Нелинейные кодирующие и декодирующие устройства

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.

Декодирование

В процессе декодирования сигнала m -разрядные кодовые комбинации преобразуются в АИМ отсчеты с соответствующими амплитудами. Сигнал на выходе декодера может быть получен в результате суммирования эталонных сигналов () тех разрядов кодовой комбинации, значение которых равно 1.

Так, если на вход декодера поступает кодовая комбинация 10101110, то амплитуда АИМ отсчета на выходе декодера .

Структурная схема линейного декодера взвешивающего типа, представлена на рис. 6.

Рис. 6. Линейный декодер взвешивающего типа

Под воздействием управляющих сигналов, поступающих от генераторного оборудования, в регистр сдвига записывается очередная восьмиразрядная кодовая комбинация. После этого замыкаются только те ключи (), которые соответствуют разрядам, имеющим значение 1. В результате на вход сумматора от формирователя эталонных сигналов (ФЭ) поступают соответствующие эталонные сигналы, в результате чего на выходе сумматора формируется АИМ отсчет с определенной амплитудой.

Очевидно, что если в процессе передачи цифрового сигнала по линейному тракту в одном (или больше) разряде кодовой комбинации произойдет ошибка, то амплитуда отсчета на выходе декодера будет отличаться от истинного значения. Если, например, в комбинации 10101110 произойдет ошибка в Р₆, т. е. на вход декодера поступит комбинация 10001110, то амплитуда отсчета на выходе декодера , т. е. на 32d меньше истинной амплитуды отсчета, равной 174d.

Рассмотренная схема кодера поразрядного взвешивания содержит большое число схем сравнения, которые являются относительно сложными устройствами. На практике чаще используется кодер взвешивающего типа с использованием одной схемы сравнения и цепи обратной связи, содержащей декодер (рис. 7).

Рис.7. Линейный кодер взвешивающего типа с обратной связью

Под воздействием управляющего сигнала (), поступающего от генераторного оборудования, на вход декодера от схемы управления (Упр) в каждом такте последовательно подается 1 с каждого из т выходов, начиная со старшего разряда. На выходе декодера формируется уравновешивающий АИМ сигнал (АИМ_УР), который поступает на вход СС, где сравнивается с входным АИМ сигналом. В зависимости от результата сравнения на выходе СС формируется значение текущего разряда: 1 (при )или 0 ( при ). Этот сигнал поступает на выход декодераи по цепи обратной связи - на вход схемы управления, причем при поступлении 1 состояние соответствующего выхода схемы управления остается неизменным (1), а при поступлении 0 также изменяется на 0. В результате через т тактов на выходах схемы управления будет сформирована комбинация, для которой (с учетом ошибки квантования).

Нелинейные кодирующие и декодирующие устройства

В современных ЦСП применяются нелинейные кодирующие и декодирующие устройства (нелинейные кодеки), обеспечивающие кодирование и декодирование сигналов с неравномерной шкалой квантования при восьмиразрядном коде (m =8). Для кодирования c неравномерной шкалой квантования могут использоваться следующие способы:

- аналоговое компандирование, характеризующееся компрессией (сжатием) динамического диапазона сигнала перед линейным кодированием, и экспандированием (расширением) динамического диапазона сигнала после линейного декодирования;

- нелинейное кодирование, характеризующееся кодированием сигнала в нелинейных кодерах, сочетающих функции аналого-цифрового преобразования и компрессора;

- цифровое компандирование, характеризующееся кодированием сигнала в линейном кодере с большим числом разрядов с последующей нелинейной цифровой обработкой результата кодирования.

При аналоговом компандировании (рис. 8) на входе линейного кодера (ЛК) и выходе линейного декодера (ЛД) включаются соответственно аналоговые компрессор (АК) и экспандер (АЭ), обеспечивающие соответствующее нелинейное преобразование аналогового сигнала (см. пред. лекцию).

Рис. 8. Принцип аналогового компандирования

В качестве базового элемента для построения АК и АЭ двуполярных сигналов может использоваться двухполюсник (рис. 9).

Рис. 9. Нелинейный двухполюсник аналоговых компандеров

С помощью резисторов обеспечиваются выбор нужного режима работы и выравнивание параметров схемы для положительных и отрицательных сигналов.

Существенный недостаток данного способа заключается в том, что очень сложно добиться полностью взаимообратных амплитудных характеристик компрессора и экспандера, вследствие чего суммарная амплитудная характеристика системы компрессор-экспандер будет отличаться от линейной (см. пред. лекцию). Это неизбежно приведет к нелинейным искажениям передаваемых сигналов. Аналоговое компандирование использовалось на первых этапах развития ЦСП, а в настоящее время не применяется.

Наиболее часто в современных ЦСП используются нелинейные кодеки, для удобства реализации которых на цифровых схемах, целесообразно отказаться от плавной характеристики компрессии и заменить ее сегментированной характеристикой, представляющей собой кусочно-ломаную аппроксимацию плавной характеристики компрессии.

На рис. 10 приведена сегментированная А-характеристика компрессии для положительных сигналов (для области отрицательных значений сигнала она имеет аналогичный вид). Формально общее число сегментов на полной характеристике (для отрицательный и положительных сигналов) составляет 16, однако четыре центральных сегмента (по два в положительной и отрицательных областях) фактически образуют один сегмент, вследствие чего фактическое число сегментов равно 13. Поэтому такую характеристику называют характеристикой компрессии типа A=87,6/13.

Рис. 10. Характеристика компандирования типа A = 87,6/13

Каждый из сегментов характеристики (см. рис. 10) содержит 16 шагов квантования, а их общее число равно 256 (по 128 для каждой полярности сигнала). При этом принята следующая нумерация сегментов N_c и шагов квантования N_ш внутри каждого сегмента: N_c = 0, 1,2,...,7 и N_ш = 0, 1,2,...,15. Очевидно, что внутри каждого сегмента шаг квантования оказывается постоянным, т. е. осуществляется равномерное квантование, а при переходе к сегменту с большим порядковым, номером шаг квантования увеличивается в 2 раза, так как наклон сегмента уменьшается вдвое. Самый маленький шаг квантования (d₀) соответствует двум первым сегментам (N_c =0, 1) и оказывается равным

.

Для определения шага квантовании в i -м сегменте можно пользоваться соотношением

Таким образом, максимальный шаг квантования (в седьмом сегменте) т. е. в 64 раза превышает минимальный шаг. Таким образом, коэффициент компандирования, определяемый как отношение наибольшего шага квантования к наименьшему, равен 2⁶=64, а выигрыш в помехозащищенности для. слабых сигналов равен .

Структура кодовой комбинации, формируемой на выходе кодера с характеристикой А=87,6/13, имеет вид PXYZABCD, где Р - знаковый символ (1 - для положительных сигналов, 0 - для отрицательных); XYZ — символы кода номера сегмента N_c;ABCD - символы кода номера шага внутри сегмента N_ш (см. рис. 10).

Если, например, положительный отсчет на входе кодера имеет амплитуду, соответствующую девятому шагу квантования в шестом сегменте, то на выходе кодера будет сформирована комбинация 11101001 (P=l, XYZ=110, так как N_С = 6, ABCD = 1001, так как N_ш = 9).

Схемы и принцип действия нелинейных кодеков взвешивающего типа в основном те же, что и у линейных кодеков. Наибольшее отличие заключается в последовательности включения эталонных источников в процессе кодирования исходного сигнала.

Для кодирования сигнала одной полярности в формирователе эталонных сигналов кодера необходимо формировать 11 эталонных сигналов.

Рис.11 Нелинейный кодер взвешивающего типа

На рис. 11 представлена упрощенная структурная схема нелинейного кодера взвешивающего типа, содержащая схему сравнения (СС), схему переключения и суммирования эталонов (СПСЭ), две схемы формирования эталонных сигналов (ФЭ₁ и ФЭ₂) для положительных и отрицательных отсчетов, управляющую логическую схему (УЛС).

Кодирование осуществляется в течение восьми тактов, в каждом из которых формируется один из символов кодовой комбинации. При этом можно выделить три следующих этапа:

- формирование знакового символа Р (такт 1);

- формирование кода номера сегмента XYZ (такты 2—4);

- формирование кода номера шага внутри сегмента ABCD (такты 5-8).

В первом такте определяется знак поступившего на вход кодера очередного отсчета. Если отсчет положительный, то формируется Р=1 и к схеме подключается ФЭ₁ а в противном случае формируется Р = 0 и к схеме подключается ФЭ₂.

Формирование кода номера сегмента осуществляется следующим образом (рис. 12).

Рис. 12. Алгоритм формирования кода номера сегмента

Во втором такте УЛС с помощью СПСЭ обеспечивает подачу на вход СС эталонного сигнала соответствующего нижней границе четвертого сегмента. Если амплитуда отсчета , то принимается решение, что отсчет попадает в один из четырех старших сегментов (N_C=4…7), формируется очередной символ X=1, который по цепи обратной связи поступает на вход УЛС. Если же , топринимается решение, что отсчет попадает в один из четырех младших сегментов (N_C =0...3), и формируется символ Х = 0, который по цепи обратной связи поступает на вход УЛС.

В третьем такте формируется третий символ комбинации (Y). В зависимости от значения предыдущего символа (X) уточняется номер сегмента, в который попадает кодируемый отсчет. Если Х=1, то УЛС с помощью СПСЭ обеспечивает подачу на вход СС эталонного напряжения , соответствующего нижней границе шестого сегмента. Если , то принимается решение, что отсчет попадает в один из двух старших сегментов (N_c=6 или N_c= 7), и формируется очередной символ Y=l, который по цепи обратной связи поступает на вход УЛС. Если , то принимается решение, что отсчет попадает в четвертый или пятый сегмент, и формируется Y = 0. Если Х = 0, то УЛС с помощью СПСЭ обеспечивает подачу на вход СС эталонного напряжения , соответствующего нижней границе второго сегмента. Если , то принимается решение, что отсчет попадает во второй и третий сегменты, и формируется Y=1. Если , то принимается решение, что отсчет попадает в один из двух младших сегментов, и формируется Y=0.

В четвертом такте кодирования формируется символ Z, т. е. последний символ в коде номера сегмента. В зависимости от значений предыдущих символов (XY) окончательно устанавливается номер сегмента, соответствующего данному отсчету. Так, если Х=1 и Y = 0, то включается эталонное напряжение , соответствующее нижней границе пятого сегмента. Если , то принимается решение, что отсчет попадает в пятый сегмент; формируется символ Z = l и эталонное напряжение остается включенным до конца процесса кодирования данного отсчета. Если , то принимается решение, что отсчет попадает в четвертый сегмент, формируется Z = 0 и до конца процесса кодирования включается , соответствующее нижней границе четвертого сегмента.

В результате после четырех тактов кодирования сформируются четыре символа комбинации (PXYZ) и к СС подключится одно из восьми эталонных напряжений, соответствующих нижней границе сегмента, в который попадает кодируемый отсчет.

В оставшихся четырех тактах последовательно формируются символы ABCD кодовой комбинации, значение которых зависит от номера шага квантования внутри сегмента, соответствующего амплитуде кодируемого отсчета. Поскольку внутри любого сегмента осуществляется равномерное квантование, то процесс кодирования реализуется, как и в линейных кодерах взвешивающего типа, с помощью последовательного включения эталонных напряжений, соответствующих данному сегменту.

Так, если на вход кодера поступил положительный отсчет с амплитудой , то после первых четырех тактов сформируются символы PXYZ=1110 и к СС подключится эталонное напряжение ,соответствующее нижней границе шестого сегмента. В пятом такте к этому эталонному сигналу добавится максимальное эталонное напряжение , соответствующее старшему символу (А) в коде номера шага квантования дли шестого сегмента. Так как , то формируется символ А=0 и вместо в шестом такте подключается эталонное напряжение следующего разряда . Поскольку , то на выходе СС формируется символ В=1, эталонное напряжение не изменяется и в следующем седьмом такте подключается эталонное напряжение очередного разряда . Так как , формируется символ С=0 и эталонное напряжение данного разряда () отключается. В последнем такте подключается эталонное напряжение младшего символа (D) . Поскольку , формируется символ D=l и процесс кодировании данного отсчета заканчивается.

Таким образом, на выходе кодера будет сформирована кодовая комбинация 11100101.

Как отмечалось выше, в процессе кодирования могут использоваться 11 эталонных сигналов, однако к моменту завершении процесса кодирования любого отсчета окажутся включенными не более пяти эталонных сигналов (один из них соответствует нижней границе сегмента, не более четырех - эталонным сигналам в пределах соответствующего сегмента). В рассмотренном случае окажутся включенными только три эталонных сигнала (, , ).

Следует иметь в виду, что амплитуда кодируемого отсчета не всегда может быть точно уравновешена эталонными сигналами, как в рассмотренном примере. В общем случае неизбежно будет возникать ошибка квантования , максимальное значение которой равно половине шага квантования в пределах соответствующего сегмента, т. е. для нулевого и первого сегментов (для слабых сигналов) и для седьмого сегмента (сильный сигнал).

Рассмотрим особенности третьего способа кодирования с неравномерной шкалой квантования, т. е. цифрового компандирования.

Рис. 13. Принцип цифрового командирования

При цифровом компандировании (рис. 13) осуществляется линейное (равномерное) кодирование (ЛК) с большим числом разрядов (например, m=12) с последующим цифровым преобразованием (цифровым компрессированием ЦК) с помощью логических устройств в восьмиразрядный нелинейный код, имеющий ту же структуру, что и при использовании нелинейного кодера с характеристикой компрессии типа A=87,6/13 (см. рис. 12). Способ преобразования 12-разрядных кодовых комбинаций линейного кода в 8-разрядные комбинации нелинейного кода показан в табл. 5.2. Первый разряд (Р) остается без изменений и несет информацию о полярности сигнала. Значение символов XYZ, определяющих номер сегмента N_С, соответствует числу нулей (l) в 12-разрядной комбинации между символом Р и символами АВСД (фактически символы XYZ представляют собой инверсированный натуральный трехразрядный двоичный код величины l). После формирования символов XYZ в восьмиразрядном коде символы ABCD переписываются без изменений, а все остальные символы 12-разрядной комбинации отбрасываются вне зависимости от их значения, определяя ошибку квантования. На приеме восстановление АИМ сигнала осуществляется с помощью цифрового экспандера (ЦЭ) и линейного декодера (ЛД).

Нелинейное декодирование осуществляется аналогично линейному с учетом отмеченных особенностей нелинейного кодирования. Так, в процессе нелинейного декодирования, т. е. формирования АИМ отсчета с определенной амплитудой , по структуре кодовой комбинации (PXYZABCD) определяются знак отсчета и номер сегмента ( N_с ), после чего находится значение (c учетом того, что к декодированному сигналу с целью уменьшения ошибки квантования добавляется напряжение, равное половине шага квантования в данном сегменте):

где — эталонное напряжение, соответствующее нижней границе i -го сегмента; — шаг квантования в i -м сегменте.

Если, например, на вход декодера поступает кодовая комбинация 01010110 (т. е. Р=0, N_C =5, =16 , = 256 ; А=0; В=1; C=l, D=0), то на выходе декодера будет сформирован АИМ отсчет с амплитудой

Таким образом, в декодере в данном случае суммируются эталонные напряжения, равные 256 , 64 , 32 и 8 .

Таблица 2

Поиск по сайту: