книги из ГПНТБ / Гуревич В.Э. Импульсно-кодовая модуляция в многоканальной телефонной связи

В кодерах с цифровой компрессией эталонов, алгоритм рабо­ ты которых основан на принципе взвешивания, осуществляется по­ следовательное сравнение преобразуемого сигнала с эталонами, связанными друг с другом определенными весовыми коэффициен­

Дели­

тель

частоты\

Логика

ГИ

Рис. 5.10. Структурная схема нелинейного кодера после­ довательного счета с управляемым делителем частоты

лярность отсчета сигнала, формируется первая посылка кодовой группы и, в случае необходимости, осуществляется инверсия сиг­ нала. В течение следующих нескольких тактов определяется и представляется в кодовой форме номер сегмента, в области кото­ рого находится величина сигнала; после этого в тактах, оставших­ ся до окончания полного цикла преобразования, обычными мето­

Усложнение функций взвешивающего кодера и, прежде всего, необходимость инверсии сигнала и осуществления сжатия дина­ мического диапазона требуют применения большего числа этало­ нов и более сложной логики по сравнению с линейным кодером аналогичного типа. На рис. 5.11 и 5.12 показаны соответственно структурные схемы нелинейного кодера и декодера с цифровым компандированием эталонов.

Общее сравнение различных типов кодеров и некоторых кодов.

Проведем приблизительное (весьма общее) сравнение различных типов кодеров. Для этого целесообразно выбрать следующие крі тер.ии оценки:

І00

— число строго нормируемых физических величин (например, параметров эталонных сигналов) или число сложных функциональ­ ных узлов (например, схем сравнения и вычитания);

^Детектор

ЩМ сигнал

Рис. 5.11. Обобщенная структурная схема нелинейного взвешиваю­ щего кодера с цифровой компрессией эталонов

[_ Реоерсионая схема

Рис. 5.12. Обобщенная структурная схема нелинейного взвеши­ вающего декодера с цифровым экспандированием эталонов

—требования к радиокомпонентам и узлам схемы кодера в отношении быстродействия при данной скорости работы кодера;

—объем оборудования, необходимого для технической реали­ зации кодера.

Число эталонных сигналов или эталонных элементов равно чи­

101

= 2 к в в матричных кодерах. Эти величины взяты на основе обоб­ щения различных структурных схем; в конкретных реализациях кодеров разного типа наблюдаются отклонения от приведенных со­ отношений, однако общая закономерность сохраняется.

Требуемое быстродействие элементов и узлов кодера взвеши­ вающего типа в системе ВД-ИКМ можно ориентировочно охарак­ теризовать произведением частоты дискретизации канальных сиг­ налов, числа разрядов кода и числа каналов связи, обслуживае­

Объем оборудования, необходимого для технической реализа­ ции того или иного принципа кодирования, в большой степени за­ висит от числа эталонных элементов. Наибольший объем оборудо­ вания характерен для кодеров матричного типа.

Сравним некоторые коды, используемые в системах ИКМ. На­ туральный двоичный код, таблица которого показана на рис. 5.1а, весьма распространен, но не является единственным возможным кодом. Более того, ему присущи определенные недостатки, кото­ рые, например, проявляются при работе электроннолучевого ко­

ся на границе двух шагов квантования или близко к ней. В этом случае ток коллектора бу­ дет неполным. Решение о характере кодового символа должно быть принято в тракте -формирования цифрового сигнала, например в регенераторе, включенном на выходе коллектора. Для каждого разряда будет принято независимое решение, а поэтому возможно получение ложных кодовых групп, имеющих в своем составе циф­ ры номеров соседних разрешающих уровней.

Другим случаем, иллюстрирующим недостатки натурального двоичного кода применительно к электроннолучевым кодерам, яв­ ляется сползание точечного луча в процессе развертки на сосед-

102

ний уровень, в результате чего максимальная погрешность коди­ рования (в средней части кодовой маски) может стать равной

о т к в _ 1

2. , т. е. половине динамического диапазона (сплошная линия на рис. 5.13а обозначает траекторию движения луча).

Устранить ошибки, вызываемые промежуточным положением луча или его сползанием, можно с помощью квантующей сетки, размещаемой между электронной пушкой и кодовой маской. Кван­ тующая сетка выполняется из тонкого провода и сориентирована по горизонтальной оси (оси разрядов), так что ее провода сов­ падают с границами шагов квантования. Сигналы, .величины ко­ торых совпадают с границами шагов квантования, смещают элек­ тронный луч таким образом, что он попадает на провод квантую­ щей сетки. Ток в цепи квантующей сетки воздействует через уси­ литель обратной связи на вертикально-отклоняющие пластины трубки, смещая луч на середину шага квантования. Таким обра­ зом, при помощи сетки и цепи обратной связи осуществляют кван­ тование положения луча по оси уровней; в идеальном случае эта мера исключает возможность перекрытия лучом двух соседних уровней на кодовой маске.

Введение в электроннолучевую трубку квантующей сетки при­ водит к усложнению конструкции кодера. Кроме того, появляется дополнительная внешняя цепь электроннолучевого кодера (цепь обратной связи), что может стать причиной возникновения само­ возбуждения кодера. Более совершенное решение проблемы заклю­ чается в отказе от натурального двоичного кода и замене его дво­ ично-циклическим кодом Грея. Таблица пятиразрядного кода Грея приведена на рис. 5.16; на рис. 5.136 показано, как применение этого кода в электроннолучевом кодере влияет на его работу.

Двоично-циклический код обладает следующим свойством: ко­ довые комбинации, соответствующие соседним разрешенным уров­ ням, различаются символами лишь одного разряда. Таким обра­ зом, неопределенность процесса решения может привести к ошиб­ ке при формировании лишь одного символа кодовой группы; по­ этому каким бы образом ни была разрешена эта неопределенность, кодовая группа на выходе кодера будет соответствовать одному из двух соседних уровней квантования. Это свойство двоично-цик­ лического кода является общим для обширного класса кодов, на­ зываемых дистантными кодами.

«Дистанция» между двумя кодовыми комбинациями данного кода определяется числом символов (например, «нулей» или «еди­ ниц»), на которое они различаются; в частности, дистанции меж­ ду двумя кодовыми комбинациями натурального двоичного кода равны 1, 2, 3, 1, 2, 1, 4 и т. д. Наибольшая дистанция, разделяю­ щая в этом коде две соседйие комбинации, равна числу разрядов ткв; она наблюдается в середине кодовой таблицы. В однодистантных кодах, к которым относится код Грея, дистанция между лю­ бой парой соседних кодовых групп равна 1.

103

Очевидно, что применение однодистантного кода Грея при кон­ струировании электроннолучевого кодирующего устройства позво­ ляет преодолеть существенные принципиальные трудности и, в ча­ стности, повысить уровень технологичности изделия.

В других случаях может оказаться более предпочтительным применение многодистантных кодов. Например, при передаче циф­ рового сигнала по линии с высоким уровнем помех применение трехдистантного кода позволяет построить систему передачи с об­ наружением и исправлением ошибки на одной импульсной пози­ ции.

Сравнение таблиц натурального двоичного кода и кода Грея подсказывает простое правило преобразования кода Грея в нату­ ральный, необходимость в котором возникает при декодировании. Правило преобразования заключается в следующем: в г'-м раз­ ряде натурального кода формируется импульс или пробел в зави­ симости от того, нечетным или четным было число импульсов в предыдущих импульсных позициях комбинации кода Грея (вклю­ чая і-ю позицию). Например, комбинации 1011001 кода Грея со­ ответствует согласно этому правилу комбинация 1101110 натураль­ ного кода. Операция определения четности или нечетности числа

довой таблицы, кроме первого разряда. Симметричный двоичный код обладает рядом преимуществ по сравнению с натуральным двоичным кодом при конструировании взвешивающих кодеров, предназначенных для преобразования симметричных по своей при­ роде телефонных сигналов. В частности, как будет показано да­

пуски на параметры радиокомпонентов схемы кодера. Разновид­

счисления. Очевидно, что если перед началом операции «взвеши­ вания» определить полярность сигнала, а затем инвертировать в случае необходимости этот сигнал, то достигаемое уменьшение его «размаха» существенно упрощает конструкцию кодера.

5.2. Кодеры последовательного счета

Общие положения. Квантование в кодерах последователь­ ного счета осуществляется обычно в пространстве времени путем сопоставления сигналов с эталонными временными интервалами. Для выполнения этой операции отсчеты сигнала преобразуют <в им-

104

пульсы постоянной амплитуды и переменной длительности, про­ порциональной величине сигнала. Очевидно, что число временных эталонов, укладывающихся на интервале времени, пропорциональ­ ном величине сигнала, определяется этой величиной. Подсчет ука­ занного числа эталонных интервалов двоичным счетчиком даст на его выходах кодовое представление квантованного сигнала.

пропорционально величине отсчетов сигнала. Счет импульсов, со­ держащихся в каждой пачке, осуществляется двоичным счетчи­ ком. Кодовую группу получают считыванием состояний каскадов счетчика по окончании счета. Очевидно, что результатом считы­ вания будут комбинации натурального двоичного кода.

В последовательности преобразований сигналов, показанных графически на рис. 5.14, можно выделить следующие операции: 1) дискретизация сигнала по времени и формирование отсчетов

105

АИМ-2; 2) преобразование отсчетов в импульсы, модулированные

импульсов и считывания состояний каскадов счетчика по оконча» нии счета. В основу большинства кодеров с последовательным сче­ том положены различные реализации этих операций.

На рис. 5.14з показан графически процесс квантования сигнала. Погрешность, вносимая квантованием, обусловлена конечной раз­ решающей способностью узлов кодера и конечной длительностью квантующих импульсов интервалов. В моменты времени f и t" квантующие импульсы могут выпасть из счета; это зависит, преж­ де всего, от разрешающей способности первого каскада счетчика.

Считы8ание\

цифровые выходы

Рис. 5.15. Структурная схема двоичного счетчика кодера последовательного счета

величины; чем меньше это время, тем большей должна быть ско­ рость счета. Структурная схема двоичного счетчика показана на рис. 5.15.

Двоичный счетчик состоит из триггерных ячеек Tri — Tr m , ко­ личество которых равно числу разрядов кода. Воздействие кван-

106

Во-первых, эти элементы, находясь в процессе счета в закрытом состоянии, препятствуют прохождению перепадов напряжения триггеров, которые могут вызвать помехи на выходе кодера, и, во-вторых, с их помощью информация о состоянии триггеров считывается в виде посылок двоичного кода.

На выходах 3 элементов И формируются посылки параллель­ ного двоичного кода, разделенные в пространстве и совмещенные во времени. Поэтому для передачи в линию сигналов последова­

нутых по фазе последовательностей считывающих импульсов. По­

симальной скорости счета; по мере удаления ступеней от входа

тов сигнала; М-р — число каналов в группе, обслуживаемой од­ ним кодером; т3 — защитный временной интервал; ткв — число разрядов двоичного кода.

Из этого соотношения следует, что один из способов уменьше­ ния требуемой скорости счета заключается в увеличении числа групп каналов, каждая из которых обслуживается одним кодером. Однако, возможности этого метода ограничены, так как уменьше­ ние скорости счета связано с увеличением объема оборудования.

Другой способ уменьшения скорости счета не требует введе­ ния большого объема дополнительного оборудования и заключает­ ся в выполнении ряда логических операций перед началом непо­ средственно двоичного счета.

На рис. 5.16 а показана структурная схема однокаскадной ло­ гики, включение которой на входе счетчика позволяет уменьшить

107

скорость счета в два раза. Принцип действия схемы основан на учете периодического характера смены символов младшего раз­ ряда натурального двоичного кода при переходах между четными и нечетными номерами разрешенных уровней. Таким же свойством обладает и симметричный двоичный код.

НЕТ, В лз,

Выход 1-го раз­ ряда кодера

• На Вход счетчика

д)

_1 L

Е

Рис. 5.16. Структурная схема логики 'кодера с двукратным умень­ шением скорости счета (а) и временные диаграммы ее работы

(б, в)

Схема работает следующим образом. На вход А поступает по­ следовательность квантующих импульсов (рис. 5.166), представ­ ляющая нечетный номер разрешенного уровня. В нижней ветви логики включен элемент запрета HETj, пропускающий входные импульсы в точку В лишь при условии отсутствия импульсов на

1D8

и D логики при помощи элемента совпадения И. В верхней ветви логики осуществляется задержка импульсов на период их следова­ ния и подавление всех импульсов пачки, поступающих на вход / элемента НЕТг, за исключением последнего. Как показано на диаграммах рис. 5.І66, при нечетном числе входных импульсов триггер перейдет в состояние, противоположное исходному, и на его выходе будет сформирована «единица» младшего разряда ко­ довой группы.

На диаграммах рис. 5.16s показаны процессы работы логики, когда на ее вход поступает четное число импульсов. Здесь часто­ та повторения счетных импульсов так же, как и в ранее рассмот­ ренном случае, уменьшается вдвое, но из-за несовпадения импуль­

скорости счета более чем в два раза.

5.3. Взвешивающие кодеры

Общие положения. Алгоритмы работы взвешивающих ко­ деров предусматривают выполнение всех операций по формирова­

как в счетных и матричных кодерах. В отличие от матричных ко­ деров, в которых возможно использование практически любых ко­ дов, ряд кодов, используемых в рассматриваемых устройствах, ог­ раничен, хотя и достаточно широк для практических целей.

Методу кодирования с поразрядным сравнением и вычитанием в наибольшей степени соответствует натуральный двоичный код;

Если величина кодируемого сигнала z занимает на нормализо­ ванной оси входных сигналов промежуточное положение в диапа­ зоне О ^ г ^ Я к в , то кодовая комбинация, соответствующая кванто­ ванному значению этого сигнала, определяется двумя неравен­ ствами:

І = І

Коэффициенты ai могут быть определены методом последова­ тельного приближения. Значение коэффициента сц определяется разделением диапазона пкъ на две половины: если величина от­ счета кодируемого сигнала расположена в верхней половине диа-

,109