2.2. Кодеры и декодеры с линейной шкалой квантования

Кодеры цифровых систем передачи с ИКМ-ВРК предназначены для преобразования АИМ сигналов после их квантования в цифровую форму. Операции квантования и кодирования в современных ЦСП с ИКМ-ВРК обычно совмещаются. Если квантование осуществляется с постоянным шагом (равномерное), то такие кодеры называются кодерами с линейной шкалой квантования, если же шаг квантования изменяется (нелинейное квантование), то такие кодеры называются кодерами с нелинейной шкалой квантования. В ЦСП с ИКМ применяются кодеры с нелинейной шкалой квантования, но при их построении на первой ступени кодирования ис­пользуются кодеры с линейной шкалой квантования. Поэтому вначале рассмотрим принципы построения и функционирования кодеров с линей­ной шкалой квантования.

Различные типы кодеров, использующихся в ЦСП с ИКМ-ВРК, по принципу их действия разделяют на три группы:

- с преобразованием кодируемой величины во временной интервал (кодеры последовательного счета);

• поразрядного сравнения (взвешивающие кодеры);

• с кодовым полем (матричные кодеры).

Кодеры последовательного счета. Структурная схема одного из ва­риантов кодера последовательного счета приведена на рис. 2.6, а времен­ные диаграммы, поясняющие принцип его работы показаны на рис. 2.7.

Рис. 2.6. Функциональная схема кодера последовательного счета

Квантованный АИМ сигнал (рис. 2.7 - 1) поступает на преобразова­тель АИМ сигнала в широтно-импульсно-модулированный сигнал АИМ-ШИМ (рис. 2.6, точка 7), где преобразуется в импульсы ШИМ сигнала одинаковой амплитуды, но различной длительности (рис. 2.6, точка 2).

Длительность импульсов ШИМ сигнала пропорциональна ампли­туде импульсов входного АИМ сигнала (рис. 2.7 - 2). Эти импульсы по­ступают на схему И, на другой вход которой от генератора тактовых им­пульсов (ГТИ) поступают короткие эталонные импульсы с постоянным периодом следования (рис. 2.6, точка3 и рис. 2.7 - 3). Пока схема И от­крыта благодаря воздействию ШИМ импульса, на ее выходе формируется пакет эталонных импульсов (рис. 2.6, точка 4 и рис. 21-4).

Рис. 2.7. Временные диаграммы работы кодера последовательного счета

Длительность пакета пропорциональна длительности ШИМ импульса, а следовательно число импульсов в пакете пропорционально амплитуде кванто­ванного входного АИМ сигнала. Количество импульсов, входящих в пакет подсчитывается двоичным счетчиком (цепочка последовательно соединенных триггеров , гдет - разрядность кодовой комбинации).

Результат счета устанавливается на кодовых выходах счетчика и выражает двоичный эквивалент кодируемого сигнала в параллельном коде, который с помощью формирователя кода преобразуется в последо­вательный код (рис. 2.6, точка6 и рис. 2.7 - б). Импульсы сброса от ГТИ (рис. 2.6, точка 5 и рис. 2.7 - 5) поступают на вход двоичного счетчика и возвращают его в исходное состояние после формирования каждой кодо­вой комбинации. В кодере такого типа погрешности кодирования вызы­ваются нестабильностью частоты ГТИ, нелинейностью преобразования АИМ-ШИМ, ошибками работы двоичного счетчика и конечной разре­шающей способностью схемы И.

Кодеры поразрядного сравнения, или взвешивающие кодеры, нашли самое широкое применение в ЦСП с ИКМ-ВРК. Структурная схема тако­го кодера и временные диаграммы, поясняющие общие принципы его работы, приведены на рис. 2.8,а и 2.8,6 соответственно.

Кодирование в такой схеме аналогично процессу взвешивания тяжести при помощи набора гирь на чашках весов. После помещения взвешивае­мого предмета на чашку весов устанавливают гирю наибольшего веса, по результату первой операции взвешивания принимают решение: если взвешиваемый предмет тяжелее гири, то ее оставляют на весах и допол­нительно устанавливают на чашку гирю меньшего веса; а если взвеши­ваемый предмет легче гири, то перед установкой второй гири первую сни­мают и т.д. до полного уравновешивания предмета набором гирь.

В схеме рис. 2.8,а происходит последовательное сравнение кодируе­мого сигнала с рядом эталонных сигналов, равных ,гдет - число разрядов в кодовой комбинации, i - номер разряда, - шаг равномерного квантования. Кодируемый отсчет АИМ сигналапоступает на схему сравненияСС₁ 1-го каскада, где он сравнивается с эталоном наибольшего веса равным .

Если напряжение входного сигнала больше напряжения, то на выходе 1 схемы _CC1 появится напряжение, равное , которое вычитается из сигнала в схеме вычитания при этом на вход второго каскада кодера подается напряжение, а на выходе 2 схемы _CC1 формируется первый символ кодовой комбинации. Если напряжение кодируемого отсчета меньше _,то он проходит через схему без изменения, так как в этом

Рис. 2.8. Обобщенная структурная схема кодера поразрядного кодирования (а) и временная диаграмма его работы (б)

случае на выходе 1 напряжение отсутствует; на выходе 2 этой же схемы фор­мируется пробел (нуль) кодовой комбинации. Следующие каскады кодера работают аналогичным образом. Число каскадов кодера равно числу разрядов в кодовой комбинации, которое, в свою очередь, связано с числом уровней квантования М соотношением . Если, например, кодируемый сигнал квантуется 128-ю уровнями, то кодер состоит из семи каскадов.

Кодовая комбинация формируется в виде параллельного кода, который Для целей передачи преобразуется в последовательный код ИКМ сигнала.

Поясним процесс кодирования числовым примером. Пусть амплитуда отсчета АИМ сигнала При 7-разрядном кодировании эталонные напряжения имеют следующие значения:

. Процесс формирования кодовой комбинации представлен на рис. 2.8,6.

Отсчет с амплитудой подлежащий кодированию, устанавливается на входе кодера в момент времени затем происходит его сравнение с эталоном При этом на кодовом выходе первого каскада будет сформирована 1, а на вход второго каскада кодера поступает разностный сиг­нал .

Аналогичным образом на кодовом выходе второго каскада будет сфор­мирована вторая 1, а на вход третьего каскада поступит разностный сигнал равный Очевидно, на кодовых выходах третьего и четвертого каскадов кодера будут сформированы 0, так как раз­ностный сигнал, равный меньше эталонов третьего и четвертого каска­дов. Разностный сигнал поступит на схему сравнения пятого каскада, для которого В этом случае возможны два исхода:

1. на кодовым выходе пятого каскада будет сформирована 1, и процесс поразрядного сравнения и вычитания на этом прекратится, так как разно­стный сигнал на входах шестого и седьмого каскадов будет равен нулю;

2. на кодовом выходе пятого каскада будет сформирован 0, на вход шестого каскада поступит разностный сигнал, равный и на его выходе будет сформирована 1. Аналогично, на вход седьмого каскада поступит разностный сигнал, равный и на его кодовом выходе будет также сформирована 1.

В идеальном кодирующем устройстве возможен лишь первый исход, так как такое устройство четко реагирует на соотношение кодового импульса 1. При этом на выходе кодера будет сформирована кодовая комбина­ция вида 1100100, соответствующая

_.

В реальном кодирующем устройстве возможна некоторая неопределен­ность решения, так как схема, реагирующая на соотношение может быть выполнена лишь с конечной точностью. При втором исходе формирует­ся кодовая группа, соответствующая

_.

Из рассмотренного примера следует, что возможны дополнительные искажения сигналов, обусловленные конечной точностью осуществления процессов сравнения и вычитания, конечной стабильностью и точностью установки эталонных напряжений (токов) и т.п. По аналогии с шумами квантования эти искажения называются шумами кодирования и относятся к классу инструментальных погрешностей.

Рассмотренная схема кодера взвешивающего типа или поразрядного кодирования формирует натуральный двоичный код однополярного сиг­нала.

Структурная схема кодера, приведенная на рис. 2.8,а, поясняет только принцип поразрядного кодирования. Она может быть видоизменена с целью

Рис. 2.9. Обобщенная структурная схема кодера с декодером в цепи обратной связи

достижения тех или иных технических целей. Так, например, включением на выходе каждой схемы вычитания усилителя с коэффициентом усиле­ния, равным двум, или удлинителя (аттенюатора) с коэффициентом пере­дачи, равным кодер может быть построен с использованием одного эталонного напряжения. Введение в схему кодера обратной связи при со­хранении числа эталонов, равного т, позволяет уменьшить количество схем сравнения до 1 (рис. 2.9).

Принцип построения линейного кодера с обратной связью для кодиро­вания однополярных положительных сигналов при использовании 7-разрядного кода (т = 7) показан на рис. 2.10.

Кодер состоит из компаратора (К), генератора эталонных токов (ГЭТ), логического устройства (ЛУ), устройства формирования ИКМ сигнала (УФ ИКМ). Последовательный характер процесса кодирования требует сохранения величины отсчета с высокой точностью в течение всего пе­риода кодирования. Поэтому на вход кодера поступает сигнал АИМ-2. Процессы кодирования и формирования выходного сигнала происходят в УФ ИКМ под воздействием управляющих сигналов, поступающих от ге­нераторного оборудования передающей станции Формирование эталонных токов осуществляется подключением общего источника опор­ного напряжения Е к цепочке, сопротивления отдельных ветвей которой cвязаны друг с другом двоичными соотношениями вида где номер разрядаi принимает значения 1, 2, 3, ..., т. Подключение источника опорного напряжения к той или иной ветви происходит по командам, вырабатываемым ЛУ и воздействующим на ключи В исходном состоянии предшествующем началу первого такта кодирования, все ключи разомкнуты, их сопротивления в идеальном случае бесконечно велики и токи в ветвях ГЭТ равны нулю. Поступление соответствующей коман­ды с ЛУ вызывает замыкание ключаисточник опорного напряжения подключается к одному из прецизионных резисторов и формирует эта­лонный ток определяемый двоичным соотношением вида кото­рый поступает на вход 2 компаратораК.

Компаратор К осуществляет сравнение сигналов на входах 1 и 2. Если напряжение на входе 1 больше или равно напряжению на входе 2, то сиг­нал на выходе 3 компаратора равен логическому 0, если меньшето на выходе 3 компаратора будет сигнал логической 1. РаботойГЭТ управляет ЛУ, алгоритм работы которого выбирают таким образом, чтобы последовательным включением и выключением эталонов установилось приближенное равенство сигналов на входах 1 и 2 компаратора. В соот­ветствии с принципом взвешивания происходит процесс постепенного уравновешивания кодируемого сигнала суммой эталонов. Работу кодера рассмотрим на примере кодирования АИМ-2 отсчета, равного Перед началом кодирования все ключи разомкнуты (рис. 2.10).

Рис. 2.10. Линейный кодер взвешивающего типа для однополярного сигнала

Первый такт. С поступлением отсчета на вход 1 компаратораК на 7-м выходе ЛУ, управляемого импульсами тактовой частоты и соответствующем входе УФ ИКМ появляется 1. Ключ К₇ замыкается, и на вход 2 компаратора К поступает эталонный сигнал Так както на выходе компаратораК появляется 0. В результате этого ключ _К7 остается в замкнутом состоянии, и на выходе УФ ИКМ появляется 1.

Второй такт. На 6-м выходе ЛУ, управляемого импульсами тактовой частоты и соответствующем входеУФ ИКМ появляется 1. Ключ К₆ замыкается, и на вход 2 компаратора К подается эталонный сигнал

Таким образом, на входе 2 компаратора формируется сигнал вида

Так как то на выходе компаратора К появляется 0. В результате чего ключ К₆ ос­тается в замкнутом состоянии и на выходе УФ ИКМ появляется 1.

Третий такт. На 5-м выходе ЛУ, управляемого импульсами тактовой час­тоты и соответствующем входе УФ ИКМ появляется 1. Ключ К₅ замы­кается, и на вход 2 компаратора К подается эталонный сигнал Та­ким образом, на входе 2 компаратора формируется сигнал вида

Так как то на выходе компаратора К появляется 1. В результате чего ключ K₅ размыкается, эталонный сигнал от входа 2 компаратора отключается, на 5-м выходе ЛУ и на входе УФ ИКМ уста­навливается 0, а следовательно, и на выходе кодера появляется 0. На входе 2 компаратора действует сигнал, равный

_{Четвертый такт.} На 4-м выходе ЛУ, управляемого импульсами тактовой частоты и соответствующем входеУФ ИКМ появляется 1. Ключ замыкается, и на вход 2 компаратора К подается эталонный сиг­ нал . Таким образом, на входе 2 компаратора формируется сигнал вида

Так как то на выходе компаратора К появляется 1. В ре­зультате чего ключ К₄ размыкается, эталонный сигнал от входа 2 компаратора отключается, на 4-м выходеЛУ и на входе УФ ИКМ устанавливается 0, а следовательно, и на выходе кодера появляется 0. На входе 2 компаратора действует сигнал, равный

Пятый такт. На 3-м выходе ЛУ, управляемого импульсами тактовой час­тоты и соответствующем входе УФ ИКМ появляется 1. Ключ K₃ замы­кается, и на вход 2 компаратора К подается эталонный сигнал Таким образом, на входе 2 компаратора формируется сигнал

Так как то на выходе компаратора К появляется 0. В результате ключ К₅ остается замкнутым, и на выходе УФ ИКМ формируется сигнал логической 1. Очевидно, что реализация шестого и седьмого тактов приводит к появлению на выходе кодера 0. Таким образом, по окончании седьмого такта кодирования на выходе коде­ра формируется кодовая комбинация вида 1100100. После завершения коди­рования сигналы, поступающие от ГО_пер, переводят узлы кодера в исходное состояние, подготавливая его к кодированию следующего отсчета.

Большинство первичных сигналов являются двухполярными и, следова­тельно, для их кодирования необходимо применение соответствующего коде­ра. Для реализации кодера (рис. 2.11) требуется ГЭТ, формирующий эталон­ные сигналы для кодирования положительных и отрицательных отсчетов.

При необходимости кодирования 128 положительных и 128 отрица­тельных уровней потребуется 8-разрядная кодовая комбинация, причем высший разряд (8-й) будет кодировать полярность отсчета. При том же алгоритме работы компаратора, что и при кодировании однополярных сигналов, возникает следующая ситуация. Кодируя отсчет и сравнивая с высшим эталоном получим

Данный эталон остается включенным. Сравнивая теперь с высшим эталоном получим Эталон при этом выключается. Для устранения указанного недостатка при кодировании отрицательных отсчетов на выходе компаратора К включа­ется инвертор DD₁ значение сигналов на выходе компаратора будут ин­вертироваться и логическое устройство ЛУ будет принимать решение об оставлении или отключении соответствующего эталона.

Алгоритм работы линейного кодера двухполярных сигналов рассмотрим на примере кодирования отсчета отрицательной полярности

_{Первый такт.} Кодируемый отсчет поступает на вход 1 компаратора. Импульс от генераторного оборудования ГО_пер устанавливает на 8-м выходе 1. Ключ Кл⁺ замыкается и подключает положительные эталоны. Ключи положительных и отрицательных эталонов разомкнуты. На входе 2 компаратора ток

Поскольку сигнал имеет отрицательную полярность, т. е. то на выходе компаратора 3 появляется 1, которая через замкнутый ключ Кл, (выход 4) поступает на ЛУ и переводит 8-й выход в 0. При этом ключ Кл⁺ разомкнётся, а на выходе инвертора DD₂ появится 1, ключ Кл^-, замкнется и к выходу 2 компаратора подключатся отрицательные эталоны, а ключ Кл подключит к выхо­ду 3 компаратора инвертор DD₁. Следовательно, на 8-м выходе ЛУ остается О, который и появляется на выходе УФ ИКМ сигнала.

Второй такт. Сигнал с выхода ГО_пер переводит 7-й выход ЛУ в состояние 1. Ключ Кл₇ отрицательных эталонов подключает к входу 2 компаратора эталон Так как разность то на выходе компаратора формируется 1, а на выходе 4 инвертора DD₁ появляется 0 и эталонный ток остается включенным.

Третий - восьмой такты будут аналогичными ранее рассмотренным тапам кодирования. Последовательность решений компаратора в процессе кодирования отсчета представлена на выходе 4DD₁ (рис. 2.11) комбинацией символов 10011011.

Здесь левый символ 1 этой комбинации прошел с выхода компаратора до включения инвертора DD₁. По окончании восьмого такта кодирования на выходах ЛУ будет сформирована комбинация 01100100, представляю-

Рис. 2.11. Линейный кодер взвешивающего типа для двухполярного сигнала

щая в 8-и разрядном симметричном двоичном коде значение амплитуда отсчета Напомним, что символ высшего разряда кодовой комбинации определяет полярность отсчета.

Матричные кодеры. Принцип работы кодирующих устройств с кодовым полем - матричных кодеров, основан на использовании физической модели кодовой таблицы. Кодовая таблица физически определяет точное взаимное соответствие между номером разрешенного уровня и располо­жением импульсов и пробелов в кодовой комбинации. Если в кодере взвешивающего типа кодируемый отсчет сравнивается по­следовательно во времени с набором эталонных сигналов, а в кодере счетного типа происходит сопоставление кодируемого отсчета с эталон­ным временным интервалом, то в матричном кодере сигнал сопоставляет­ся непосредственно с физической моделью кодовой таблицы - кодовым полем. Кодовое поле может быть выполнено либо в виде набора решаю­щих устройств, либо в виде кодовой матрицы в специализированной элек­тронно-лучевой кодирующей трубке (ЭЛКТ). При поступлении на вход такого кодера АИМ сигнала данной амплитуды приводятся в состояние возбуждения определенные элементы кодового поля (матрицы) и на вы­ходе кодера формируется кодовая группа, которая соответствует опреде­ленному квантованному значению отсчета.

Матричные кодеры с решающими устройствами на электронных при­борах содержат большое число коммутационных элементов, обладают невысокой точностью кодирования, и потому их можно использовать при кодировании с небольшим (до пяти) числом разрядов. Матричные кодеры на основе ЭЛКТ просты по своей идее, обладают высоким быстродейст­вием и высокой точностью кодирования, но требуют высокой точности фокусировки и юстировки, высокого напряжения, обладают сравнительно большими габаритами, недостаточной надежностью и поэтому не нашли применения в ЦСП.

Декодеры с поразрядным суммированием токов. Процесс декоди­рования, обратный процессу кодирования, заключается в том, что в спе­циальном устройстве - декодере - путем преобразования кодовых комби­наций вырабатываются импульсы, амплитуда которых пропорциональна квантованным отсчетам передаваемого сигнала. Так же, как и кодирова­ние, декодирование может быть осуществлено различными способами. По аналогии с классификацией кодеров различают счетные, взвешивающие и матричные декодеры. Самое широкое применение в ЦСП на основе ИКМ нашли декодеры взвешивающего типа с поразрядным суммированием токов. Структурная схема линейного декодера такого типа для декодирования двухполярных сигналов приведена на рис. 2.12.

Рис. 2.12. Линейный декодер взвешивающего типа для двухполярного сигнала

Функционирование схемы рассмотрим на следующем примере. Пусть на вход декодера поступает кодовая комбинация вида 01100100, соответ­ствующая двухполярному отсчету. Преобразователь кода ПК входящую кодовую комбинацию в последовательном коде преобразует в параллель­ный код.

На выходе логического устройства ЛУ формируются сигналы управ­ления, коммутирующие ключи эталонов соответствующих разрядов. В симметричном коде высший разряд определяет полярность отсчета. В рассматриваемой кодовой комбинации высшему разряду соответствует 0. Следовательно, на выходе инвертора DD появляется 1, которая замыкает Кл коммутирующий отрицательные источники эталонов. Далее замыкаются ключи в результате чего формируется суммарный ток отрицательной полярности Преобразователь кодаПК и логическое устройство ЛУ управляются тактовыми импульсами, поступающими от генераторного оборудования приема ГО_пр.