6. Кодек с нелинейной характеристикой квантования.

В было показано, что для обеспечения одинаковой защи­щенности от помех квантования во всем динамическом диапазоне сигнала следует применять нелинейное квантование. Рассмотрим

как сочетается нелинейное квантование сигнала с операциями ко­дирования и декодирования.

Существует несколько способов осуществить это сочетание, три из которых показаны на рис. 20.

Во-первых (рис. 20,а), можно осуществить компрессирование аналогового сигнала с последующим его кодированием на переда­че и декодированием на приеме 8-разрядными линейным кодером и декодером. Такой способ применялся при создании первых ЦТС, он отличается простотой реализации кодера и декодера. Однако работа аналогового компрессора сопровождается расширением спектра сигнала, что требует увеличения частоты его дискретиза­ции, в противном случае в канале возникнут существенные нели­нейные искажения. Расширения спектра не происходит при компандировании* сигнала по его огибающей, но в этом случае сопря­жение амплитудных характеристик компрессора и экспандера ока­зывается довольно сложной задачей. Ошибки сопряжения характеристик также приводят к нелинейным искажениям в канале.

Во вторых (рис. 20,6), можно использовать линейные 12-раз­рядные кодер и декодер, а скорость передачи понизить посредством применения цифровых компрессора и экспандера. При цифровом компрессировании из 12-разрядных кодовых комбинаций малых сиг­налов удаляют нулевые старшие разряды, а из кодовых комбинаций больших сигналов удаляют малозначащие младшие разряды. Со­вместно с сохраненными разрядами передается информация о том, какие разряды удалены (команды восстановления). На приеме кодо­вые комбинации дополняются до 12-разрядных нулевыми символами согласно командам восстановления. Этот способ характеризуется высоким качеством передачи, возможностью оптимизации характе­ристик компрессии, но достаточно сложен в реализации.

В третьих (рис. 20,в), возможно использовать 8-разрядные ко­дер и декодер, но с нелинейными характеристиками квантования, выполненные на цифровой основе. Этот способ относительно ши­роко применяется в настоящее время, поскольку прост в реализа­ции и обеспечивает высокое качество передачи (несколько мень­шее, чем предыдущий из-за невозможности перестройки парамет­ров компрессирования). Рассмотрим подробнее процессы декоди­рования и кодирования при этом способе.

Функциональная схема декодера с нелинейной характеристикой квантования типа А-87,6/13 представлена на рис. 21. Декодер с нелинейной характеристикой имеет такую же функциональную схему, как и с линейной характеристикой (см. рис. 18), но более сложные узлы источника эталонных токов ИЭТ и управления логикой УЛ, которые работают следующим образом. При поступлении на вход кодового слова вида PXYZABCD, как и в декодере с линейной характеристикой, вначале анализируется раз­ряд Р, после чего подключается эталонное напряжение соответст­вующего знака. Затем анализируются разряды XYZ, определяющие номер сегмента. После установления номера сегмента в соответст­вии с табл. 1 в ИЭТ активизируются эта­лоны, соответствующие:

- началу данного сегмента i, т.е. один из эталонов: 0 δ₀ (нет эта­лона для нулевого сегмента), 16 δ₀, 32 δ₀, 64 δ₀,...,1024 δ₀;

- половине величины шага данного сегмента δ₀/2;

а также величинам δ_i, 2 δ_i, 4 δ_i, и 8 δ_i.

Затем анализируются разряды ABCD и осуществляется их деко­дирование, как и в линейном декодере, только с применением эта­лонов, активизированных на предыдущем этапе. К полученному значению прибавляется значение, соответствующее началу сег­мента и значение, равное половине шага квантования в этом сег­менте δ_i/2. Суммарная величина подается на выход декодера. Поясним сказанное примером. Пусть на вход декодера поступи­ла комбинация 01101110. «0» в первом разряде соответствует от­рицательному мгновенному значению и далее работа проходит с отрицательными эталонами. Следующие три разряда «110» (см. табл. 1) соответствуют 6-му сегменту, шаг квантования в котором равен δ₆ = 32 δ₀, а начало - 512 δ₀. Последние четыре разряда «1110» соответствуют значению согласно линейному декодирова­нию 8 x32 δ₀ + 4x32 δ₀ + 2x32 δ₀ + 0x32 δ₀ = 448 δ₀. На выход декодера поступит -(448 δ₀ + 512 δ₀ +32 δ₀/2) = -976 δ₀. Также как и декодер, кодер с нелинейной характеристикой кван­тования, функциональная схема которого приведена на рис. 22, отличается от кодера с линейной характеристикой устройством уз­лов ИЭТ и УЛ. При поступлении на вход кодера импульса АИМ-2, соответствующего данному мгновенному значению сигнала, внача­ле определяется его знак и в соответствии с этим формируется 1-й разряд (Р) кодовой комбинации. Затем в течение следующих трех тактов формируются разряды кода номера сегмента (XYZ). Алгоритм формирования кода номера сегмента показан на рис. 23. При формировании разряда X значение сигнала сравнивается с эталоном 128 Δ₀. Если значение больше эталона, формируется «1» и осуществляется переход к эталону 512 Δ₀. Если же меньше, то формируется «0» и осуществляется переход к эталону 32 Δ₀. Анало­гичные операции осуществляются при формировании разрядов Y и Z, в результате чего формируется трехразрядный код сегмента (ко­ды показаны в нижнем ряду рисунка).

На 4-м такте происходит также установка эталонов для кодиро­вания шага внутри сегмента (см. табл. 1 ). Ус­танавливается эталон начала сегмента, шага Δ_i а также эталоны 2 Δ_i 4 Δ_i и 8 Δ_i,-. Далее из значения сигнала вычитается величина, равная началу сегмента, а оставшаяся часть кодируется как и в ко­дере с линейной характеристикой методом взвешивания. Поясним сказанное примером. Пусть на вход кодера поступает сигнал величиной -1000 Δ₀. В первом разряде будет сформирован «0» (сигнал

Рис.23 Алгоритм формирования кода сегмента.

имеет отрицательную величину). Следующие три раз­ряда, составят комбинацию 110 (6-й сегмент).

Из табл. 1 видно, что начало сегмента имеет значение 512 Δ₀ (Δ_i= 32 Δ₀), а эталоны для определения кода шага равны 32 Δ₀, 64 Δ₀, 128 Δ₀ и 256 Δ₀. Далее формируется символ первого разряда кода шага (5-го разряда кодового слова). Поскольку (1000 - 512) Δ₀ я 488 Δ₀> 256 Δ₀, в нем формируется «1», эталон 256 Δ₀ сохраняется и подключается следующий эталон 128 Δ₀. Символ второго разряда кода шага также «1», поскольку 488 Δ₀> 256 Δ₀ + 128 Δ₀. Очевидно, что и в остальных разрядах будут сформированы «1» и кодовая комбинация будет 01101111. Заметим, что при декодировании будет восстановлено значение -1008 Δ₀ (с учетом добавления половины шага квантова­ния, равной -16 Δ₀); относительная ошибка квантования составит при этом [(1008 - 1000)/1000]100% = 0,8%.

28