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

4.7. Влияние остатков импульсной несущей на процесс неравномерного квантования

Выше рассмотрена работа неравномерного квантующего устройства в системе ВД-ИКМ в идеализированных условиях, ког­ да «а вход компрессора подается дискретизированный телефонный сигнал с четной функцией плотности W(u) распределения мгновен­ ных значений и, т. е. с нулевым средним значением. Однако прак­ тически это не так, ибо при дискретизации сигнала по времени, выполняемой с помощью балансных или кольцевых амплитудноимпульсных модуляторов, импульсная несущая (напряжение ча­ стоты дискретизации / д = 8 кГц) подавляется не полностью. Воз­ действие остатков импульсной несущей на неравномерный кванто­ ватель показано на рис. 4.19, где эти импульсы заштрихованы. От-

•*4 и - ио 1—

личіие среднего значения АИМ сигнала от нуля приводит к сдвигу рабочей точки квантователя; слабые сигналы перемещаются в зо­ ну больших шагов квантовагіия, и отношение сигнал/шум для них ухудшается.

Анализ этого явления дан в работе [11]. Пусть распределение мгновенных значений входного сигнала .компрессора (или, в более общем случае, неравномерного квантователя, независимо от спо­ соба его реализации) описывается симметричной функцией плот­ ности (рис. 4.20), смещенной относительно начала координат на величину «о, характеризующую остаточное напряжение импульс­ ной несущей. Тогда среднюю мощность шума логарифмического жвантованіия можно получить из ф-лы (4.31), подставив в нее вмес­ то функции плотности W(u) смещенную функцию W(u—ы0). Опус­ кая промежуточные выкладки, приведем обобщение ф-лы (4.32) :

80

определено ранее. Подставляя это значение в (4.35), получим от­ ношение сигнал/шум квантования с учетом влияния постоянного смещения входного сигнала [обобщение ф-лы (4.33)]:

Это выражение, в отличие от (4.33), справедливо только при экс­ поненциальном распределении входного сигнала и в этом смысле является менее общим. При &п->°° оно обращается в (4.33), если

отношение сигнал/шум увеличивается с ростом Ьп . Таким образом, отношение сигнал/шум тем хуже, чем меньше степень подавления импульсной несущей, и является максимальным при &п - ^°° . Сле­

ройствах удается добиться степени подавления импульсной несу­

Остатки импульсной несущей и другие шумы, действующие на входе квантователя, не только сдвигают его рабочую точку, в зону больших шагов квантования, как это было показано выше, но и могут привести к появлению специфического для систем ВД-ИКМ шума на выходе незанятого (молчащего) канала — так называе-

81

мого шума молчания. Действительно, при 'квантующей характери­ стике второго типа (рис. 4.46) даже небольшой шум на входе кван­ тователя (о амплитудой, значительно меньшей 'минимального шага квантования) преобразуется в [перепады напряжения, имеющие ве­ личину ±(о 2 +і)/2 . Это явление имеет место независимо от того, какое квантование осуществляется — равномерное или неравно­ мерное. Средняя мощность шума молчания Л я = о | + 1 / 4 и при нера вн омѳрном «в антіоів ании* о бычно нѳвелик а.

В процессе эксплуатации аппаратуры из-за изменения парамет­

де компрессора, но и между компрессором и экспандером (напри­ мер, в процессе кодирования или декодирования). Это ведет к не­ соответствию рабочих точек экспандера и компрессора и в ре­ зультате — к дополнительным нелинейным искажениям.

В случае равномерного квантования сдвиг квантующей харак­ теристики относительно среднего значения входного сигнала при­ водит к некоторому увеличению шума перегрузки и к появлению постоянной составляющей шума квантования. И то и другое для

82

Глава 5

КОДИРОВАНИЕ И ДЕКОДИРОВАНИЕ

ВСИСТЕМАХ СВЯЗИ ВД-ИКМ

5.1.Принципы построения и классификация кодирующих и декодирующих устройств

Общие положения. Цифровые методы обработки хранения и передачи аналоговой информации, широко распространенные в современной вычислительной и управляющей технике, ныне актив­ но внедряются в технику электрической связи [1,2].

Преобразование аналоговых сигналов в цифровые в системах связи с ИКМ осуществляется с помощью кодирующих устройств — кодеров, которые называют также аналого-цифровыми преобразо­ вателями (АЦП) ' ) . Обратная операция осуществляется декоди­ рующими устройствами (декодерами), называемыми также цифроаналоговыми преобразователями (ЦАП).

Преимущества, цифровых методов обработки, хранения и пере­ дачи информации наиболее полно реализуются в интегральной цифровой сети связи (ИЦСС). В ИЦСС различные по своему ха­ рактеру сигналы, несущие информацию (телефонные; телевизион­ ные, телеграфные и т. д.), преобразуются к единой для всех звень­ ев сети цифровой (кодовой) форме.

Кодеры и декодеры являются важнейшими составными частя­ ми систем и сетей связи с ИКМ, необходимыми для изменения фор­ мы представления передаваемой информации. Кроме того, в состав систем и сетей связи с ИКМ могут входить устройства, служащие для преобразования цифровых сигналов без изменения формы представления информации. Такие устройства называют кодопре­ образователями. В системах с ИКМ они могут применяться для су­ жения спектра цифрового сигнала на входе кабельной линии (ко­ деры линейного тракта, см. гл. 7), для преобразования кодов (на­ пример, кода (Грея2 ) в натуральный или наоборот) и т. д. В сетях связи на кодопреобразователи могут быть возложены дополнитель­ ные функции, например согласование различных законов компрес­ сии и экспандирования в сложной (международной) сети, измене­ ние статистических свойств цифрового потока и т. п.

*) Иногда считают, что в состав АЦП входят также временные дискрета-

85

Таким образом, назначение кодеров, кодопреобразователей и декодеров состоит в преобразовании аналоговых сигналов к ви­ ду, удобному для передачи по цифровому линейному тракту, в со­ гласовании характеристик и параметров различных звеньев циф­ ровой системы или сети связи и в обратном преобразовании циф­ ровых сигналов в аналоговые.

Кодовое представление квантованного сигнала. Непрерывные по уровню сигналы преобразуются в дискретные путем квантования (гл. 4 ) . Квантованный сигнал, в принципе, можно считать кодовым с основанием кода, равным числу пкв разрешенных уровней (уров­ ней квантования) и с числом символов в кодовой группе, равным единице. Как показано в гл. 4, число уровней квантования при те­ лефонной связи должно выбираться порядка п к в = 1 2 8 — 2 5 6 . Таким образом, квантованный сигнал является многоуровневым.

Многоуровневые сигналы весьма неудобны для передачи, так как приемник должен уверенно различать все разрешенные уров­ ни. Кроме того, такие сигналы трудно восстановить (регенериро­ вать), если они подверглись действию помех. Иными слонами, многоуровневым сигналам в большой степени свойственны недо­ статки аналоговых сигналов. Поэтому в системах с ИКМ, предна­ значенных для работы на линиях со сравнительно высоким уров­ нем помех, обычно используется код с низким основанием (чаще всего двоичный). Двоично-кодированные (двухуровневые) сигна­ лы, полученные на выходе кодера, передаются по линии связи непосредственно или преобразуются кодером линейного тракта в трехуровневые (квазитроичные, см. гл. 7) 1 )

Передача квантованных сигналов может быть осуществлена более эффективным способом, чем передача аналоговых сигналов благодаря тому, что число разрешенных уровней ограничено; по­ этому за каждым разрешенным уровнем можно закрепить опреде­ ленный номер в соответствии с его величиной. Тогда передача квантованных сигналов может быть сведена к -передаче номеров разрешенных уровней, причем сложность системы передачи в боль­ шой степени зависит от выбора системы счисления, на основе ко­ торой осуществляется нумерация разрешенных уровней.

') С ростом числа разрешенных уровней увеличивается допустимая скорость передачи при заданной полосе пропускания линейного тракта, что повышает эффективность его использования. Поэтому в некоторых системах, предназна­ ченных для связи по трактам с малым уровнем помех (например, по коаксиаль­ ному кабелю), число разрешенных уровней сигнала увеличивают до 5—7, выиг­ рывая при этом в скорости передачи [(числе каналов) и проигрывая в помехо­ устойчивости.

86

В двоичной системе счисления величина оц в соотношении (5.1) может принимать два значения — 0 или 1, а система весов образует набор величин, равных целым степеням 2. Если нумера­ ция разрешенных уровней выполнена в двоичной системе счисле­ ния, приемник должен регистрировать всего лишь два различных сигнала. Это значительно упрощает построение системы связи и повышает ее помехоустойчивость. Поэтому в системах с ИКМ для нумерации разрешенных уровней чаще всего применяется двоич­ ная система счисления. Простейшим приемником двоичных сигна­ лов может быть реле, имеющее два устойчивых состояния — вклк> чено и выключено.

Определение номера разрешенного уровня (уровня квантова­ ния), который ближе всего совпадает с величиной передаваемого' аналогового сигнала, осуществляется кодером. Результатом кодиро­ вания является группа символов (посылок, цифр), т. е. комбина­ ция «единиц» и «нулей», на выходе кодера, представляющая в дво­ ичной системе счисления номер разрешенного уровня. Запись лю­

і=і

+ 0-2°. Здесь Qi = 27 -' принимает значения 64, 32, 16, 8, 4, 2, 1. Набор величин Qi можно рассматривать как ряд эталонных сигналов, имеющих вес, определяемый номером разряда. Одно­ значная связь величины эталонного сигнала с номером разряда двоичного эквивалента разрешенного уровня позволяет ограничить­ ся передачей в системе связи только ряда величин а*, составляю-

87