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

по принципу коммутации парафазно-усиленного сигнала (рис. 5.46), или прецизионные выпрямители, выполненные на операци­

смотренных ранее схем заключается в том, что здесь двухполяр-

литель

Компара]

тарі

-TL

{Источник

эталоніА

Логика

Рис. 5.45. Структурная схема кодера симметричных сиг­ налов с линейной обработкой входных сигналов

Логика

Рис. 5.46. Структурная схема кодера симметричных сигналов с нелинейной обработкой входных сигналов и парафааным усили­ телем

ность квантующей характеристики кодера достигается путем пре­ образования кодируемого сигнала. Таким образом, известные спо­ собы формирования двухполярной квантующей характеристики не­ линейных кодеров можно разделить на две группы — с преобра­ зованием эталонов и с преобразованием кодируемых сигналов.

Нарушение двухполярности равномерной квантующей характе­ ристики несущественно влияет на качество передачи. При откло­ нениях характеристики от двухполярной либо из-за смещения ну­ ля сигнала, либо вследствие нестабильности параметров кодера

140

нием сильных сигналов (шум перегрузки). В системах же ВД-ИКМ с неравномерным квантованием нарушение двухполярности кван­ тующей характеристики кодера приводит к заметным искажениям передаваемых сигналов. Величина и характер этих искажений оп­ ределяются в общем случае степенью и видом отклонения харак­ теристики от симметричной двухполярной формы и зависят в боль­ шой степени от способа формирования двухполярности и типа за­ кона компандирования.

Исходя из отмеченной выше слабой критичности системы ВД-ИКМ с равномерным квантованием к смещениям нуля сигнала кодека, можно сделать вывод о меньшей подверженности влиянию нарушений двухполярности систем с сегментными характеристика­ ми по сравнению с системами передачи, реализующими плавный закон компандирования. Этот вывод непосредственно вытекает из того обстоятельства, что в пределах по крайней мере двух-четырех центральных сегментов, соответствующих области слабых сигна­ лов, осуществляется равномерное квантование.

Можно показать, что в каналах системы ВД-ИКМ с сегмент­ ным законом компандирования А-87,6/13 ухудшение отношения сигнал/шум квантования при смещении «нуля» кодера на 5 ша­ гов квантования центральных сегментов не превышает 0,1 дБ.

Нарушение двухполярности квантующей характеристики ко­ дека -может быть вызвано также изменением величины его коэф­ фициента передачи. Последний можно представить как отношение величины выходного сигнала декодера к величине входного сигна­ ла кодера. С другой стороны, коэффициент передачи кодека Ккодек = Ккод/кДек, где кКод — масштабный коэффициент преобразо­ вания входного сигнала кодера в цифровой эквивалент; клек —- масштабный коэффициент преобразования кода в выходной сигнал декодера.

шага квантования. Отношение сигнал/шум изменяется в зависи­ мости от изменения величины кКод, так как при этом происходит

141

Нестабильность величины кК О д также приводит к нестабиль­ ности остаточного затухания каналов. Допустимая величина из­ менения Ккод определяется допустимой нестабильностью остаточ­

последовательного счета, взвешивания и матричного кодирования. Общим признаком кодеров с аналоговой компрессией эталонов яв­ ляется то, что здесь алгоритм действия схемы остается неизмен­ ным по сравнению со структурными схемами, приведенными в 5.2, 5.3 и 5.4, а изменяется лишь закон формирования эталонов.

Взвешивающие кодеры с компрессией эталонов могут быть по­

Рис. 5.47. Структурная схема нелинейного взвешивающего кодера с анало­ говой компрессией эталонов по ^.-закону

На рис. 5.47 показана структурная схема нелинейного кодера [22], аналоговая компрессия эталонов которого позволяет осуще­ ствить сжатие динамического диапазона передаваемых сигналов в соответствии с ji-законом. Эталонные токи кодера формируются аттенюатором, причем величины затуханий, вносимых соседними звеньями, связаны двоичными соотношениями. Полярность коди­ руемых сигналов и соотношение величин эталонов и сигнала опре­ деляются компаратором. В зависимости от полярности отсчета ко­ дируемого сигнала направление эталонных токов в точке сумми­ рования А на входе компаратора может быть изменено на проти­ воположное при помощи ключа Кі-

Рассмотрим работу кодера, рассчитанного на формирование посылок семиразрядного двоичного кода; степень сжатия ju, = 92;

142

максимальная величина тока сигнала / с в точке суммирования А

коммутирующие звенья аттенюатора, находятся в положении 1. При этом аттенюатор вносит в цепь прохождения эталонного то­ ка максимальное затухание, равное 39,375 дБ, что соответствует уменьшению тока в 93 раза; поэтому эталонный ток на выходе аттенюатора равен /Э т/93, а в точку суммирования на входе ком­ паратора поступает эталонный ток, равный —/Э т/93. Кроме эта

В режиме молчания схема работает следующим образом. На­ чало процесса кодирования определяется поступлением управляю­ щего импульса ti на схему логики. При этом ключи К и Кі пере­ ключаются в положение 2, поступление тока А в точку суммирова­ ния прекращается, а эталонный ток /Э т/93 изменяет направление на противоположное. Переключение ключей К и Кі не изменит ба­ ланс токов на входе компаратора, т. е. результирующий ток оста­ ется равным нулю.

Компаратор выдает на выход кодовый импульс при поступле­ нии на его вход отрицательно направленного тока; кодовый про­

в режиме молчания в первом такте кодирования формируется про­ бел, воздействие которого по цепи обратной связи приводит к вы­ работке логикой двух сигналов. Первый сигнал поступает в цепь управления компаратором и изменяет алгоритм его работы сле­ дующим образом: кодовый импульс на выходе появляется при по­ ступлении на вход положительно направленного тока, а также при

отсутствии тока; кодовый пробел появляется, на выходе при отри­ цательно направленном тоже на входе компаратора. Второй сигнал логики возвращает ключи 'К и Кі в положение 1, и направление эталонного тока в точке суммирования изменяется на противопо­ ложное.

По мере поступления на логику управляющих импульсов 4—U

При кодировании отрицательных отсчетов сигнала результирую­ щий ток на входе компаратора (исходящий из входной клеммы) в первом такте равен іс и на выходе компаратора формируется ко­ довый импульс, который по цепи обратной связи воздействует на логику. Наличие импульса в старшем разряде кодовой группы сви-

143

детельствует об отрицательной полярности кодируемого сигнала; воздействие этого импульса на логику приводит к тому, что клю­ чи К и К І остаются в положении 2, а алгоритм действия компа­ ратора не изменяется.

Управляющий импульс 4, поступающий на логику во втором такте кодирования, переводит ключ Кг в положение 2, при этом

уменьшается. Если результирующий ток остается отрицательным, то кодер выдает на выход второй импульс, а ключ Кг остается в положении 2 до конца цикла кодирования. При положительном результирующем токе во втором такте кодирования на выходе кодера формируется пробел, а ключ Кг возвратится в положение 1. Далее процесс кодирования происходит аналогичным образом.

Возбуждение тока в точке суммирования отсчетом сигнала по­ ложительной полярности приводит к формированию в первом так­ те кодирования пробела, кроме того, алгоритм работы компара­ тора изменяется по сравнению с исходным состоянием, ключи К и Кі возвращаются в положение /, а направление эталонного то­ ка в точке суммирования изменяется.

Во втором такте кодирования ключ Кг переводится в положе­ ние 2 и эталонный ток в точке А увеличивается. Если при этом результирующий ток на входе компаратора остается положитель­ ным, то на выходе кодера будет сформулирован импульс, а ключ Кг остается в положении 2 до конца цикла кодирования. В слу­ чае установления во втором такте отрицательного результирующе­ го тока компаратор выдает на выход пробел, а ключ Кг возвра­ щается в исходное состояние. В остальных тактах кодирование происходит аналогичным образом.

Квантующая характеристика рассматриваемого кодера являет­ ся неравномерной, причем шаг квантования увеличивается с рос­ том номера разрешенного уровня.

Величина тока /„, при котором происходит формирование ко­ довой группы, соответствующей n-му разрешенному уровню, опре­ деляется соотношением

"т кв

(5.11)

" 93

1=1

где К І — коэффициент, зависящий от номера і разряда кодовой группы и равный затуханию (в разах) соответствующего звена ат­ тенюатора; а* — коэффициент, принимающий значения «единицы» при формировании импульса в і-м разряде или «нуля» при форми­ ровании пробела.

С другой стороны,

(5.12)

ІП(1

144

(5.11), можно найти входные токи, соответствующие каждому раз­ решенному уровню.

Точность преобразования сигналов в рассмотренном кодере в большой степени зависит от стабильности параметров аттенюато­ ра. Требования к параметрам аттенюатора значительно упроща­ ются, если эталонные сигналы связаны между собой двоичными соотношениями, т. е. осуществляется цифровое компандирование эталонов. Схема одной из возможных реализаций резисторно-тран- зисторного звена аттенюатора приведена в работе [22].

Нелинейные кодеры с цифровой компрессией эталонов. Общие понятия о нелинейных кодерах с цифровой компрессией эталонов были приведены в 5.1. Для уяснения принципа работы кодера взвешивающего типа с обратной связью с цифровой компрессией эталонов рассмотрим процессы семиразрядного кодирования в уст­

Вход

AHM

Рис. 5.48. Структурная схема нелинейного взве­ шивающего кодера с цифровой компрессией эта­ лонов по Л-закону

этому в первом такте кодирования отсчет сигнала проходит на вход компаратора без изменения фазы.

145

поступает отсчет сигнала отрицательной полярности, схема управ­ ления выдает на опознаватель сигналы, замыкающие ключ Кг и размыкающие ключ КіЭто состояние схемы сохраняется в тече­ ние всех тактов кодирования, а сигнал поступает в точку сумми­ рования А через инвертор.

В соответствии с принципом взвешивания после определения полярности отсчета начинается процесс компенсации кодируемого сигнала эталонами противоположной полярности. В случае нели­ нейного кодирования этот процесс осуществляется в два этапа. В рассматриваемой схеме семиразрядного кодера вначале должен

матрицы. Если в точке суммирования А ток, вызванный отсчетом, сигнала, превышает эталон, то на компаратор воздействует поло­

тельно, для приближения к условию компенсации сигнала этало­ ном, последний необходимо увеличивать.

Результат сравнения сигнала с эталоном во втором такте фик­ сируется запоминающим устройством и дешифруется логикой, ко­ торая вырабатывает сигнал управления. Под воздействием этого сигнала эталон / э т 4 переключается в узел В резисторной матрицы путем размыкания ключа Кю и замыкания ключа Ks-

Предположим, что при подключении эталона / а т і к узлу В на­ пряжение в точке суммирования стало отрицательным, т. е. эталон

схемы суммарное напряжение на входе компаратора будет отри­ цательным. Тогда снова кодер выдает импульс; это служит свиде­

тов кодирования в результате процессов вычитания эталонов из сигнала и сравнения результата вычитания сонорным напряжени­ ем компаратора будет определен номер сегмента, в котором рас­ положен кодируемый сигнал. Этот номер записывается в составе кодовой группы в виде комбинации из трех посылок, занимающих вторую, третью и четвертую импульсные позиции.

Дальнейший процесс уравновешивания сигнала происходит по алгоритму линейного кодирования, рассмотренному в 5.3, путем

146

последовательного подключения в точку суммирования эталонов Л)т2=4 уе, Іэт3=2 ye и / э т 4 = 1 уе в различных сочетаниях; при этом ключ выбранного узла декодирующей матрицы (например, Кы) остается в замкнутом состоянии до конца цикла кодирования. Так, в пятом такте в схему суммирования включается эталон / э т 2 = 4 уе. Если при этом напряжение в точке А остается положительным, на выходе кодера формируется пробел, а эталон /Э Т 2 остается вклю­ ченным. В противном случае на выходе кодера формируется им­ пульс, а эталон / э т 2 выключается. Далее процесс кодирования про­ исходит аналогичным образом.

Более сложная структурная схема одной из возможных реали­ заций восьмиразрядного кодера с законом компрессии А-87,6/13 показана на рис. 5.49. Схема включает следующие основные функ­ циональные узлы:

1) два источника эталонов, формирующих совместно со схемой коммутации блоков эталонов и предварительным дифференциаль­ ным усилителем компаратора двухполярную квантующую характе­ ристику кодера;

2) компрессирующую логику, алгоритм действия которой со­ ответствует преобразованию динамического диапазона кодируе­ мых сигналов по кривой компрессии А-87,6/13;

3)регистр памяти, управляющий работой компрессирующей логики и обеспечивающий хранение информации о решении (вы­ ходном сигнале) компаратора в каждом такте кодирования в те­ чение полного цикла аналого-цифрового преобразования отсчета сигнала;

4)логику управления регистром памяти; работает под воз­ действием сигналов с выходов компаратора и источника периоди­ ческих импульсных последовательностей (генераторного оборудо­ вания) ;

5)схему ввода отсчетов сигнала; представляет собой усилитель постоянного тока, обеспечивающий парафазное усиление входных

сигналов и согласование выхода группового АИМ тракта с вхо­ дом компаратора;

6) компаратор, состоящий из предварительного усилителя, по­ рогового устройства и реверсивной схемы; последняя подключает

кцепи обратной связи первый или второй выход компаратора;

7)схему реверса решения компаратора, управляемую тригге­ ром TrR.

Кроме перечисленных основных функциональных узлов, схема содержит ряд вспомогательных узлов. К ним относятся:

1) схема коррекции «нуля» кодера, включаемая дважды в те­ чение каждого цикла передачи (т. е. с частотой 16 кГц) и стаби­ лизирующая двухполярные свойства квантующей характеристики, с этой схемой связана логика управления подстройкой «нуля»;

2) логика ускорения, вырабатывающая последовательности им­ пульсов, необходимых для ускорения работы кодера при форми­ ровании двух последних посылок кодовой комбинации;

147

схема реверса решена" \компарат.

Î

bom,

ОтГи\

1

Логика управления работой регистра

choc формирова­ теля ампульсоВ

АИМ-2

Рис. 5.49. Структурная схема восьмиразрядного нелинейного кодера с цифровой компрессией эталонов

3) схема формирования выходных цифровых сигналов кодера, обеспечивающая стандартизацию кодовых посылок и инвертирова­ ние четных посылок кодовой комбинации в соответствии с реко­ мендацией МККТТ.

та и, наконец, номер шага квантования в пределах сегмента. В ос­ нову алгоритма положен принцип взвешивания: отсчет кодируемо­ го сигнала компенсируется путем последовательного во времени выбора эталонов и вычитания их из сигнала.

148

Выбор и включение необходимых эталонов осуществляются ком­ прессирующей логикой.

5.6. Реализация основных узлов кодера

Компаратор. Схема сравнения или компаратор — один из наиболее специфических функциональных узлов кодера. Компара­ торы предназначены для фиксации момента равенства двух пере­ менных физических величин либо достижения нулевого значения алгебраической суммы этих величин. Применяемые в технике ана­ лого-цифрового преобразования компараторы целесообразно разде­ лить по принципам построения схемы на два типа: потенциальные и динамические, или регенеративные.

Указанная классификация не означает, что потенциальные ком­ параторы не могут содержать схем регенеративного типа (тригге­ ры, блокинг-генераторы и т. п.). Вопрос заключается в том, какая группа функциональных узлов, составляющих компаратор, имеет определяющее значение при выполнении операции сравнения.

В потенциальных компараторах из разностного сигнала путем преобразования (усиления, ограничения и т. п.) формируют пере­ пады уровней, используемые либо непосредственно, либо после об­ работки в логических устройствах. В регенеративных компара­ торах разностный сигнал непосредственно или после предвари­ тельного усиления воздействует на схему регенеративного типа, изменяя в ней характер обратной связи. В технике аналого-циф­ рового преобразования нашли применение оба типа компараторов.

Потенциальные компараторы содержат широкополосные уси­ лители постоянного тока, отличающиеся большим коэффициентом усиления и высокой стабильностью параметров, ограничители и формирователи перепада выходных уровней. Неизменность во вре­ мени и точность реализации параметров компараторов рассмат­ риваемого типа определяются в основном стабильностью парамет­ ров усилителей (например, величиной дрейфа нулевого уровня, стабильностью коэффициента усиления и т. д.). Временные пара­ метры компаратора (быстродействие, задержка разностного сиг­ нала) зависят от ширины полосы рабочих частот усилителя.

Динамические компараторы отличаются использованием усили­ тельных схем с внешней или внутренней положительной обратной связью. Входные сигналы воздействуют на какой-либо из элемен­ тов цепи обратной связи, изменяя тем самым его параметры. Вли­ яние на процесс изменения параметров цепи обратной связи и выходного напряжения или тока приводит к неоднозначности в ха­ рактере зависимости выходной физической величины от входной. Это проявляется в деформации амплитудной характеристики ком­ паратора — появлении петли гистерезиса, что ухудшает его па­ раметры; в ряде практических случаев требуются специальные ме­ ры для уменьшения ширины петли гистерезиса.

149