Нелинейный кодер

Кодер с линейной шкалой квантования называется линей­ным, а с нелинейной шкалой квантования - нелинейным. Аналогичное определение относится и к декодерам. По принципам действия кодеры делятся на три основные груп­пы: счетного типа, взвешивающего типа и матричные.

Квантование сигнала с линейной шкалой характеристики не позволяет получить высокое качество передачи сигнала с малой амплитудой. Поэтому в системах ИКМ-ВРК квантование с линейной шкалой практиче­ски не применяется.

Необходимое качество передачи сигналов достигается при вы­полнении квантования с неравномерной шкалой. По­строение такой квантующей характеристики может осуществлять­ся различными методами. Один из них -это примене­ние аналогового компандера в сочетании с линейным кодером и декодером. Но из-за указанных недостатков этот способ распро­странения не получил.

В системах ИКМ-ВРК вместо плавной амплитудной характе­ристики, которую имеют аналоговые компандеры, применяются сегментные характеристики. Они представляют собой кусочно-ломаную аппроксимацию плавных характеристик, при которой изменение крутизны происходит дискретными ступенями. Наи­большее распространение получила сегментная характеристика компандирования типа А-87,6/13, где аппроксимация логарифми­ческой характеристики производится по так называемому А-зако­ну, соответствующему выражениям [1]:

(1.22)

Здесь А- коэффициент компрессии, равный 87,6, а сама характе­ристика строится из 13 сегментов. Такая характеристика показа­на па рисунке 1.30.

Она содержит в положительной области сегмен­ты C₁, С₂, Сз,...C₈, находящиеся между точками (узлами) 0-1, 1-2, 2-3, …, 7-8.

Аналогичным образом строится характеристика для отрица­тельной области значений входного сигнала. Четыре центральных сегмента (два в положительной и два в отрицательной областях) объединяются в один центральный сегмент, поэтому общее число сегментов на двухполярной характеристике равно 13. Каждый из 16 сегментов характеристики содержит по 16 шагов (уровней), квантования, а общее число уровней равно 256, из них 128 поло­жительных и 128 отрицательных.

Каждый сегмент начинается с определенного эталона, назы­ваемого основным. Эти эталоны на рисунке 1.30 указаны в начале каждого сегмента. Шаг квантования внутри каждого сегмента равномерный, а при переходе от одного к другому сегменту изме­няется в 2 раза, начиная с центрального сегмента, куда входят С₁, и С₂. Значения основных и дополнительных эталонов, шагов квантования даны в таблице 1.1 [1].

Таблица 1.1 Значения основных и дополнительных эталонов.

Все эталонные значения в таблице 1.1 даны в условных едини­цах по отношению к значению минимального шага квантования. Сочетание дополнительных эталонов позволяет получить любой из 16 уровней квантования в данном сегменте. При изменении шага квантования изменяется крутизна характеристики. Измене­ние крутизны происходит в точках (узлах) характеристики.

Рисунок 1.30 Характеристика компрессии типа А-87,6/13.

Че­тыре центральных сегмента (два в положительной и два в отри­цательной областях характеристики) имеют одинаковую крутизну и равные шаги квантования. При таком построении характеристи­ки минимальный шаг квантования Δ_min имеют сегменты С₁ и С₂ а максимальный Δ_max -сегмент C₈, причем отношение Δ_max/ Δ_min составляет 2⁶. или 64. Это значение примерно характеризует параметр сжатия для сегментной характеристики компандирования, или параметр А. Точное значение этого параметра для непре­рывной характеристики типа А определяется из выражения:

и при числе сегментов n_c= 8 значение A =87,6.

. (1.23)

Эффективность рассмотренной характеристики можно оценить визуально, если обратить внимание на то, что 112 уровней из 128 используются для квантования сигналов, амплитуда которых не превышает половины максимальной, 64 уровня для квантования сигналов, амплитуда которых не превышает 6,2% максимальной.

Рассмотрим особенности этапов кодирования и декодирования сигналов при нелинейной характеристике квантования. В случае сегментной характеристики компрессии типа А-87,6/13 для коди­рования абсолютных величин отсчетов необходимо 11 эталонов с условными весами, равными 2⁰, 2¹, 2², 2³,..., 2¹⁰, или 1, 2, 4,..., 1024 уровнями квантования. При линейном кодировании такая характери­стика эквивалентна характеристике квантования с 2048 уровнями. Для кодирования 2048 положительных и 2048 отрицательных уровней потребуется 12-разрядная кодовая группа. При нелиней­ном кодировании для обеспечения такой же защищенности А_кв≥ 25 дБ потребуются 128 положительных и 128 отрицательных уровней, а кодовая группа – 8 разрядная.

Кодирование осуществляется за восемь тактов и включает три основных этапа: 1 -определение и кодирование полярности вход­ного сигнала; 2 -определение и кодирование номера сегмента узла, в котором заключен кодируемый отсчет; 3 -определение и кодирование номера уровня квантования сегмента, в зоне кото­рого заключена амплитуда кодируемого отсчета. Первый этап кодирования осуществляется за 1-й такт, второй этап—за 2...4-й такты, третий этап—за 5...8-й такты кодирования. Работа кодера на первом этапе кодирования при определения и кодировании полярности отсчета не отличается от работы ли­нейного кодера. На втором этапе определяется и кодируется узел характеристики, определяющей начало сегмента, в котором нахо­дится амплитуда кодируемого отсчета, например узла 0, если отсчет находится в сегменте 1; узла 1, если отсчет находится в сегменте 2; узла 2, если отсчет находится в сегменте 3, и т. д. Для этого выбирается алгоритм работы, обеспечивающий определение узла характеристики за три такта кодирования. В первом такте кодирования амплитуда отсчета I_c сравнивается с эталонным то­ком I_эт4. Если при сравнении окажется, что I_c>I_эт4, это означает нахождение I_c в 5...8-м сегментах характеристики, и вместо тока I_эт4 включается ток I_эт6. Если при сравнении окажется, что I_c<I_эт4, это означает нахождение I_c в 1...4-м сегментах характе­ристики, и вместо тока I_эт4 включается ток I_эт2. Далее в зависи­мости от результата сравнения на втором этапе кодирования, если I_c>I_эт6, включается ток I_эт7. или если I_c<I_эт6, включается I_эт5. Аналогично подбираются эталоны, если на втором этапе был включен I_эт2. Результат сравнения в третьем такте кодирования позволяет окончательно выбрать номер узла характеристики, оп­ределяющий начало сегмента. Результат представляется двоичной кодовой комбинацией, занимающей 2...4-й разряды кодовой груп­пы. Кодовые комбинации номера сегмента даны в таблице 1.1.

На третьем этапе определяется и кодируется номер уровня квантования внутри выбранного сегмента, в зоне которого нахо­дится амплитуда кодируемого отсчета. Необходимо напомнить, что число шагов квантования внутри сегмента равно 16, шаг квантования равномерный, равен ∆_с и для каждого сегмента свой. Третий этап осуществляется за четыре такта методом линейного кодирования. При кодировании в дополнение к основному эталону, определяющему начало сегмента, подключаются дополнитель­ные эталоны с весами 8∆_с, 4∆_с, 2∆_с, ∆_с (таблица 1.1). В резуль­тате сравнения определяется номер уровня квантования, в зоне которого находится амплитуда отсчета.

Итак, в результате выполнения указанных операций получа­ется 8-разрядная кодовая комбинация двоичных символов, 1-й разряд который указывает полярность кодируемого отсчета;

2..4-й разряды -номер сегмента узла характеристики компрессии;

5...8-й разряды -номер шага квантования внутри этого сегмента, в зоне которого заключена амплитуда кодируемого отсчета. Например, кодовая комбинация двоичных символов 11011010 означает, что кодированию подлежит отсчет положительной полярности, ам­плитуда которого находится в сегменте 6 и заключена в зоне 10-го уровня квантования этого сегмента. На характеристике компрес­сии это соответствует сигналу с амплитудой в зоне 90-го уровня квантования.

При декодировании осуществляется обратное цифро-аналоговое преобразование. Характеристика экспандирования нелиней­ного декодера должна быть обратной характеристике компрессии нелинейного кодера (рисунок 1.31).

Рисунок 1.31 Характеристика экспандирования типа А=87,6/13

Входным сигналом декодера является 8-разрядная кодовая группа, определяющая полярность и величину отсчета (номер сег­мента и уровень его квантования). В соответствии с принятой кодовой комбинацией цифровые ЛУ выбирают основной эталон, определяющий начало сегмента и соответствующие дополнитель­ные эталоны, суммарный ток которых определяет величину деко­дируемого АИМ сигнала. Например, при декодировании комби­нации двоичных символов 11011010 будут включены источник эта­лонных токов положительной полярности и эталонные токи с ве­сами, равными основному эталону узла 6, который равен 256 уровней квантования и второму и четвертому дополнительным эталонам сегмента 6, что будет равно 256+128+32=416 уровней квантования.

Учитывая особенности построения нелинейной характеристики квантования декодера, которая аналогична рассмотренным ранее характеристикам линейного декодера, для умень­шения искажений при декодировании используется еще один, 12-й эталон. 3начение этого эталона для каждого сегмента свое, и равно половине шага квантования в этом сегменте. Эталоны коррекции приведены в таблице 1.1.

Рисунок 1.32 Структурная схема нелинейного кодера.

Кодер содер­жит компаратор (К), блок выбора и коммутации эталонных токов (БКЭ), генератор положительных (ГЭТ₁) и отрицательных (ГЭТ₂) эта­лонных токов, компрессирующую логику (КЛ), цифровой регистр (ЦР) и преобразователь кода (ПК). Компаратор определяет знак разности между амплитудами токов кодируемого отсчета I_с и эталона I_эт. Принцип работы компаратора при оценке импульсов положительной и отрицательной полярности описан ранее. Гене­ратор эталонов формирует полярность и величины эталонов. По построению он аналогичен ГЭТ линейного кодера, только коли­чество формируемых эталонов равно 11, а значения этих эталонов равны 1, 2, 4,.... 1024 уровней квантования. Цифровой регистр, служит для записи решений компаратора после каждого такта кодирования и формирования структуры кодовой группы. В зависимости от ре­шений компаратора ЦР выбирает полярность ГЭТ и управляет работой компрессирующей логики. По мере образования кодовой комбинации формирователь считывает состояние выходов 1, 2,..., 8 ЦР, преобразуя параллельный код в последовательный. Работой узлов кодера управляют устройства генераторного оборудования системы передачи.

Принцип работы нелинейного кодера во многом аналогичен работе линейного. Поясним работу нелинейного кодера на примере кодирования отсчета положительной полярности с амплитудой, равной 0,2·I_m, что равно примерно 410 уровню квантования.

В исходном положении выходы 1...8 ЦР находятся в состоянии 0, ГЭТ отключены и I_эт=0. Кодируемый отсчет I_с подается па вход 1 компаратора. В момент, предшествующий первому такту кодирования, первый выход ЦР переводится в состояние 1, чем включается ГЭТ₁ положительной полярности. Ток I_эт=0, а I_с >0, поэтому на выходе компаратора (точка 3) в первом такте коди­рования будет сформирован 0, и состояние 1 первого выхода ЦР сохранится. На этом заканчиваемся первый этап, в котором опре­деляется и кодируется полярность отсчета.

Второй этап кодирования определение и кодирование номера сегмента, в котором заключена амплитуда отсчета, начинается с того, что в состояние 1 переводится второй выход ЦР и па вход 2 компаратора подается ток I_эт4 величиной 128 уровней квантования (узел 4 ха­рактеристики компрессии). Поскольку в этом случае I_с > I_эт, во втором такте кодирования на выходе компаратора будет сформи­рован 0, и состояние 1 второго выхода ЦР сохранится. Далее эталон 128 уровней квантования снимается и в состояние 1 переводится третий выход ЦР, в результате чего на вход 2 компаратора вместо I_эт4 подается I_эт6 величиной 512 уровней квантования. В этом случае

I_с < I_эт, поэтому в третьем такте кодирования на выходе компаратора будет сфор­мирована 1, которая изменит состояние третьего выхода ЦР с 1 на 0. В состояние 1 переводится четвертый выход ЦР и па вход 2 компаратора вместо I_эт6 подается I_эт5 величиной 256 уровней квантования. Так как I_с > I_эт5, то в четвертом такте кодирования на выходе компаратора будет 0, и состояние четвертого выхода ЦР сохра­нится. Итак, по окончании второго этапа кодирования 2...4-й выходы ЦР будут отмечены состоянием 101 соответственно, что в двоичном коде определяет номер узла (сегмента), в пределах которого находится амплитуда кодируемого отсчета узел 5 (сег­мент C₅).

Третий этап кодирования определение и кодирование номе­ра уровня квантования сегмента, в пределах которого находится амплитуда отсчета I_с. Таких уровней квантования в пределах каждого сегмента 16, и все они могут быть получены с помощью дополнительных эталонных значений (таблица 1.1).

Для данного примера, когда I_с находится в сегменте 6, исполь­зуются дополнительные эталонные значения 128, 64, 32, 16, а шаг квантования равен 16. В начале третьего этапа ко­дирования в состояние 1 переводится 5-й выход ЦР и к эталонно­му току 256 добавляется эталонный ток 128.Сум­марный ток па входе 2 компаратора в этом случае составит 384 уровней квантования. Поскольку при этом I_с > I_эт, в пятом такте кодирова­ния на выходе компаратора будет 0 и состояние 1 пятого выхода сохранится. В состояние 1 переводится 6-й выход ЦР, и к эталон­ным токам 384 прибавляется эталонный ток 64. Суммарное значение эталонного тока на входе 2 компаратора в этом случае составит 448 уровней квантования, что больше I_с. Решение компа­ратора в шестом такте кодирования будет 1 и состояние 6-го выхода ЦР будет изменено с 1 на 0, что означает отключение эталонного тока 64. В состояние 1 переводится 7-й выход ЦР, и к эталонному току 384. добавится эталонный ток 32. Суммарное значение эталонного тока на входе 2 ком­паратора станет равным 416 уровней квантования, что больше I_с. Поэтому в седьмом такте кодирования на выходе компаратора будет 1 и состояние 7-го выхода ЦР будет изменено с 1 на 0, что означает отключение эталонного тока 32. Наконец, в состояние 1 переводится последний 8-й выход ЦР, и к эталонному току 384 добавляется эталонный ток 16. Суммарное значение эталонного тока на входе 2 компаратора станет равным 400 уровней квантования. Очевидно, что решение компаратора в восьмом такте кодирования будет 0 и состояние 1 выхода 8 сохранится. Таким образом, по окончании третьего этапа кодирования 5...8-й выходы ЦР будут иметь состояние 1001, что в двоичном коде указывает па 9-й уровень квантования, находящийся в 6-м сегменте.

Итак, отсчет с амплитудой 0,2·I_m (410 уровней квантования) закодирован 8-разрядпой кодовой комбинацией 11011001, указывающий, что кодируемый отсчет имеет положительную полярность, находится в зоне 89-го уровня квантования и имеет вес 400. Нетрудно заметить, что в данном случае ошибка квантования составила 10. По мере завершения тактов кодирования преобразова­тель кода ПК считывает состояние выходов 1...8 ЦР, преобразуя параллельный код в последовательный.

Декодер осуществляет цифро-аналоговое преобразование кодо­вых групп ИКМ сигнала в АИМ сигнал, т. е. в отсчеты нужной полярности и амплитуды. Принцип построения нелинейного деко­дера взвешивающего тина с цифровым экспандированием этало­нов поясняется на рисунок 1.33.

Рисунок 1.33 Структурная схема нелинейного декодера.

Восьмиразрядная кодовая группа принятого ИКМ сигнала записывается в ЦР, формируясь на его выходах 1...8 в виде па­раллельного 8-разрядного двоичного кода. Первый разряд этой кодовой комбинации определяет полярность включаемого ГЭТ, а 2..8-й разряды номер сегмента и уровня квантования на харак­теристике экспандирования. В соответствии с принятой кодовой комбинацией включаются соответствующие эталоны, суммарный ток которых определяет величину (амплитуду) декодированного отсчета АИМ сигнала. Так, при декодировании кодовой комбина­ции 11011001 включается ГЭТ₁ положительной полярности и клю­чи эталонных токов 256, 128, 16 с суммарным значением 400 уровней квантования.

Как отмечалось ранее, для уменьшения искажений при деко­дировании используется еще 12-й корректирующий эталон, равный значению 0,5 шага квантования сегмента. Для данного примера корректирующий эталонный ток равен 8 и общее суммар­ное значение эталонных токов будет равно 408 уровней квантования.

Поиск по сайту: