3.3.2 Кодирующие устройства с нелинейной шкалой квантования
Известно, что тактовая частота цифрового сигнала Fт выбирается из выражения Fт ≥ 2Fвт, и она значительно больше верхней граничной частоты сигнала Fв. С увеличением скорости передачи цифровых потоков информации возрастают требуемая полоса частот пропускания и затухание в линии связи на тактовой частоте Fт. В результате расстояние между регенерационными пунктами (НРП) уменьшается и линейный тракт дорожает. Поэтому желательно уменьшать Fт, что можно сделать только путем уменьшения количества разрядов т. Но при этом уменьшается отношение сигнал/шум квантования. Чтобы уменьшить Fт, не ухудшая качество сигнала, следует использовать неравномерное квантование, т. е. применять нелинейные кодеры. Ранее было рассмотрено, что основные первичные сигналы электросвязи отличаются тем, что у них максимальные, минимальные и нулевые мгновенные значения неравновероятны. На этом и основано неравномерное квантование: области напряжений с большей вероятностью появления в них сигнала квантуются с малым шагом квантования, а области с малой вероятностью – с большим. В результате общее число уровней квантования L в интервале от минимального до максимального мгновенного значения сигнала уменьшается, соответственно уменьшается и количество разрядов т = log2L, а качество сигнала остается неизменным.
Возможны три варианта построения нелинейных кодеров. В первом варианте (рисунок 45) используется обычный линейный кодер, на вход которого подключается нелинейный функциональный преобразователь (НФП).
Рисунок 45 – Схема построения кодера с нелинейным
функциональным преобразователем
На выходе линейного декодера (на приеме) подключается второй НФП. Оба НФП выполняют одну и туже роль: осуществляют изменение динамического диапазона сигнала. На передаче НФП1 является компрессором (рисунок 46, кривая 1) на приеме НФП2 – экспандером (рисунок 46, кривая 2).
Рисунок 46 – Характеристики: а – НФП1 (компрессора) и б – НФП2 (экспандера).
Во втором варианте построения применяется нелинейный цифровой преобразователь (НЦП), преобразующий кодовую комбинацию числа N1 в комбинацию числа N. Нелинейный цифровой преобразователь НЦП1 и его характеристика представлены на рисунке 47. Характеристика НЦП1 представляет собой совокупность дискретных отрезков с огибающей, которая повторяет закон компрессии. Видно, что число N будет меняться в меньших пределах, и для его представления потребуется кодовая комбинация меньшей длины. В результате уменьшится и тактовая частота Fт.
Рисунок 47 – Построение кодера с использованием нелинейного
цифрового преобразователя
Прием цифровых сигналов (декодирование) в этом случае можно осуществлять двумя способами. Первый способ (рисунок 48,а) применяется чаще, так как легче построить взаимообратный НЦП2, чем подобрать характеристику НФП2 (рисунок 48,б).
Рисунок 48 – Варианты построения нелинейных кодеров
Кроме того, нелинейные операции с цифрами более стабильны, кодеры с НЦП могут быть легко перестроены по любому достаточно сложному закону N = φ(N1). Таким образом, второй вариант построения кодеров является универсальным для многоканальных систем передачи с произвольным числом каналом.
В третьем варианте построения нелинейных кодеров (рисунок 49) используются такие электронные схемы, которые непосредственно преобразуют по нелинейному закону амплитуду выборки U в кодовую комбинацию числа N. В качестве декодера обычно используют вариант, приведенный на рисунке 48,а.
Рисунок 49 – Вариант кодера, преобразующего по нелинейному закону амплитуду выборки в кодовую комбинацию
Нелинейный кодер часто строится и по такой схеме: кодер с нелинейным декодером в цепи ОС. Этот вариант используется в ЦСП ИКМ-30.