книги / Основы построения цифровых систем передачи

Величина шага неравномерного квантования определя­ ется из выражения

где С! и с2 — постоянные интегрирования; р=ехр(С|/с2).

которая широко используется в системах ИКМ.

Зависимости величины UBXlb(UBX) от входного сиг­ нала для различных р приведены на рис. 2.10. При уве­ личении р расширяется область значений входного сиг­ нала, в которой отношение сигнал/шум квантования приблизительно постоянно (при р[/„х» 1). В системах ИКМ величина р выбирается равной 100—250. Выраже­ ние бр/б(0) = /( 0 ) характеризует увеличение отношения сигнал/шум квантования, обеспечиваемое при неравно­

51

мерном квантовании для слабых сигналов («выигрыш компандирования»). Для зависимости (2.23)

При |л=100—250 выигрыш компандирования состав­ ляет 26—33 дБ.

входного сигнала

Кроме обеспечения постоянства отношения сигнал/шум, неравномерное квантование позволяет умень­ шить среднюю мощность шумов квантования для задан­ ного закона распределения значений квантуемогосиг­ нала P(i). В этом случае характеристика компрессии выбирается по минимуму суммы (2.7). Крутизна харак­ теристики компрессора y'(UDX), соответствующая мини­ мальной мощности шумов квантования, определяется выражением [35]

коном распределения' мгновенных значений выражение

52

вания в двоичной системе исчисления, т. е. структура кодовой группы определяется выражением

ведена на рис. 2.11а. Натуральный двоичный код при­ надлежит к классу позиционных кодов, у которых «вес» каждого кодового импульса определяется позицией или номером разряда, занимаемого этим импульсом в кодо­ вой группе. «Веса» импульсов определенного разряда одинаковы во всех кодовых группах позиционного кода.

Рис. 2.11. Кодовые таблицы:

а) натурального двоичного кода; б) и в) симметричного двоичного кода; г) рефлексного двоичного кода

В натуральном двоичном коде кодовые группы, соот­ ветствующие соседним уровням квантования, могут раз­ личаться в большом числе разрядов. Особенно велико такое различие в центре амплитудного диапазона; на­ пример, для кода, показанного на рис. 2.11а, при пере­ ходе от седьмого к восьмому уровню квантования изме­ няются все символы кодовой группы.

Колебания величины отсчета во время кодирования могут вызвать переход от одного уровня квантования к другому. При этом могут возникать неопределенности или ошибки при формировании кодовых символов от­ дельных разрядов. Например, изменение сигнала за вре­ мя кодирования от седьмого уровня квантования к вось­ мому может привести к тому, что вместо группы 0111

54

сформируется группа 0000, т. е. ошибка составит поло­ вину динамического диапазона системы передачи.

При передаче двуполярных аналоговых сигналов ти­ па речевых, групповых телефонных сигналов, у которых плотность вероятности мгновенных значений максималь­ на в области малых величин, преобразование в центре амплитудного диапазона должно осуществляться с наи­ большей точностью. Поэтому при кодировании таких, сигналов используются симметричные двоичные коды, в которых символ первого разряда кодовой группы опре­ деляется полярностью передаваемого отсчета, а симво­ лы других разрядов соответствуют величине отсчета. Кодовые таблицы двух разновидностей симметричногокода приведены на рис. 2.116, в. При кодировании ма­ лых значений сигнала используются лишь младшие раз­ ряды кода. При этом снижаются ошибки преобразова­ ния в центральной зоне амплитудной характеристики си­ стемы передачи, так как соотношения между «весами»- младших разрядов кода могут поддерживаться с боль­ шей точностью, чем соотношения между «весами» всех разрядов кодовой группы.

Разновидности симметричного кода, показанные на рис. 2.11б,в, отличаются расположением центральногоучастка характеристики квантования относительно на­ чала координат. При использовании кода, соответству­ ющего рис. 2.116, входные сигналы или шумы, величина которых меньше 6/2, не передаются на выход системы. При использовании кода, показанного на рис. 2.11а, ма­ лые значения сигнала или шума вызывают появление на выходе системы импульсов с амплитудой 6/2.

В цифровых системах передачи широкополосных те­

Грея). В таком коде кодовые группы, соответствующие

тельно снизить искажения из-за ошибок при кодирова­ нии. Так, при переходе от седьмого уровня квантования к восьмому возможно формирование кодовых трупа 0100 или 1100; в обоих случаях ошибка не превысит ве­ личины шага квантования.

Восстановление отсчета по кодовой группе, т. е. циф­ ро-аналоговое преобразование сигнала в приемном обо­ рудовании систем ИКМ, осуществляется, как правило, с

55-

использованием позиционных кодов — натурального двоичного или симметричного двоичного (рис. 2.11а, 6, в). В этом случае при цифро-аналоговом преобразовании происходит суммирование импульсов, входящих в со­ став кодовой группы, с соответствующими «весами».

Коды, используемые в линейных трактах систем ИКМ, выбираются из условий передачи цифровой после­ довательности с высокой достоверностью. При этом, как правило, не предусматривается преобразование отдель­ ных кодовых групп, соответствующих последовательным отсчетам передаваемого сигнала, а производится обра­ ботка всей цифровой последовательности, действующей на выходе передающего оборудования системы ИКМ.

Линейные аналого-цифровые преобразователи. Су­ ществуют три метода построения аналого-цифровых пре­ образователей в системах связи с ИКМ, осуществляю­ щих операции квантования и кодирования сигналов {36]: матричный метод, метод счета и метод поразрядного сравнения.

деленных элементов, число которых равно числу разрешенных для передачи уровней квантования. При кодировании определяется про­ странственный элемент, соответствующий уровню квантования, бли­ жайшему к текущему значению входного сигнала. Информация о номере этого элемента в виде кодовой группы поступает на выход преобразователя.

Кодовое поле матричного преобразователя может выполняться либо в виде набора пороговых устройств (как правило, при числе разрядов не более пяти), либо в -виде кодовой маски в специальной

преобразования, они могут использоваться для высокоскоростного преобразования сигналов, поскольку требуемое быстродействие функ­ циональных узлов соответствует частоте дискретизации. Это позво­ ляет осуществлять кодирование в любом двоичном коде. Недостат­ ком матричных аналого-цифровых преобразователей, построенных на обычных элементах, является низкая точность преобразования. Не­ обходимость использования специальных электроннолучевых прибо­ ров для повышения точности преобразования ограничивает возмож­ ность применения таких преобразователей в системах связи с ИКМ.

Преобразователи с ч е т н о г о т и п а явились первыми аналогоцифровыми преобразователями в системах ИКМ. В таких преобра­ зователях временная дискретизация аналогового сигнала обычно осуществляется в форме широтно-импульсиой модуляции (ШИМ). При помощи двоичного счетчика фиксируется число импульсов, фор­ мируемых высокоскоростным генератором за время (импульса ШИМ. Состояние отдельных ступеней счетчика после окончания счета соответствует значениям символов кодовой группы двоичного кода.

56

Построение счетных кодеров требует высокого быстродействия отдельных функциональных узлов. Так, при восьмиразрядном ко­ дировании в ЗО-канальной системе связи с ИКМ при /д=8 кГц требуемое быстродействие отдельных каскадов соответствует ча­ стоте 60 МГц. Поэтому счетные кодеры не используются в много­ канальных системах связи с ИКМ.

Наибольшее распространение в системах связи с ИКМ полу­

нения, можно построить с помощью соединения п идентичных раз­ рядных ячеек. Такие преобразователи называются каскадными ко­ дерами. Требуемое быстродействие узлов каскадного кодера опре­ деляется величиной частоты дискретизации.

На основе счетного метода аналого-цифрового преобразования, используя элементы с максимальной частотой работы 60 МГц, мож-

57

no осуществить одновременное преобразование лишь 30 телефон­ ных сигналов. В преобразователях поразрядного сравнения принци­ пиально возможно при помощи элементов с таким же быстродейст­ вием осуществить преобразование сигнала, полоса которого соот­ ветствует 7500 телефонным каналам.

Преобразователи каскадного типа используются для кодиро­ вания широкополосных сигналов в системах ЧД-ИКМ и ТВ-ИКМ,

вход и выход ячейки. В це­ ли обратной связи включается цифро-аналоговый преобразователь {ЦАП), в котором с высокой точностью формируются и суммируют­ ся эталонные сигналы, соответствующие «весам» отдельных разрядов 2П_16, 2п26 ,..., б. Структурная схема такого преобразователя приве­ дена на рис. 2.14. В АЦП производится последовательное сравнение отсчета сигнала с сигналами, поступающими с выхода ЦАП. Величи­ на кодируемого отсчета сигнала сохраняется постоянной во время кодирования. Отсчеты сигнала или разности между величиной от­ счета и разрядными эталонами не передаются по цепи обратной свя­ зи. Поэтому в преобразователе с ЦАП в цепи обратной связи может быть обеспечена высокая точность преобразования, и такие преобра­ зователи широко используются в системах передачи с ИКМ.

Для снижения времени и повышения точности преобразования, умеиылгния числа элементов и т. д. могут попользоваться сочета­ ния различных методов кодирования. Так, известны преобразова­ тели, в которых символы старших разрядов кода определяются мат­ ричным способом, а символы младших разрядов — методом пораз­ рядного сравнения.

Линейные цифро-аналоговые преобразователи. Ос­ новным видом цифро-аналогового преобразования в си­ стемах с ИКМ является преобразование позиционных

58

Переход от последовательного кода к параллельному позволяет а п раз уменьшить скорость работы основных функциональных уз­ лов, что снижает уровень динамических ошибок преобразователя. Наибольшее распространение в системах с ИКМ получили ЦАП па­ раллельного кода, использующие матричные (лестничные) схемы (рис. 2.15). Матричная схема декодирования двоичного позиционно­ го кода содержит резисторы двух номиналов — R н 2R. Импульсы кодовой группы управляют источниками тока (рис. 2.15а) или на­ пряжения (2.156) соответствующих разрядов.

Рис. 2.15. Цифро-аналоговый преобразователь матричного типа: а) с источниками токов; б) с источниками напряжения

Все разрядные эталонные источники идентичты и работают от общего источшжа питания. Управляемые источники токов обра­ зуются путем подключения питающего напряжения к узлам матрич­ ной схемы через ключи и высокоомные сопротивления ОК ит»#); управляемые источники напряжения представляют собой ключи, педключающие параллельные резисторы (сопротивлением 2iR) мат­ ричной схемы либо к земле, либо к питающему напряжению в за­ висимости от значения кодового символа соответствующего раз­ ряда. Напряжение на выходе матричной схемы определяется выра­ жением (2.31), в котором для схемы, приведенной на рис. 2,15а

Источники эталонных сигналов нагружены на одинаковые со­ противления, что особенно важно в быстродействующих ЦАП.

60