Компандирование по закону A (13-сегментное компандирование)




Преобразования информационного сигнала

Современные сети связи, применяющие цифровые системы передачи, обладают большим потенциалом для доставки всех типов информации, а следовательно, для организации многих типов услуг.

Разработка средств телекоммуникаций на ранних этапах развития была жестко ориентирована на конкретные приложения, которые приводили к созданию новых систем передачи. Телеграфия была разработана специально для передачи текстовых сообщений. Это было первое использование двоичных представлений для передачи текстов и первая разработка цифровых систем обмена для передачи двоичной информации. Позже была создана телефония для передачи речевой информации, которая вначале была основана на аналоговых системах передачи. Изобретение импульсно­кодовой модуляции (PCM) позволило передавать речь по цифровой сети тем же самым способом, что и тексты в двоичных кодах, а именно в виде единиц. В настоящее время происходит другой важный переход технологии — от аналога к цифровой передаче, а именно, переход от аналоговых телевизионных систем к полностью цифровым телевизионным системам. Когда этот переход будет закончен, все главные формы информации будут представлены в цифровой форме. Эта замена откроет путь для развертывания цифровых сетей передачи информации всех главных типов информационных служб.

В этой главе рассматриваются основные понятия цифровой передачи [8.1, 8.4].

Эти понятия формируют базу для разработки цифровых систем передачи, которые представляют физический уровень современной архитектуры всех сетей.

Импульсно-кодовое преобразование состоит из трех этапов:

  1. дискретизации;
  2. квантования и кодирования;
  3. мультиплексирования.

Рассмотрим все три этапа более подробно.

Дискретизация

Для перехода от непрерывного к дискретному сигналу на передающем конце через равные промежутки времени производится периодический опрос аналогового сигнала. Полученные импульсы отсчетов передаются на приемный конец. Если опрос проводится с достаточной частотой, то на приемном конце он может быть восстановлен. Диаграмма такого процесса (рис. 8.1) представляет результат измерения опробования точек синусоиды и показывает состав устройств на приемном и передающем концах.


Рис. 8.1. Принцип преобразования непрерывного сигнала

Для того чтобы сигнал на приемном конце можно было восстановить, частота дискретизации в соответствии теоремой Найквиста-Котельникова должна быть в 2 раза больше, чем ширина полосы, занимаемой входным сигналом:

где — ширина полосы входного сигнала.

Принцип устройства для преобразования аналогового сигнала в цифровой показан на рис. 8.1. Входной сигнал опрашивается с помощью дискретных сигналов опроса (отсчетов). Эти отсчеты передаются в линию. На приемном конце они поступают на вход фильтра низкой частоты, который отделяет высокие частоты. В общем случае, каждый дискретный сигнал представляет импульс, имеющий основную частоту и спектр (две боковые полосы).

На рис. 8.2 показан спектр такого импульса. В центре стрелка указывает на основную частоту, содержащуюся в этом импульсе (она совпадает с моментами дискретизации, которые условно приходятся на середину импульса). Обозначение "BW" условно представляет отрицательную и положительную часть частотной полосы, занимаемой этим импульсом. На рис. 8.2 приведены три варианта:

рис. 8.2б — частота дискретизации ;

рис. 8.2в — частота дискретизации ;

рис. 8.2г — частота дискретизации .


Рис. 8.2. Спектр сигнала отсчета (если его частота меньше 2BW, то исходный сигнал не может быть точно восстановлен)

На оси частот показан спектр, выделяемый фильтром. Каждый раз он пропускает один и тот же спектр частот, который совпадает со спектром в начальной точке. Поэтому характеристика фильтра обозначается так:

— в начальный момент времени;

— в момент времени, отстоящий от начального на один момент отсчета;

— в момент времени, предшествующий начальному на один момент отсчета.

Полный спектр сигнала на выходе фильтра формируется как сумма спектров отдельных импульсов.

Как видно из рис. 8.2, при спектры отдельных импульсов совпадают и сигнал искажается из-за взаимного влияния отдельных импульсов.

Так что условием для правильного воспроизведения сигнала на приеме является

При замене аналогового сигнала цифровыми отсчетами имеется еще одно явление, вызывающее искажение: сигналы, имеющие частоту выше речевого спектра, могут порождать на приеме сигналы в речевом спектре. На рис. 8.3 приводится пример, когда сигнал частотой 5,5 КГц, при дискретизации с частотой 8 КГц (нарушение условия Найквиста-Котельникова) на приеме при прохождении фильтра речевого диапазона порождает сигнал 2,5 КГц.

Для исключения этого явления необходимо на передаче до дискретизации ограничить полосу исходного сигнала.


Рис. 8.3. Порождение сигнала 2,5 КГц при передаче сигнала 5,5 КГц

На рис. 8.3 показан процесс возникновения помех. В этом примере сигнал с частотой 5,5 КГц дискретизируется с частотой в 8 КГц.

При определенных на рис. 8.3 соотношениях амплитуд значения дискрет, получаемые для более высокой частоты 5,5 КГц, совпадают со значениями, получаемыми для более низкой частоты; при прохождении выходного фильтра с частотой среза 4 КГц возникает сигнал с частотой 2,5 КГц, который не поступал на вход. Этот пример показывает, что из входного сигнала перед дискретизизацией должны быть отделены все сигналы, имеющие частоту выше, чем .

Надо сразу же заметить, что применение таких фильтров в тракте ухудшает условия для передачи высокоскоростных данных и при комбинированном (интегральном) использовании тракта при необходимости эти фильтры должны отключаться.

Рассмотренный выше принцип позволяет перейти от непрерывного сигнала к дискретному. При этом каждая дискрета несет информацию о значении сигнала в момент отсчета. Этот способ передачи получил название "амплитудно-импульсная модуляция" (АИМ). Однако такой способ обмена сигналами оказался не помехоустойчивым. Помехи в первую очередь действуют на амплитуду сигнала, искажения амплитуды происходят при прохождении сигнала через усилители, поскольку каждый усилитель имеет ограничение по амплитуде. Поэтому этот способ применялся недолго и вскоре был заменен способом импульсно­кодовой модуляции, принцип которого заключается в том, что вместо сигнала с конкретной амплитудой передается его числовое значение.

Чтобы реализовать такой переход, необходим процесс "квантования", который осуществляется Аналого-Цифровым Преобразователем — АЦП.

 

Квантование

Процесс квантования заключается в определении значения амплитуды каждого отсчета и присвоении этой величине соответствующего двоичного значения. Самое простое — это равномерное квантование (uniform quiantization). При этом типе квантования диапазон амплитуды входного сигнала (при равномерном квантовании он обычно составляет 30 дБ) разбивается на поддиапазоны с одинаковой величиной шага.


Рис. 8.4. Равномерное квантование

Внутри каждого шага величина измеряемого сигнала считается постоянной. На рис. 8.4 показан принцип квантования. По оси x отложены значения величины отсчетов входного сигнала , , , , где — величина шага квантования. В общем виде это может быть непрерывная величина, которая принимает любое значение, указанное между шагами квантования. Однако на выходе значение изменяется только в точке начала кантового шага и сохраняется неизменным до его конца. Оно равно значению в середине шага квантования. На рис. 8.5 приведен пример равномерного квантования. Кривая, показанная на рис. 8.5, опрашивается через равные промежутки времени. Величины каждого из отсчетов приведены в таблице 8.1.

Там же приведена соответствующая величина отсчета после квантования.


Рис. 8.5. Пример равномерного квантования

Таблица 8.1. Величина величины отсчетов до и после квантования
Номер точки Величина исходного значения Величина после квантования
t1 2,1 2,5
t2 3,5 3,5
t3 1,5 1,5
t4 -3,1 -3,5
t5 0,4 -0,5
t6 2,2 2,5
t7 -2,1 -2,5
t8 -3,1 -3,5

Обычно диапазон максимального изменения сигнала разбивается на интервалов. Величина определяется из равенства и .

Число шагов квантования определяется динамическим диапазоном сигнала (отношением максимальной амплитуды сигнала к минимальной амплитуде):

Типичное значение минимального динамического диапазона составляет 30 дБ [8.1].

Разность между истинной величиной входного сигнала и величиной, полученной в результате квантования, называется ошибкой квантования и приводит к искажению речи, называемому шумом квантования сигнала. Он уменьшается путем увеличения числа шагов квантования.

Отношение "сигнал-шум" зависит от числа шагов квантования и выражается [8.1] соотношением

Заметим, что отношение в логарифмическом выражении обратно указанному в выражении динамического диапазона и имеет отрицательный знак.

Для передачи речи (для построения цифровых систем станций) в наиболее распространенных цифровых системах передачи выбраны 256 квантов. Это число позволяет обеспечить отличную разборчивость речи. Для двоичного кодирования такого числа квантов нужно 8 разрядов.

Как было сказано ранее, максимальная принятая полоса передачи речевого сигнала принята в диапазоне 0,3-3,4 кГц. Поэтому частота дискретизации должна быть

Один отсчет кодируется 8-разрядным кодом (256 шагов квантования), поэтому скорость передачи информации на линейном участке должна составлять

Это скорость стандартного цифрового канала при импульсно­кодовом методе кодирования.

Продолжая рассматривать вопросы квантования, можно заметить, что в случае различной амплитуды сигналов искажения при малых амплитудах будут больше, чем при больших. Напомним, что максимальная величина искажения (обозначим величину ) равна

, т.е. половине шага квантования.

Например, искажение сигнала величиной в 1 квант равно

или 50%,

а для сигнала величиной относительное искажение будет в 100 раз меньше:

Для реальных систем это свойство отрицательно влияет на качество речи, поскольку искажает и без того слабые сигналы. Особенно это сказывается на междугородной связи, где иногда приходится много раз преобразовывать сигнал на транзитных участках из цифровой в аналоговую форму и наоборот. При этом слабые сигналы могут быть искажены до уровня шума.

Выходом из этого положения является неравномерное кодирование. Одним из таких способов является компандирование.

 

Компандирование

Принцип компандирования заключается в том, что диапазон значений амплитуды от максимального до минимального разбивается на сегменты. Те из них, которые соответствуют меньшим значениям сигнала, квантуются более мелкими квантами, а для больших значений выбираются большие кванты, величина которых возрастает с номером сегмента.

Используются два закона неравномерного кодирования: -компандирование и A-компандирование. Они отличаются небольшими подробностями, которые мы рассмотрим позднее. Весь диапазон амплитуд разбивается на 8 сегментов, включая нулевой. Они нумеруются от 0 до 7 или, в двоичной системе, 000 —111.

В каждом сегменте для измерения применяются 16 шагов квантования различной величины (в двоичной системе они нумеруются от 0000 до 1111). При переходе от сегмента к сегменту величина шага квантования внутри сегмента увеличивается в 2 раза. Если шаг квантования в нулевом сегменте принять за 2 кванта, то в первом сегменте (при квантовании по закону A —значение кванта 2) во втором сегменте этот шаг составляет 4 кванта, в третьем — 8 и последнем, восьмом — 16 квантов. Если рассматривать величину шагов квантования с учетом уменьшения максимального значения сигнала в данном сегменте, точность квантования возрастает в два раза. Соответственно, уменьшается абсолютное значение ошибки квантования (напомним, что она равна половине шага квантования). Относительная ошибка на всех шагах приблизительно одинакова и определяется разбросом амплитуд конкретного сигнала в данном сегменте. Заметим, что при применении квантования число шагов квантования в каждом сегменте составляет 16. Величина каждого шага, как мы помним, разная. Код, передаваемый в линию, содержит в 1-м разряде знак комбинации значения сигнала (положительное/отрицательное), следующие 3 разряда — номер одного из восьми сегментов и 4 разряда — номер шага внутри сегмента. Таким образом, вместо передачи 13-разрядных комбинаций, образуемых на входе при 8192 (включая нулевой) квантах, в линию передаются 8 разрядов. Исходя из сказанного выше, формат, проходящий в линию, содержит один байт, структура полей которого показана на рис. 8.6.


Рис. 8.6. Структура байта для компандированного отсчета ИКМ

Поле имеет значение:

0 — при положительной величине,

1 — при отрицательной.

Кодирование остальных полей будет рассмотрено ниже.

Эту операцию называют сжатием диапазона передаваемой мощности (компрессия). На приемном конце эта информация приблизительно восстанавливается (расширяется — экспандируется). Поэтому устройство, которое совершает эту операцию (обычно это специальный диод с нелинейной характеристикой), называют КОМПАНДИРОВАНИЕ (компрессия — экспандирование).

В настоящее время компрессия включается в состав аналого­цифрового преобразователя (кодера), а экспандирование — в состав декодера.

Компандирование по закону A (13-сегментное компандирование)

Начнем с компандирования по закону A. При этом законе весь диапазон амплитуд измеряется с помощью 4096 квантов (в данном случае они выполняют функции единиц измерения амплитуды).

Условно (чтобы сохранить общий подход к двум законам) считается, что имеется 16 сегментов (8 отрицательных и 8 положительных).

Согласно принятому правилу компрессии, каждый сегмент содержит 16 шагов квантования, которые вместе с номером сегмента позволяют установить значения отсчета с точностью, определяемой номером сегмента. Нулевые сегменты (положительный и отрицательный) рассматриваются как один сегмент, имеющий 31 шаг квантования. При обоих законах компандирования имеется один шаг, перекрывающий начало координат. Кодовое слово 0 000 0000 обозначает значения, меньшие +1, а 1 000 0000 обозначает значения, большие (-1). Это приводит к числу сегментов 15.

Нулевой и первые два сегмента каждого знака имеют один и тот же шаг квантования (2 кванта) и могут рассматриваться как один сегмент положительного, а другой — отрицательного знака. Поэтому часто квантование по закону A называют "13-сегментным компандированием". Значения остальных сегментов и их нумерация будет зависеть только от величины амплитуды отсчетов.

Однако для упрощения алгоритмов кодирования используется представление характеристики компандирования в виде 16 сегментов. Таким образом, для нумерации сегментов (без учета знака) требуется три бита (значения номеров от 000 до 111). Конкретные коды кодирования/декодирования по A-закону приведены в таблице 8.2.

Таблица 8.2. Кодирование-декодирование согласно A-закону
Диапазон входных амплитуд размер шага код сегмента код шага квантования Десятичное значение кода Амплитуда на выходе
0-2 2-4 • • • 30-32 32-34 • • • 62-64     • • • • • • • • • • • • • • • • • •
64-68 • • • 124-128     • • • • • • • • •
128-136 • • • 248-256     • • • • • • • • •
256-272 • • • 496-512     • • • • • • • • •
512-544 • • • 992-1024     • • • • • • • • •
1024-1088 • • • 1984-2048     • • • • • • • • •
2048- 2176 • • • 3968-4096     • • • • • • • • •

При передаче биты инвертируются через один.



Поделиться:




Поиск по сайту

©2015-2024 poisk-ru.ru
Все права принадлежать их авторам. Данный сайт не претендует на авторства, а предоставляет бесплатное использование.
Дата создания страницы: 2016-04-27 Нарушение авторских прав и Нарушение персональных данных


Поиск по сайту: