КОДИРОВАНИЕ И ДЕКОДИРОВАНИЕ

Кодирование

В процессе кодирования амплитуда каждого квантованного по уровню АИМ отсчета представляется в виде двоичной последовательности, содержащей т символов (m-разрядной кодовой комбинации). Для определения структуры комбинации в простейшем случае нужно в двоичном коде записать амплитуду АИМ отсчета , выраженную в шагах квантования. В этом случае можно воспользоваться соотношением.

,

где - состояние соответствующего разряда комбинации; — вес соответствующего разряда в условных шагах квантования.

Например, если , а =26, то кодовая комбинация будет иметь структуру 11010 (первый разряд — старший по весу), так как .

Последовательность m-разрядных кодовых комбинаций представляет собой групповой сигнал с ИКМ, называемый также цифровым.

На рис. 1 приведены временные диаграммы, поясняющие процесс кодирования при использовании пятиразрядного двоичного кода.

Рис. 1. Формирование группового ИКМ сигнала

Амплитуда отсчетов, поступающих на вход кодера, в данном случае может принимать значения в диапазоне =0-31 условных шагов квантования, а на выходе кодера формируется цифровой сигнал с ИКМ, представляющий собой последовательность пятиразрядных кодовых комбинаций.

Для качественной передачи телефонных сигналов при неравномерном квантовании необходимо использовать восьмиразрядный код (m = 8), а при равномерном - 12-разрядный (m=12).

На практике находят применение двоичные коды следующих типов: натуральный двоичный код, симметричный двоичный код, рефлексный двоичный код (код Грея).

Симметричный двоичный код в основном используется при кодировании двуполярных сигналов (например, телефонных). На рис. 2 показаны структура кода и кодовая таблица, соответствующая данному коду.

Рис. 2. Формирование симметричного двоичного кода

Для всех положительных отсчетов знаковый символ имеет значение 1, а для отрицательных 0. Для положительных и отрицательных отсчетов, равных по амплитуде, структуры кодовых комбинаций полностью совпадают (за исключением знакового разряда), т.е. код является симметричным. Например, максимальному положительному сигналу соответствует код 11111111, а максимальному отрицательному - 01111111.

Абсолютное значение шага квантования

.

Натуральный двоичный код в основном используется при кодировании однополярных сигналов. На рис. 3 показаны структура кода и кодовая таблица, соответствующая данному коду (при m = 8).

Рис. 3. Формирование натурального двоичного кода

Очевидно, что число комбинаций различной структуры равно 256, причем минимальному сигналу соответствует комбинация 00000000, а максимальному - 11111111.

Абсолютное значение шага квантования

.

С помощью натурального двоичного кода можно кодировать и двуполярные сигналы, обеспечив предварительно их смещение, как показано на рис. 2. В этом случае, очевидно, изменяется амплитуда кодируемых отсчетов. Переход от амплитуды отсчета , выраженной в шагах квантования, при использовании симметричного кода к амплитуде этого же отсчета при использовании натурального кода и наоборот можно осуществить следующим образом (рис. 2 и 3):

Натуральный и симметричный двоичные коды являются наиболее простыми. Как для натурального, так и для симметричного кода ошибка в одном из символов может привести к значительным искажениям сигнала. Если, например, в кодовой комбинации вида 11010011 ошибка произошла в пятом разряде, т. е. принята комбинация 11000011, то амплитуда отсчета будет меньше истинного значения на 2⁴=16 условных шагов квантования. Наиболее опасными, очевидно, будут ошибки в старших разрядах (Р₈, Р₇).

Рассмотрим принципы построения кодирующих и декодирующих устройств, которые могут быть линейными и нелинейными.

Линейным кодированием называется кодирование равномерно квантованного сигнала, а нелинейным - неравномерно квантованного сигнала.

1) По принципу формирования в кодеры могут быть параллельными и последовательными.

Код называется параллельным, если сигналы (импульсы и пробелы, т. е. 1 и 0), входящие в состав m-разрядной кодовой группы, появляются на разных выходах кодера одновременно, причем каждому выходу кодера соответствует сигнал определенного разряда. Код называется последовательным, если все сигналы, входящие в состав т-разрядной кодовой группы, появляются на одном выходе кодера поочередно со сдвигом по времени (обычно начиная со старшего по весу разряда). Параллельный код может преобразовываться в последовательный (рис. 4,а) и наоборот (рис. 4,б) с помощью логических схем, обеспечивающих сдвиг импульсов во времени (например, регистров сдвига). Запись и считывание информации из регистра осуществляется под управлением сигналов, поступающих от генераторного оборудования.

Рис. 4. Принципы преобразования параллельного кода в последовательный (а) и наоборот (б)

2) По принципу действия кодеры делятся на кодеры счетного типа, матричные, взвешивающего типа и др.

В ЦСП чаще всего используются кодеры взвешивающего типа, среди которых простейшим является кодер поразрядного взвешивания (рис. 5) на выходах которого формируется натуральный двоичный код.

Рис. 5. Линейный кодер поразрядного взвешивания

Принцип работы таких кодеров заключается в уравновешивании кодируемых отсчетов суммой эталонных токов (напряжений) с определенными весами.

Схема линейного кодера поразрядного взвешивания содержит восемь ячеек (при m=8), обеспечивающих формирование значения соответствующего разряда (1 или 0). В состав каждой ячейки (за исключением последней, соответствующей младшему по весу разряду) входят схема сравнения СС (компаратор) и схема вычитания (СВ).

Схемы сравнения обеспечивают сравнение амплитуды поступающего АИМ сигнала с эталонными сигналами, амплитуды которых соответствуют весам соответствующих разрядов ( ; ;… ).

Если амплитуда сигнала на входе CC_i равна или превышает , то на выходе СС; формируется 1 (импульс), в CB_i из сигнала вычитается после чего он поступает на вход следующей ячейки. Если амплитуда сигнала на входе CC_i меньше , то на выходе CC_i формируется 0 (пробел) и сигнал проходит через CB_i без каких-либо изменений.

После окончания процесса кодирования данного отсчета на выходах кодера получают восьмиразрядный параллельный код, кодер устанавливается в исходное положение и начинается процесс кодирования следующего отсчета. Таким образом, процесс кодирования соответствует операции взвешивания (амплитуда кодируемого отсчета в процессе кодирования уравновешивается суммой эталонных значений соответствующих разрядов).

Если, например, на вход кодера поступает отсчет с амплитудой , то СС₈ формирует Р₈=1 и на вход седьмой ячейки поступит сигнал с амплитудой . На выходе СС₇ получим Р₇ = 0, и на вход третьей ячейки кодера поступит сигнал с той же амплитудой . На выходе СС₆ получим Р₆=1, и на вход следующей ячейки поступит сигнал с и т. д. В результате будет сформирована кодовая комбинация вида 10101110 (первый разряд - старший по весу).

Отметим, что при кодировании двуполярных сигналов в кодере необходимо иметь две схемы формирования эталонов (ФЭ) для кодирования положительных и отрицательных отсчетов.