Общие положения

Имитационная модель предназначена для изучения характеристик ИКМ кодека. Модель состоит из блоков эмулирующих работу:

• НЧ генератора,

• кодека,

• осциллографа,

• анализатора спектра.

Цель работы

Изучение влияния шага квантования, частоты квантования и числа разрядов ИКМ кодека на величину шумов квантования.

Домашнее задание:изучите характеристики ИКМ кодеков.

Порядок выполнения

1. Изучение влияния шага квантования, частоты квантования и числа разрядов ИКМ кодека на величину шумов квантования.

   1. Загрузить модель в MathConnex 7.0.

   2. Запустить модель на выполнение.

   3. Изменяя число разрядов кодека и шаг квантования наблюдать влияние этих параметров на шумы квантования.

   4. Изменяя частоту квантования 16, 24 и 32 кГц наблюдать влияние этих параметров на шумы квантования.

   5. Выйти из программы MathConnex 7.0.

Рекомендуемая литература

1. Конспект лекций

2. Микросхемы ЦАП и АЦП. Функционирование, параметры, применение. - М.: Энергоатомиздат, 1990. - 320 с.

3. Хоровиц П., Хилл У. Искусство схемотехники в 2-х томах. -М.:Мир, 1986.

4. Титце У., Шенк К. Полупроводниковая схемотехника. Спра­вочное руководство. Пер. с нем. - М.: Мир, 1982.

5. Шило В. Л. Линейные интегральные схемы в радиоэлектрон­ной аппаратуре. - М.: Сов. радио, 1979.

Лабораторная работа № 2 Исследование имитационной модели кодека импульсно-кодового модулятора с -законом компандирования

Цель работы: изучение принципов действия и характеристик кодека импульсно-кодового модулятора с -законом компандирования, анализ результатов имитационного моделирования.

Домашнее задание: изучите принцип действия и схему включения кодера и декодера импульсно-кодового модулятора с -законом компандирования, его основные характеристики.

Краткая теория.

В системе с ИКМ с равномерным квантованием размер каждого шага квантования определяется требуемым ОСШК для самого малого из подлежащих кодированию уровней сигнала. Большие сигналы также кодируются с тем же шагом квантования, в связи с этим ОСШК растет с увеличением амплитуды сигнала . Например, если для малого сигнала ОСШК составляет 26 дБ, а динамический диапазон равен 30 дБ, то для сигнала с максимальной амплитудой ОСШК составляет 56 дБ. Таким образом, система с ИКМ и равномерным квантованием создает избыточное количество для больших сигналов. Кроме того, вероятность появления больших сигналов мала. По этим причинам в системах с ИКМ с равномерным квантованием кодовое пространство используется весьма неэффективно.

Можно реализовать более эффективную процедуру кодирования если принять шаги квантования не одинаковыми, а увеличивающимися по мере увеличения дискретов. Если размеры шагов квантования пропорциональны значениям дискретов, то ОСШК одинаково для всех уровней сигнала. При таком методе уменьшенное число разрядов на дискрет дает требуемое ОСШК для малых сигналов и достаточный динамический диапазон для больших сигналов. При неодинаковых размерах шагов квантования между кодовыми комбинациями и соответствующими им значениями дискретов существует нелинейное соотношение.

Рис.1.

Исторически нелинейная функция была впервые реализована для аналоговых сигналов с помощью таких нелинейных устройств, как специально рассчитанные диоды. Этот процесс показан на рис.1, где дискреты аналогового сигнала сначала компенсируются, а затем квантуются с использованием равных шагов квантования. Эффект операции компрессирования показан на рис.2. Отметим, что шаги для последовательно увеличивающегося входного сигнала компрессируются в шаги квантования постоянного размера. Таким образом, чем больше значение дискрета, тем в большей степени он компрессируется перед квантованием. Как показано на рис.1, ИКМ-декодер при неравномерном квантовании экспандирует компрессированные величины, используя для восстановления исходных значений дискретов характеристику, инвертированную относительно характеристики компрессирования. Процесс, при котором сначала осуществляется компрессирование, а затем экспандирование сигнала, носит название "компандирование". При преобразовании аналоговых сигналов в цифровую форму компандирование эквивалентно приданию малых шагов квантования дискретам малой величины и больших шагов квантования дискретам большой величины.

Рис.2.

Для реализации компандера могут быть выбраны различные характеристики компрессирования и экспандирования. При увеличении степени компрессирования мы увеличиваем динамический диапазон, уменьшая отношение сигнал-шум для сигналов с большей амплитудой. Одно семейство характеристик компрессирования, используемое в странах северной Америки и в Японии, представляет собой характеристику, подчиняющуюся закону  и определяемую как

F_(x) = sgn (x)[ln (1+|x|)/ln(1+)], (1)

где х – амплитуда входного сигнала (-1  х  1),

sgn(x) – полярность х,

 – параметр, используемый для определения степени компрессирования.

В соответствии с видом математического выражения кривой компрессирования ИКМ с компандированием иногда называют логарифмической ИКМ. Кривая логарифмического компрессирования является идеальной в том смысле, что шаги квантования и, следовательно, шум квантования пропорциональны значению дискрета. Инверсная характеристика экспандирования для компандера с законом , определяется как

F_^–1(y) = sgn(y)/[(1+)^|y| – 1], (2)

где у – компрессированная величина (-1  у  1),

sgn(у) – полярность у,

 – параметр компандирования.

В первых системах передачи типа Т в США использовались каналообразующие блоки типа D1, в которых приближенно выполнялось выражение (2) при  = 100. Характеристики компрессирования и экспандирования были реализованы с помощью специальным образом смещенных диодов, упомянутых выше. На рис. 3 изображена структурная схема каналообразующего блока типа D1. Функции временного объединения и разделения реализованы с использованием аналоговых АИМ дискретов. Вследствие этого общие устройства компандирования, кодирования и декодирования используются всеми 24 каналами ТЧ. Возможность группового использования этих довольно дорогих устройств была одной из причин, по которой именно ИКМ была вначале выбрана как средство цифрового кодирования речи. Разработки ИКМ-кодеков в виде интегральных схем с большой степенью интеграции ослабили необходимость в групповом использовании этого оборудования. Таким образом, более новые системы могут использовать индивидуальные кодеки и обладать большей гибкостью при обеспечении различных системных показателей.

Рис.3.

Каждый дискрет, образованный в каналообразующем блоке типа D1, кодируется семью разрядами: один разряд полярности и шесть – компрессированной амплитуды. В дополнение к этому в каждом канале добавляется один символ сигнализации, что образует восьмиразрядную кодовую комбинацию в каждом канальном интервале. Поскольку частота дискретизации составляет 8 КГц, получается 64 Кбит/с на канал. Даже несмотря на то, что каналообразующие блоки типа D1 уступают новым каналообразующим блокам, использующим другой формат кодирования, скорость передачи 64 Кбит/с на канал остается стандартом.