3.1.4 Кодирование

В аналого-цифровом преобразовании (АЦП), как было определено ранее, осуществляется преобразование аналогового сигнала (исходного сигнала тональной частоты 0,3 ÷ 3,4 кГц) в цифровой с помощью дискретизации, квантования и кодирования. Установлено, что информация о величине уровня квантования передается в форме групп кодовых символов.

Закон, устанавливающий соответствие между величиной (номером) уровня квантования и структурой кодовой группы, называется кодом.

Код может быть задан как аналитически, так и в виде кодовой таблицы. Наибольшее распространение получили двоичные равномерные коды. В этих кодах каждая кодовая группа состоит из постоянного числа т- кодовых символов, которые могут принимать значение «0» или «1».

В натуральном двоичном коде кодовые группы соответствуют записи номера передаваемого уровня квантования N_кв в двоичной системе счисления, т. е. структура кодовой группы определяется выражением:

N_кв = ,

где а_i – кодовый символ i – го разряда (a_i = 0 или 1), 2^m-I – вес 1-го разряда.

Например: N = 1·2⁴ = 16; N = 1·2³ = 8; N = 0·2² = 0; N = 1·2¹ = 2.

Кодовые таблицы двоичных кодов приведены на рисунке 33.

Рисунок 33 – Кодовые таблицы натурального (а), симметричного (б,в) и рефлексного (г) двоичных кодов

Двоичный код – это класс позиционных кодов, у которых «вес» каждого кодового импульса определяется позицией (номером разряда), занимаемой этим импульсом в кодовой группе.

«Веса» импульсов определенного разряда одинаковы во всех кодовых группах позиционного кода.

В натуральном двоичном коде кодовые группы, соответствующие соседним уровням квантования, могут различаться в большом числе разрядов. Особенно велико такое различие в центре амплитудного диапазона. Например, для кода, показанного на рисунке 33,а, при переходе от седьмого к восьмому уровню квантования изменяются 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 отдельных разрядов (когда амплитуда отсчета находится между уровнями квантования).

При передаче разнополярных сигналов (речевых, групповых телефонных и др.), у которых плотность вероятности мгновенных значений максимальна в области малых величин, преобразование в центре амплитудного диапазона должно осуществляться с наибольшей точностью. Для кодирования таких сигналов используются симметричные двоичные коды, в которых символ первого разряда кодовой группы определяется полярностью передаваемого отсчета, а символы других разрядов соответствуют величине отсчета. Кодовые таблицы двух разновидностей симметричного кода приведены на рисунке 33,б,в. При кодировании малых значений сигнала используются лишь младшие разряды кода. При этом снижаются ошибки преобразования в центральной зоне амплитудной характеристики системы передачи, так как соотношение между «весами» младших разрядов кода могут поддерживаться с большей точностью, чем соотношения между «весами» всех разрядов кодовой группы.

Разновидности симметричного кода отличаются расположением центрального участка характеристики квантования относительно начала координат. При использовании кода, соответствующего рис. 22,б, входные сигналы или шумы (амплитуды отсчета), величина которых меньше Δ/2 (половины шага квантования), не передаются на выход системы. При использовании кода, соответствующего рисунке 33,в, малые значения сигнала или шума (амплитуды отсчета) вызывают появление на выходе системы импульсов с амплитудой Δ/2.

Достоинством натурального и симметричного двоичных кодов является возможность их реализации с помощью простых кодеров, а недостатком – сравнительно низкая помехозащищенность, так как при различном «весе» разрядов пропадание одного импульса с большим весом приводит к большим искажениям сигнала.

На рисунке 33,г показана таблица рефлексного кода (кода Грея), который используется в цифровых системах передачи широкополосных телевизионных или групповых телефонных сигналов. В этом коде кодовые группы, соответствующие соседним уровням квантования, отличаются лишь в одном разряде кода. Использование рефлексного кода позволяет значительно снизить искажения из-за ошибок при кодировании. Так, при переходе из седьмого уровня квантования к восьмому возможно формирование кодовых групп 0100 или 1100; при этом ошибка не превышает шага квантования.

Восстановление отсчета по кодовой группе, т. е. цифроаналоговое преобразование (ЦАП) в приемном устройстве ИКМ осуществляется с использованием позиционных кодов – натурального двоичного или симметричного двоичного (рисунок 33). В этом случае при цифроаналоговом преобразовании происходит суммирование импульсов, входящих в состав кодовой группы, с соответствующими «весами».

Вывод:

В цифровых системах передачи наибольшее распространение получила импульсно-кодовая модуляция, при которой происходит преобразование аналогового сигнала в последовательность групп двоичных кодов. Это осуществляется с помощью дискретизации, квантованию и кодированию.

При дискретизации уровни каждого отсчета (каждой дискреты) равны амплитуде исходного аналогового сигнала в данное мгновенное значение. Далее каждому уровню отсчета присваивается номер, соответствующий напряжению квантования заданного с определенным шагом – шагом квантования Δ_кв (или δ). Эти квантованные значения кодируются. Разряд кодовой группы т определяется количеством шагов квантования М (т = 10lg М или наоборот

М = 2^т).

Различают равномерное и неравномерное квантование. При неравномерном квантовании шаг квантования изменяется в соответствии с возрастанием скорости изменения амплитудных значений квантуемого сигнала. Неравномерное квантование позволяет выровнять отношение сигнал-ошибка квантования, т.е. сократить число шагов квантования.

Процесс кодирования квантованных однополярных АИМ сигналов (отсчетов) осуществляется простейшим натуральным двоичным кодом. Для кодирования двухполярных импульсов (сигналы звукового вещания, телефонные) используют симметричный двоичный код.