи.
Ниже приведен пример кодирования положительного отсчета Iаим=410∆.
1 такт: первый выход ЦР переводится в состояние «1», это означает включение ГЭТ1. В это время на первый вход компаратора поступает кодируемый отсчет Iаим=410∆, на второй вход компаратора эталонные токи не поступают. Компаратор определяет разность «410∆−0» и сравнивает ее с нулем. В данном случае получаем (410∆−0)>0, поэтому на выходе компаратора формируется 0. Решение компаратора поступает в ЦР и сохранит единичное состояние первого выхода ЦР.
2 такт: в состояние «1» переводится второй выход ЦР, на второй вход компаратора подключается эталон 128∆. Компаратор определяет разность (410∆−128∆) и сравнивает ее с нулем: (410∆−128∆)>0. На выходе компаратора формируется «0» и единичное состояние второго выхода ЦР сохранится. Далее эталон 128∆ снимается.
3 такт: третий выход ЦР переводится в состояние «1», на второй вход компаратора подключается эталон 512∆. Компаратор находит разность кодируемого отсчета и эталонного тока (410∆−512∆)и сравнивает ее с нулем: (410∆−512∆)<0. Так как разность получилась меньше нуля, на выходе компаратора формируется «1» и состояние «1» на третьем выхода ЦР изменится на «0». Далее эталон 512∆ снимается.
4 такт: четвертый выход ЦР переводится в состояние «1», на второй вход компаратора подключается эталон 256∆. Компаратор находит разность кодируемого отсчета и эталонного тока (410∆−256∆) и сравнивает ее с нулем. Разность (410∆ - 256∆)>0, на выходе К формируется «0» и состояние «1» на четвёртом выходе ЦР сохранится.
За второй, третий и четвертый такты на 2, 3 и 4 выходах ЦР сформировалась комбинация 101. Используя указанные в таблице 4.1 коды, соответствующие номерам сегментов, определяем, что кодовая комбинация 101 соответствует шестому сегменту. Для шестого сегмента основным является эталон 256∆, а дополнительными эталонами - 128∆, 64∆, 32∆, 16∆. Комбинация «101» на 2, 3 и 4 выходах ЦР означает, что ток эталона, равный 256∆, будет подключен ко второму входу компаратора до окончания кодирования отсчета 410∆.
5 такт: в состояние «1» переводится пятый выход цифрового реги-стра. При этом к основному эталону 256∆ прибавляется дополнительный эталон 128∆. Разность кодируемого отсчета и эталонных токов оказывается больше нуля: (410∆−(256∆+128∆))>0, на выходе компаратора формируется «0» и состояние единицы на пятом выходе ЦР сохранится.
6 такт: в состояние «1» переводится шестой выход цифрового регистра. При этом, к ранее включённым эталонам 256∆ и 128∆, прибавляется дополнительный эталон 64∆. Таким образом, компаратор сравнивает Iсигн=410∆ и сумму эталонных токов 256∆, 128∆, 64∆. Разность тока сигнала и суммы эталонных токов (410∆−(256∆+128∆+64∆))<0, на выходе компаратора формируется «1», и состояние единицы на шестом выходе ЦР изменится на состояние «0». Это означает отключение эталона 64∆.
7 такт: в состояние «1» переводится седьмой выход ЦР. При этом, к ранее включённым эталонам 256∆ и 128∆,прибавляется дополнительный эталон 32∆. Компаратор сравнивает Iсигн=410∆ и сумму эталонных токов 256∆, 128∆, 32∆. Разность тока сигнала и суммы эталонных токов (410∆−(256∆+128∆+32∆))< 0, на выходе компаратора формируется «1», и состояние единицы на седьмом выходе ЦР изменится на состояние «0». Это означает отключение эталона 32∆.
8 такт: в состояние «1» переводится восьмой выход ЦР. При этом, к ранее включённым эталонам 256∆ и 128∆,прибавляется дополнительный эталон 16∆. Компаратор сравнивает Iсигн=410∆ и сумму эталонных токов 256∆, 128∆, 16∆. Разность тока сигнала и суммы эталонных токов (410∆−(256∆+128∆+16∆))>0, на выходе компаратора формируется «0» и состояние единицы на восьмом выходе ЦР сохранится. Это означает, что эталон 16∆ останется включенным.
Таким образом, отсчёт 410∆ закодирован восьмиразрядной кодовой группой 11011001, что соответствует девятому уровню квантования внутри шестого сегмента положительной части характеристики квантования.
Рассмотренный пример кодирования отсчета 410∆ представлен в таблице 8.2.
По окончании кодирования каждого отсчета с помощью управляющих импульсов от генераторного оборудования передачи обнуляются все выходы цифрового регистра, подготавливая кодер к кодированию следующего отсчета.
Ошибка квантования определяется по формуле:
Iош = Iсигн− ∑Iэт,
для рассмотренного примера она составит: Iош = 410∆−400∆=10∆.
Таблица 8.2 – Пример кодирования АИМ-отсчета
| Такты | Эталонные токи | Разность Iсигн− ∑Iэт | Решение компа-ратора | Запись решения в цифровой регистр |
| 1 | 0 | 410∆ − 0 > 0 | 0 | 1 |
| 2 | 128 | 410∆− 128∆> 0 | 0 | 1 |
| 3 | 512 | 410∆ − 512∆< 0 | 1 | 0 |
| 4 | 256 | 410∆ − 256∆> 0 | 0 | 1 |
| Основной эталонный ток: 256∆ | ||||
| 5 | 128 | 410∆ − (256∆+128∆) > 0 | 0 | 1 |
| 6 | 64 | 410∆ − (256∆+128∆+64∆) < 0 | 1 | 0 |
| 7 | 32 | 410∆ − (256∆+128∆+32∆) < 0 | 1 | 0 |
| 8 | 16 | 410∆ − (256∆+128∆+16∆) > 0 | 0 | 1 |
Декодирование
Декодирование заключается в формировании на выходе декодера сигнала АИМ из кодовых комбинаций ИКМ сигнала. Амплитудная характеристика декодера должна являться обратной функцией характеристики кодера, то есть общая характеристика тракта кодер-декодер должна быть линейна.
На рисунке 9.1 представлена упрощенная структурная схема нелинейного декодера взвешивающего типа, содержащая два генератора эталонных токов ГЭТ1 и ГЭТ2, блок выбора и коммутации эталонов БКЭ, блок экспандирующей логики ЭЛ и цифровой регистр ЦР.
Восьмиразрядные кодовые группы записываются в ЦР с помощью управляющих сигналов генераторного оборудования. После записи последнего (восьмого) символа кодовой комбинации на первом выходе ЦР появляется сигнал, управляющий БКЭ. Сигналы с остальных выходов определяют номера эталонов, которые необходимо включить для формирования требуемой амплитуды сигнала. В отличие от кодера при декодировании максимальное число используемых эталонов при формировании одного импульса – шесть, так как одновременно с включением основного эталона включается сигнал коррекции. Величина тока эталона коррекции равна половине минимального эталонного сигнала данного сегмента. Эталонные сигналы коррекции для соответствующих сегментов приведены в таблице 7.1.
Включение корректирующих эталонов определяется состоянием выходов со второго по четвертый цифрового регистра. Сигналы с пятого по восьмой выходов ЦР обеспечивают включение набора эталонов, соответствующих номеру уровня квантования в пределах сегмента. Например, при декодировании кодовой комбинации 11011001 включается ГЭТ1, формирующий эталонные токи положительной полярности (так как в первом разряде поступила «1»).
Рисунок 9.1 – Структурная схема нелинейного декодера
Кодовые символы во втором, третьем и четвертом разрядах означают пятый номер сегмента и подключение эталонного тока 256∆. Символы с пятого по восьмой данной кодовой комбинации обеспечивают подключение соответствующих дополнительных эталонов пятого сегмента: 128∆ и 16∆. Эталонный ток коррекции для пятого сегмента равен 8∆. Таким образом, общее суммарное значение эталонных токов, то есть амплитуда АИМ-отсчета, на выходе декодера будет составлять 408∆. В таблице 9.1 приведен пример декодирования кодовой группы 00101010.
Таблица 9.1 - Пример декодирования
|
| Опреде-ление поляр- ности | Подключение эталонных токов | Сумма эталон-ных токов | |||||||
| основного | дополнительных | кор- рекции | ||||||||
| 1 | 2 | 3 | 4 | |||||||
| Кодовая комбинация | 0 | 0 | 1 | 0 | 1 | 0 | 1 | 0 | ||
| Значения эталонных токов | «-» | 32
 Мы поможем в написании ваших работ! | ||||||||