7. Дискретизация сигналов во времени. Квантование.

Последовательность основных операций преобразования, производимых над сигналом в ЦСП, может быть описана схемой на рис. 12.2, где обозначены: блок 1 — дискретизатор, 2 — квантующее устройство, 3 — кодер, 4 — канал пе­редачи, по которому передаются кодовые комбинации импульсов, 5 —декодер, 6 — блок восстановления непрерывного сигнала.

Здесь дискретизатор 1 построен по схеме перемножителя исходного сигнала а(t) (рис. 12.3, б) с некоторой импульсной последовательностью U_Д(t) (рис. 12.3, в). Дискретизированный по времени сигнал u_д(t) показан на рис. 12.3, г. Блок вос­становления 6 осуществляет преобразование дискретного сигнала a_д(t) в непре­рывный a¹(t), который должен мало отличаться от исходного a(t).

Операция дискретизации по уровню (или квантование по уровню) обеспе­чивает переход от бесконечного множества возможных значений, которые мо­жет принимать сигнал а(t) во время передачи, к ограниченному, счетному мно­жеству разрешенных значений. Такой переход обеспечивается с помощью специфического безынерционного нелинейного устройства, называемого квантователем (или квантующим устройством — блок 2 на рис. 12.2). При пере­даче, например, однополярных сигналов мгновенная динамическая характеристика (МДХ) квантователя имеет вид, показанный на рис. 12.6, а. При изме­нении входного сигнала а(t) в интервале времени t₁-t₇ (рис. 12.6, б) он принимает бесконечное число возможных значений. Сигнал же а_кв(t) на выходе квантователя может принимать только дискретное (счетное) множество разре­шенных значений, как показано на рис. 12.6, в.

9. Кодирование. Икм.

Любая аппаратура обработки сообщений и СП имеет конечную разрешающую способность. Это связано как с ошибками, возникающими при обработке сигналов, так и с наличием шумов в аппаратуре и каналах связи.

Дальнейшее увеличение разрешающей способно­сти устройств обработки и передачи сигналов связано со значи­тельным усложнением аппаратуры.

В связи с этим нет необходимости передавать все бесконечное множество амплитудных значений непрерывных сигналов, его мож­но ограничить конечным множеством, содержащим определенное, заранее установленное для того или иного вида сигналов, число «разрешенных» амплитудных значений. Эти «разрешенные» для передачи амплитудные значения сигнала называются уровня­ми квантования; выбор их количества определяет качество передачи электрических сигналов. При ограничении числа «разре­шенных» уровней их можно перенумеровать и передавать уже не сами значения уровней, а их номера, например в двоичной системе счисления, т. е. осуществить цифровую передачу сигналов.

Наиболее широкое распространение получили в настоящее время многоканальные ЦСП, в которых используется метод импульсно-кодовой модуляции (ИКМ). При ИКМ отсчеты аналого­вого АИМ сигнала преобразуются в последовательность кодовых групп, состоящих из двоичных символов. Для осуществления ИКМ необходимо произвести три операции:

дискретизацию сигналов по времени (получение сигнала АИМ);

квантование полученных импульсов по амплитуде;

кодирование квантованных по амплитуде импульсов.

Преобразование сигналов при ИКМ показано на рис. 2.1. Полученный групповой многоканальный АИМ сигнал подвер­гается квантованию по уровню. Этот процесс аналогичен процеду­ре округления чисел. Разность между двумя соседними разрешен­ными для передачи уровнями называется шагом квантова­ния ∆. Если амплитуда отсчета сигнала в пределах двух сосед­них разрешенных значений превышает половину шага квантования ∆/2, ее значение увеличивается в большую сторону, если меньше половины шага квантования — в меньшую сторону. Такое округ­ление сопровождается погрешностью. Разность между истинным значением отсчета сигнала и его квантованным значением назы­вается ошибкой, или шумом квантования, который оп­ределяется как ε_кв(t) = U_Аим(t)—U_кв(t).

Произведя «нумерацию» уровней квантования, можно переда­вать не сами уровни, а их значения по шкале уровней в двоичном коде. Указанные преобразования сигнала показаны в таблице, в которой указаны амплитуды отсчетов сигнала U_АИМ(t) (а), их квант. значения U_кв(t) (а), ошибки квантования (б), нумерация уровней квантования N и пребор. десятичных значений в двоичные.

10. Кодирование. ДИКМ. Для речевого сигнала более вероятны низкочас­тотные составляющие спектра. Это означает, что мгновенные зна­чения дискретных отсчетов сигнала в соседних точках дискретиза­ции с большой вероятностью мало отличаются друг от друга. По­этому можно вместо кодирования и дальнейшей передачи отсче­тов передавать по тракту связи кодированные значения разности соседних отсчетов, по которым на приемной стороне восстанавли­ваются значения отсчетов сигнала. Такой метод передачи называется дифференциальной импульсно-кодовой мо­дуляцией (ДИКМ).На рис. 2.9, а показаны дискретные отсчеты непрерывного сиг­нала, при квантовании и кодировании которых получают цифро­вой ИКМ сигнал, а на рис. 2.9, б — амплитудные значения разно­стей двух соседних отсчетов. Осуществляя квантование и кодиро­вание разностей соседних отсчетов, получают цифровой ДИКМ сигнал.Как видно из рисунков, амплитуды разностей отсчетов меньше амплитуд самих отсчетов, поэтому при одинаковом шаге кванто­вания число разрядов кодовой группе при ДИКМ меньше, чем при ИКМ. Уменьшение числа разрядов в кодовой группе при ДИКМ снижает скорость передачи цифрового потока и, следовательно, уменьшает требуемую полосу частот линии передачи. Если же по­лоса частот линии передачи и скорость цифрового потока опреде­ляются параметрами ИКМ, то применение ДИКМ позволяет уменьшить ошибку квантования по сравнению с ИКМ за счет уменьшения шага квантования.

Структурная схема кодера включает в себя: ФНЧ, ограничивающий спектр частот входного сигнала частотой F_в, дифференциальный усилитель ДУ, усиливающий разность 2 сигналов, поступающих на его входы, дискретизатор, осуществляющий дискретизацию

разностного сигнала; кодер ИКМ, осуществляющий квантование и кодирование разностного сигнала; декодер ИКМ, в котором кодо­вые группы преобразуются в дискретные отсчеты разностного сиг­нала; интегратор Инт, преобразующий амплитудные отсчеты сиг­нала, поступающие на его вход, в ступенчатую функцию.Рассмотрим принцип работы кодера (рис. 2. 11, а). В начальный момент времени t₁ напряжение на выходе интегратора отсутствует и на выходе усилителя напряжение соответствует непрерывному сигналу. Дискретный отсчет с амплитудой U₁ квантуется и коди­руется в кодере ИКМ и затем через декодер поступает на интегра­тор, который запоминает его амплитуду до момента времени t₂. В момент времени t₂ напряжение на неинвертирующем входе ДУ (1) равно напряжению аналогового сигнала U₂, а на инвертирующем входе (2) — напряжению на выходе интегратора U₁. На выходе разностного усилителя получаем разность напряжений ∆U₁ = U₂-U₁. После квантования и кодирования этой разности в ли­нию поступает кодовая группа, соответствующая разности двух соседних отсчетов. По цепи обратной связи через декодер ампли­туда отсчета U₂ поступает на интегратор и запоминается им до момента времени t₃. В этот момент времени опять происходит оп­ределение разности ∆U₂, ее квантование, кодирование и т. д. Когда напряжение на выходе интегратора (в момент t₄) больше на­пряжения аналогового сигнала, разность на выходеДУбудет от­рицательной. После квантования,кодирования и декодирования на выходе интегратора получится отрицательный скачок напряже­ния ∆U₃ на величину этой разности.Структурная схема декодера ДИКМ (см. рис. 2.10,6) состоит из декодера ИКМ, интегратора и ФНЧ. На выходе декодера ИКМ получают сигнал, соответствующий разности соседних отсчетов (см. рис. 2.11,6). Эти отсчеты интегратор преобразует в ступенча­тое напряжение (см. рис. 2.11,в), а ФНЧ «сглаживает» его, в ре­зультате чего опять получают непрерывный сигнал (штриховая линия на рис. 2.11, в).Итак, при ДИКМ кодируется не значение отсчетов сигнала, а разность соседних отсчетов.Квантование и кодирование разности позволяет уменьшить число уровней квантования разностей отсче­тов по сравнению с необходимым числом уровней при квантовании самих отсчетов. Таким образом, уменьшается разрядность кода и, следь-о, число информационных символов, передаваемых по каналу передачи в единицу времени.