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

синусоидальных колебаний не имеет принципиального значения: может быть применен и метод деления наивысшей частоты.

Как видно из рис. 5.40, отсчеты кодируемых сигналов преобра-

130

зуются в импульсы, модулированные по длительности, а затем подвергаются квантованию. Диаграммы, поясняющие процессы ко­ дирования, приведены на рис. 5.41.

Синусоидальные колебания с частотами F 3 , F2=2F3 и Fi = 2F-2 с выходов умножителя частоты поступают на входы 1 соответст­ вующих элементов сов-

когда отрицательная полуволна синусоидального напряжения, бли­ жайшая к заднему (модулируемому) фронту импульса ШИМ, до­ стигает максимальной величины, схема квантователя выдаст на выход считывающий импульс. Процесс квантования состоит в оп­ ределении с заданной степенью точности этого момента времени. Таким образом, квантование заканчивается формированием счи­ тывающего импульса.

По завершении квантования начинается формирование посылок кодовой комбинации на соответствующих цифровых выходах коде­ ра. Этот процесс заключается в определении состояния гармониче­ ских колебаний на входах / элементов совпадения в момент по­ ступления на входы 2 считывающего импульса. Как было замечено ранее, совпадение считывающего импульса с положительной полу­ волной синусоидального напряжения приводит к выдаче, на циф­ ровой выход кодера импульса («единицы»); при несовпадении на цифровой выход кодера будет выдан пробел («нуль»)..

На рис. 5.41 приведены диаграммы, поясняющие процесс коди­ рования сигнала, величина которого расположена на шкале уров­ ней в верхней половине интервала, разделяющего разрешенные уровни 1 и 2. При кодировании без существенных инструменталь­ ных ошибок на цифровые выходы кодера будет выдана комбина­ ция натурального двоичного кода, вес которой равен 2 уе, т. е. ко­ довая группа 010.

Таким образом, регистрация фазовых соотношений опорной частоты (2 Fi) и модулированных фронтов широгно-модулирован- ных импульсов, подаваемых на квантователь, позволяет установить однозначную связь между кодируемой величиной и характером по­ сылок кодовой комбинации на выходе кодера.

Для нормальной работы кодера должна быть исключена воз­ можность совпадения переходов через ноль синусоидального коле­

5.5. Нелинейное кодирование

Общие положения. Кодирование служит не только средст­ вом преобразования формы представления информации, но и сред­ ством согласования различных звеньев (участков) сети связи. Развитие сети связи приводит к переоценке возможностей тех или иных уже утвердившихся в технике способов кодирования и нерав­ номерного квантования и к появлению новых модификаций. Тре­ бование получения наибольшего отношения сигнал/шум в задан­ ном динамическом диапазоне сигналов становится в последнее вре­ мя далеко не единственным. Необходимо учитывать, по крайней мере, следующие положения.

1.Ухудшение параметров канала при стыковке кодеков с раз­ ными характеристиками компандирования должно быть мини­ мальным.

2.Весьма желательно, чтобы кодек узла связи с множеством расходящихся направлений передачи обладал свойством универ­ сальности. Это значит, например, что одно и то же устройство дол­ жно обеспечивать передачу в разных направлениях с разными за­ конами компандирования.

3.Закон компандирования должен позволять в случае необхо­ димости осуществить простейшими способами линеаризацию циф­ рового сигнала (т. е, приведение его к равномерной шкале кванто­ вания) с последующим выполнением таких операций, как ослабле­ ние й усиление сигнала, преобразование законов компандирования, трансформация кодов, разделение сложного (агрегатного) цифро­ вого потока на его составляющие (компонентные цифровые пото-

132

кй) с целью раздельной коммутации и распределения их по раз­ ным направлениям передачи и т. п.

4.С одной стороны, необходимо, чтобы характеристики кодека обеспечивали наилучшим образом передачу определенного вида информации (телефонной, вещания, данных и т. п.), а с другой стороны — желательна универсализация возможностей кодека по крупным группам различных -видов информации, составляющих ос­ новной объем трафика сети связи.

5.Характеристики компандерных устройств различных систем

от развития техники систем ВД-ИКМ: выпускаемая промышленно­ стью аппаратура уже широко применяется, а выбор принципов по­ строения ИЦСС и законов компандирования все еще продолжает­ ся. Отсюда вытекает проблема совместимости в рамках единой се­ ти связи систем ВД-ИКМ с разными законами компандирования.

Необходимость решения указанных задач приводит к идее цифрового компандирования, которая заключается в следующем. Сигналы различных видов информации, поступающие на узел свя­ зи и разделенные во времени, подвергаются аналого-цифровому преобразованию при помощи общего кодера с равномерной шка­ лой квантования. Формирование цифровых потоков по направле­ ниям передачи после кодирования осуществляется с помощью цифровых функциональных преобразователей. Последние вносят в компонентные цифровые потоки признаки требуемых (иногда различных) законов компандирования, производят операции уси­ ления и ослабления сигналов и т. п.

Цифровые компандеры хорошо приспособлены для решения пе­ речисленных выше задач, но пока еще мало распространены из-за сложности реализации многоразрядных линейных кодеков. Наи­ большее внимание в технике систем ВД—ИКМ в настоящее время уделяется нелинейным кодекам с цифровым компандированием эталонов.

Предпочтительное положение в рекомендациях МККТТ занима­ ют два сегментных закона компандирования — А-87,6/13 и (л-255/15. Первый из этих законов принят в качестве международ­ ного не только для европейского района интернациональной сети связи, но и для каналов систем ИКМ, соединяющих сети связи с разными законами компандирования.

рис. 5.8 пунктиром показан график закона А-87,6 для сигналов од­ ной полярности и показана его аппроксимация отрезками прямой (сегментами). Кривая компрессии А-87,6/13 для двухполярных сигналов фактически состоит из 16 сегментов. Однако четыре цент-

133

чество сегментов для сигналов одной полярности, приводит к кри­ вой компрессии типа ц, а условие

А2 " с ~ '

Кривая компрессии типа \х имеет большую крутизну в области малых входных сигналов; это соответствует большему по сравне­ нию с Л-законом отношению сигнал/шум квантования для уровней сигнала, расположенных примерно на 40 дБ ниже порога ограни­ чения Ымакс-

В канале системы ВД-ИКМ с нелинейным кодером мощность шума квантования различна при попадании мгновенных значений сигнала на различные участки кривой компрессии. В случае при­ менения устройств с сегментными характеристиками при передаче случайных сигналов с симметричным распределением мгновенных значений и нулевым средним значением средняя мощность шума квантования согласно (4.4) определяется соотношением &1В =

Л •12' где рі — вероятность попадания кодируемой величины

в пределы і-го сегмента.

Рис. 5.42. Зависимость отношения сигнал/шум квантования от относительной величины уров­ ня сигнала для характеристики комландирова- ния ,ц-255Д5 и А-87,6/13 при я к в = 2 5 6

Благодаря усреднению продуктов квантования зависимость от­ ношения сигнал/шум квантования от уровня сигнала, рассчитанная

136

пандирования обеспечивают получение отношения сигнал/шум квантования не менее 32 дБ в диапазоне изменения величин сигна­ лов порядка 40 дБ.

При постоянном числе шагов квантования в каждом сегменте двукратное увеличение шага при переходе из одного сегмента в следующий приводит к увеличению области входных сигналов, со­ ответствующих этому сегменту. Согласно условию увеличение вдвое шага квантования сегментной характеристики типа \х проис­

сегментов кривой компрессии А-87,6/13 составляют целые степени, числа 2. Подобные соотношения характерны также для системы, эталонов в линейных двоичных кодерах.'Длина отрезка оси абс-„

136

цисс, соответствующего определенному (і-му) сегменту кривой компрессии А-87,6/13, численно равна абсциссе нижней границы сегмента. Поэтому эталон, соответствующий нижней границе каж­ дого сегмента, формируется включением лишь одного источника эталонных сигналов.

Определение номера разрешенного уровня в пределах данного сегмента в нелинейных кодерах взвешивающего типа осуществля­ ется методом поразрядного сравнения и вычитания, как и при ко­ дировании с равномерной шкалой квантования. Поэтому в нели­ нейном кодере с характеристикой А-87,6/13 число эталонов, исполь­

что число одновременно включенных эталонов в кодере не превы­ шает 5. В декодере, кроме того, добавляется дополнительный, шес­ той, эталон, равный половине шага квантования (для смещения разрешенного уровня на середину шага квантования).

Приведенные расчеты позволяют сделать следующий весьма важный для практики вывод: в восьмиразрядном нелинейном коде­

в пределах каждого сегмента равна требуемой точности осуществ­ ления аналогичных процессов в шестиразрядном линейном кодеке или нелинейном кодеке с аналоговой компрессией. Это значит, что снижаются требования к точности и стабильности параметров резисторных декодирующих матриц, ключей и т. п.

Общее количество источников эталонных сигналов в восьми­

(5.9), не могут быть выражены целыми степенями числа 2. Это ве­ дет к некоторому усложнению алгоритма работы кодека по срав­ нению с кодеками, в которых реализован закон А-87,6/13. Граница •сегмента определяется включением нескольких источников этало­ нов, причем их состояния, соответствующие границе сегмента, не остаются постоянными при определении номера шага квантова­ ния. Поэтому в течение каждого такта кодирования как при опре­ делении номера сегмента, так и при поиске шага квантования в пределах сегмента осуществляется переключение большего коли­ чества эталонных сигналов, чем при Л-законе, что приводит к рос­ ту уровня помех. Кроме того, для введения корректирующего сиг­ нала, равного половине шага квантования, в декодере с законом

ками, построенными в соответствии с законом А-87,6/13. Общее ко-

137

личество источников эталонных сигналов в восьмиразрядном де­ кодере (ЦАП) с законом U.-255/15 равно 13. Такой же ЦАП вклю­ чается в цепь обратной связи кодера взвешивающего типа.

Нелинейное кодирование симметричных сигналов. Абонентские телефонные сигналы, поступающие на вход каналов Систем ВД-ИКМ, имеют симметричное распределение вероятностей мгно­ венных значений. Это обстоятельство предопределяет требование к квантователю подобных сигналов: его амплитудная характеристи­ ка должна быть двухполярной, т. е. симметричной относительно начала координат.

В кодеках взвешивающего типа с равномерной шкалой кван­ тования вопрос получения двухполярной квантующей характери­ стики решается сравнительно просто — путем смещения нулевого статического уровня на середину шкалы квантования или путем добавления к сигналу постоянной составляющей, равной половине

m —1

динамического диапазона кодека (т. е. 2 к Д0 ). Такой метод прост, хотя повышает требования к системе эталонов. В случае нелинейного кодирования он неприменим, так как смещение нуля при неравномерном квантовании (см. 4.7) приводит к ухудшению отношения сигнал/шум. Двухполярную квантующую характеристи­ ку нелинейного кодера, необходимую для преобразования симмет­ ричных сигналов, можно получить одним из следующих способов:' применением двух систем эталонов противоположной полярности; раздельным кодированием разнополярных отсчетов сигнала; уни-

Выход

и -

РеВерсиВный \npeo6-. рарВатель эталонов^

-Мсточник зтолоноо

Логика

138

Обе схемы нашли практическое применение [18, 19].

В нелинейном кодере симметричных сигналов с двумя источни­ ками эталонов противоположной полярности (рис. 5.43) в первом такте кодирования определяется полярность входного сигнала, а на выходе формируется первая кодовая посылка. По цепи обрат­ ной связи посылка кодовой группы воздействует на логическое устройство, вырабатывающее сигналы управления источниками эталонов. При положительной полярности входного сигнала логи­ ка включает первый источник эталонов. Процесс уравновешивания входного сигнала и формирование посылок кодовой группы проис­ ходят обычным способом. Поступление на вход кодера сигнала от­ рицательной полярности приводит к формированию на выходе ло­ гики сигналов управления, под воздействием которых на вход ком­ паратора включается второй источник эталонов.

Особенность рассмотренной схемы заключается в наличии двух прецизионных источников эталонов, вырабатывающих одинаковые с высокой степенью точности сигналы противоположной полярно­ сти. В отличие от этого, в структурной схеме, показанной на рис. 5.44, применен реверсивный преобразователь, при помощи которо­ го изменяется полярность эталонов единственного в схеме источ­ ника. Принцип действия обеих схем одинаков, за исключением то­ го, что логика второй схемы осуществляет переключение цепи по­ ступления эталонных сигналов на вход компаратора: при кодиро­ вании сигналов положительной полярности ключ К размыкает верхний и замыкает нижний контакт, а эталонные сигналы прохо­ дят на вход компаратора через инвертор; преобразование сигна­ лов отрицательной полярности происходит в положении переклю­ чателя, показанном на схеме.

Опыт разработки систем ВД-ИКМ с нелинейными кодерами по­ казывает, что создание двух идентичных источников разнополярных эталонов представляет собой менее сложную техническую за­ дачу, чем построение прецизионного реверсивного переключателя эталонов.

При раздельном кодировании разнополярных отсчетов сигна­ л а (обобщенная структурная схема одной из реализаций которого показана на рис. 5.45) входной сигнал подвергается линейной об­ работке, например парафазному усилению [20]. С выхода парафазного усилителя сигнал поступает на входы двух компараторов. Ло­ гика включает один из компараторов при передаче сигнала поло­ жительной полярности; другой компаратор включается при коди­ ровании сигнала отрицательной полярности. Сравнительная оцен­ ка сложности формирования прецизионных эталонов и реализации высокой степени стабильности и идентичности порогов срабатыва­ ния двух компараторов показывает практическую предпочтитель­ ность кодера с двумя источниками эталонов.

Униполяризация кодируемых отсчетов сигнала заключается в нелинейной обработке отсчетов сигнала перед кодированием. Для этого применяют реверсивные преобразователи [21], построенные

139