Кодеры и декодеры с линейной шкалой квантования

Кодеры цифровых систем передачи с ИКМ-ВРК предназначены для преобразования АИМ сигналов после их квантования в цифровую форму. Операции квантования и кодирования в современных ЦСП с ИКМ-ВРК обычно совмещаются. Если квантование осуществляется с постоянным шагом (равномерное), то такие кодеры называются кодерами с линейной шкалой квантования, если же шаг квантования изменяется (нелинейное квантование), то такие кодеры называются кодерами с нелинейной шкалой квантования. В ЦСП с ИКМ применяются кодеры с нелинейной шкалой квантования, но при их построении на первой ступени кодирования используются кодеры с линейной шкалой квантования. Поэтому вначале рассмотрим принципы построения и функционирования кодеров с линейной шкалой квантования.

Различные типы кодеров, использующихся в ЦСП с ИКМ-ВРК, по принципу их действия разделяют на три группы:

- с преобразованием кодируемой величины во временной интервал (кодеры последовательного счета);

- поразрядного сравнения (взвешивающие кодеры);

- с кодовым полем (матричные кодеры).

Кодеры поразрядного сравнения, или взвешивающие кодеры, нашли самое широкое применение в ЦСП с ИКМ-ВРК. Структурная схема такого кодера и временные диаграммы, поясняющие общие принципы его работы, приведены на рис. 1,а и 1,б соответственно.

Кодирование в такой схеме аналогично процессу взвешивания тяжести при помощи набора гирь на чашках весов. После помещения взвешиваемого предмета на чашку весов устанавливают гирю наибольшего веса, по результату первой операции взвешивания принимают решение: если взвешиваемый предмет тяжелее гири, то ее оставляют на весах и дополнительно устанавливают на чашку гирю меньшего веса; а если взвешиваемый предмет легче гири, то перед установкой второй гири первую снимают и т.д. до полного уравновешивания предмета набором гирь.

Рис. 1. Обобщенная структурная схема кодера поразрядного

кодирования (а) и временная диаграмма его работы (б)

В схеме рис. 1,а происходит последовательное сравнение кодируемого сигнала с рядом эталонных сигналов, равных , где т - число разрядов в кодовой комбинации, i — номер разряда, d₀ - шаг равномерного квантования. Кодируемый отсчет АИМ сигнала U_OTC поступает на схему сравнения СС₁ 1-го каскада, где он сравнивается с эталоном наибольшего веса U_эт1, равным .

Если напряжение входного сигнала U_OTC больше напряжения U_эт1, то на выходе 1 схемы СС₁ появится напряжение, равное , которое вычитается из сигнала в схеме вычитания СВ₁;при этом на вход второго каскада кодера подается напряжение U_p1, а на выходе 2 схемы СС₁ формируется первый символ кодовой комбинации. Если напряжение кодируемого отсчета U_OTC меньше U_эт1,то он проходит через схему СВ₁ без изменения, так как в этом случае на выходе 1 напряжение отсутствует, на выходе 2 этой же схемы формируется пробел (нуль) кодовой комбинации. Следующие каскады кодера работают аналогичным образом. Число каскадов кодера равно числу разрядов в кодовой комбинации, которое, в свою очередь, связано с числом уровней квантования М соотношением М = 2^т. Если, например, кодируемый сигнал квантуется 128-ю уровнями, то кодер состоит из семи каскадов.

Кодовая комбинация формируется в виде параллельного кода, который для целей передачи преобразуется в последовательный код ИКМ сигнала.

Поясним процесс кодирования числовым примером. Пусть амплитуда отсчета АИМ сигнала U_OTC = 100 d₀. При 7-разрядном кодировании эталонные напряжения имеют следующие значения: U _эт1 = 64×d₀, U _эт2 = 32×d₀, U _эт3 = 16×d₀, U _эт4 = 8×d₀, U _эт5 = 4×d₀, U _эт6 = 2×d₀, U _эт7 = d₀. Процесс формиро­вания кодовой комбинации представлен на рис. 1,б.

Отсчет с амплитудой U_OTC, подлежащий кодированию, устанавливается на входе кодера в момент времени 0...t₀ затем происходит его сравнение с эталоном U _эт1. При этом на кодовом выходе первого каскада будет сформирована 1, а на вход второго каскада кодера поступает разностный сигнал .

Аналогичным образом на кодовом выходе второго каскада будет сформирована вторая 1, а на вход третьего каскада поступит разностный сигнал, равный . Очевидно, на кодовых выходах третьего и четвертого каскадов кодера будут сформированы 0, так как разностный сигнал, равный меньше эталонов третьего и четвертого каскадов. Разностный сигнал поступит на схему сравнения пятого каскада, для которого . В этом случае возможны два исхода:

1) на кодовым выходе пятого каскада будет сформирована 1, и процесс поразрядного сравнения и вычитания на этом прекратится, так как разностный сигнал на входах шестого и седьмого каскадов будет равен нулю;

2) на кодовом выходе пятого каскада будет сформирован 0, на вход шестого каскада поступит разностный сигнал, равный , и на его выходе будет сформирована 1. Аналогично, на вход седьмого каскада поступит разностный сигнал, равный , и на его кодовом выходе будет также сформирована 1.

В идеальном кодирующем устройстве возможен лишь первый исход, так как такое устройство четко реагирует на соотношение , кодового импульса 1. При этом на выходе кодера будет сформирована кодовая комбинация вида 1100100, соответствующая .

В реальном кодирующем устройстве возможна некоторая неопределенность решения, так как схема, реагирующая на соотношение , может быть выполнена лишь с конечной точностью. При втором исходе формируется кодовая группа, соответствующая (

Из рассмотренного примера следует, что возможны дополнительные искажения сигналов, обусловленные конечной точностью осуществления процессов сравнения и вычитания, конечной стабильностью и точностью установки эталонных напряжений (токов) и т.п. По аналогии с шумами квантования эти искажения называются шумами кодирования и относятся к классу инструментальных погрешностей.

Рассмотренная схема кодера взвешивающего типа или поразрядного кодирования формирует натуральный двоичный код однополярного сигнала.

Структурная схема кодера, приведенная на рис. 1,a, поясняет только принцип поразрядного кодирования. Она может быть видоизменена с целью достижения тех или иных технических целей. Так, например, включением на выходе каждой схемы вычитания усилителя с коэффициентом усиления, равным двум, или удлинителя (аттенюатора) с коэффициентом передачи, равным , кодер может быть построен с использованием одного эталонного напряжения. Введение в схему кодера обратной связи при сохранении числа эталонов, равного т, позволяет уменьшить количество схем сравнения до 1 (рис. 2).

Рис. 2. Обобщенная структурная схема кодера с

декодером в цепи обратной связи

Принцип построения линейного кодера с обратной связью дня кодирования однополярных положительных сигналов при использовании 7-разрядного кода (m = 7) показан на рис. 3.

Кодер состоит из компаратора (К), генератора эталонных токов (ГЭТ), логического устройства (ЛУ), устройства формирования ИКМ сигнала (УФ ИКМ). Последовательный характер процесса кодирования требует сохранения величины отсчета с высокой точностью в течение всего периода кодирования. Поэтому на вход кодера поступает сигнал АИМ-2. Процессы кодирования и формирования выходного сигнала происходят в УФ ИКМ под воздействием управляющих сигналов, поступающих от генераторного оборудования передающей станции (ГО_пер). Формирование эталонных токов осуществляется подключением общего источника опорного напряжения Е к цепочке, сопротивления отдельных ветвей которой связаны друг с другом двоичными соотношениями вида , где номер разряда i принимает значения 1,2,3,..., т.

Рис. 3. Линейный кодер взвешивающего типа для однополярного сигнала

Подключение источника опорного напряжения к той или иной ветви происходит по командам, вырабатываемым ЛУ и воздействующим на ключи Кл₁...Кл₇. В исходном состоянии, предшествующем началу первого такта кодирования, все ключи разомкнуты, их сопротивления в идеальном случае бесконечно велики и токи в ветвях ГЭТ равны нулю. Поступление соответствующей команды с ЛУ вызывает замыкание ключа Кл_i, источник опорного напряжения подключается к одному из прецизионных резисторов и формирует эталонный ток , определяемый двоичным соотношением вида , который поступает на вход 2 компаратора К.

Компаратор К осуществляет сравнение сигналов на входах 1 и 2. Если напряжение на входе 1 больше или равно напряжению на входе 2, то сигнал на выходе 3 компаратора равен логическому 0, если U_вx1 меньше U_вх2, то на выходе 3 компаратора будет сигнал логической 1. Работой ГЭТ управляет ЛУ, алгоритм работы которого выбирают таким образом, чтобы последовательным включением и выключением эталонов установилось приближенное равенство сигналов на входах 1 и 2 компаратора. В соответствии с принципом взвешивания происходит процесс постепенного уравновешивания кодируемого сигнала суммой эталонов. Работу кодера рассмотрим на примере кодирования АИМ-2 отсчета, равного . Перед началом кодирования все ключи Kл₁...Kл₇ разомкнуты (рис. 4).

Первый такт. С поступлением отсчета на вход 1 компаратора К на 7-м выходе ЛУ, управляемого импульсами тактовой частоты ГО_пери соответствующем входе УФ ИКМ появляется 1. Ключ К₇ замыкается, и на вход 2 компаратора К поступает эталонный сигнал . Так как , то на выходе компаратора К появляется 0. В результате этого ключ К₇ остается в замкнутом состоянии, и на выходе УФ ИКМ появляется 1.

Второй такт. На 6-м выходе ЛУ, управляемого импульсами тактовой частоты ГО_пер, и соответствующем входе УФ ИКМ появляется 1. Ключ K₆ замыкается, и на вход 2 компаратора К подается эталонный сигнал . Таким образом, на входе 2 компаратора формируется сигнал вида . Так как , го на выходе компаратора К появляется 0. В результате чего ключ К₆ остается в замкнутом состоянии и на выходе УФ ИКМ появляется 1.

Третий такт. На 5-м выходе Л У, управляемого импульсами тактовой частоты ГО_пери соответствующем входе УФ ИКМ появляется 1, Ключ К₅ замыкается, и на вход 2 компаратора К подается эталонный сигнал . Таким образом, на входе 2 компаратора формируется сигнал вида . Так как , то на выходе компаратора К появляется 1. В результате чего ключ К₅ размыкается, эталонный сигнал от входа 2 компаратора отключается, на 5-м выходе ЛУ и на входе УФ ИКМ устанавливается 0, а. следовательно, и на выходе кодера появляется 0. На входе 2 компаратора действует сигнал, равный .

Четвертый такт. На 4-м выходе ЛУ, управляемого импульсами тактовой частоты ГО_пер, и соответствующем входе УФ ИКМ появляется 1. Ключ К₄ замыкается, и на вход 2 компаратора К подается эталонный сигнал . Таким образом, на входе 2 компаратора формируется сигнал вида .

Так как , то на выходе компаратора К появляется 1. В результате чего ключ К₄ размыкается, эталонный сигнал от входа 2 компаратора отключается, на 4-м выходе ЛУ и на входе УФ ИКМ устанавливается 0, а следовательно, и на выходе кодера появляется 0. На входе 2 компаратора действует сигнал, равный .

Пятый такт. На 3-м выходе ЛУ, управляемого импульсами тактовой частоты ГО_пер, и соответствующем входе УФ ИКМ появляется 1. Ключ К₃ замыкается, и на вход 2 компаратора К подается эталонный сигнал . Таким образом, на входе 2 компаратора формируется сигнал .

Так как , то на выходе компаратора К появляется 0. В результате ключ К₅ остается замкнутыми на выходе УФ ИКМ формируется сигнал логической 1. Очевидно, что реализация шестого и седьмого тактов приводит к появлению на выходе кодера 0. Таким образом, но окончании седьмого такта кодирования на выходе кодера формируется кодовая комбинация вида 1100100. После завершения кодирования сигналы, поступающие от ГО_пер, переводят узлы кодера в исходное состояние, подготавливая его к кодированию следующего отсчета.

Большинство первичных сигналов являются двухполярными и, следовательно, для их кодирования необходимо применение соответствующего кодера. Для реализации кодера (рис. 4) требуется ГЭТ, формирующий эталонные сигналы для кодирования положительных и отрицательных отсчетов.

Рис. 4. Линейный кодер взвешивающего типа для двухполярного сигнала

При необходимости кодирования 128 положительных и 128 отрицательных уровней потребуется 8-разрядная кодовая комбинация, причем высший разряд (8-й) будет кодировать полярность отсчета. При том же алгоритме работы компаратора, что и при кодировании однополярных сигналов, возникает следующая ситуация. Кодируя отсчет и сравнивая с высшим эталоном , получим . Данный эталон остается включенным. Сравнивая теперь с высшим эталоном , получим . Эталон при этом выключается. Для устранения указанного недостатка при кодировании отрицательных отсчетов на выходе компаратора К включается инвертор DD₁ значение сигналов на выходе компаратора будут инвертироваться и логическое устройство ЛУ будет принимать решение об оставлении или отключении соответствующего эталона.

Алгоритм работы линейного кодера двухполярных сигналов рассмотрим на примере кодирования отсчета отрицательной полярности .

Первый такт. Кодируемый отсчет поступает на вход 1 компаратора. Импульс от генераторного оборудования ГО_перустанавливает на 8-м выходе 1. Ключ Кл⁺ замыкается и подключает положительные эталоны. Ключи положительных и отрицательных эталонов Кл₇…Кл₁ разомкнуты. На входе 2 компаратора ток .

Поскольку сигнал имеет отрицательную полярность, т. е. , то на выходе компаратора 3 появляется 1, которая через замкнутый ключ Кл, (выход 4) поступает на ЛУ и переводит 8-й выход в 0. При этом ключ Кл⁺ разомкнётся, а на выходе инвертора DD₂ появится 1, ключ Кл^-, замкнется и к выходу 2 компаратора подключатся отрицательные эталоны, а ключ Кл подключит к выходу 3 компаратора инвертор DD₁. Следовательно, на 8-м выходе ЛУ остается 0, который и появляется на выходе УФ ИКМ сигнала.

Второй такт. Сигнал с выхода ГО_пер переводит 7-й выход ЛУ в состояние 1. Ключ Кл₇ отрицательных эталонов подключает к входу 2 компаратора эталон . Так как разность , то на выходе компаратора формируется 1, а на выходе 4 инвертора DD₁ появляется 0 и эталонный ток остается включенным.

Третий - восьмой такты будут аналогичными ранее рассмотренным выше этапам кодирования. Последовательность решений компаратора в процессе кодирования отсчета представлена на выходе 4 DD₁ (рис. 4) комбинацией символов 10011011.

Здесь левый символ 1 этой комбинации прошел с выхода компаратора до включения инвертора DD₁. По окончании восьмого такта кодирования на выходах ЛУ будет сформирована комбинация 01100100, представляющая в 8-и разрядном симметричном двоичном коде значение амплитуды отсчета -100d, Напомним, что символ высшего разряда кодовой комбинации определяет полярность отсчета.