Слаботочка Книги

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 [19] 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91

3.2.3. Импульсно-кодовая модуляция с равномерным квантованием

Кодер с равномерными шагами квантования для всех значений дискретов создает кодовые комбинации, линейно-связанные со значениями аналоговых дискретов, т. е. численный эквивалент каждой кодовой комбинации пропорционален значению квантованного дискрета, ее образующего. Поэтому в системе с ИКМ и равномерным квантованием используется обычный аналого-цифровой преобразователь для формирования арифметического кода дискрета. Число разрядов, требуемых для представления дискретов, определяется максимально допустимой мощностью шума. Минимально допустимое качество речи при цифровом представлении речи требует отношения сигнал-шум не менее 26 дБ [10]. Для получения в системе с ИКМ и равномерным квантованием отношения сигнал-шум квантования, равного 26 дБ, согласно (3.4) необходимо, чтобы Qj ax=0>123 А. Отсюда следует, что для равных значений отклонения сигнала в положительную и отрицательную стороны (кодирование от Л до - А) требуется лишь немногим более 16 шагов квантования или четырех разрядов на дискрет

В дополнение к обеспечению требуемого качества речи для малых сигналов телефонная система должна быть способна передать сигналы с большим диапазоном амплитуд. Минимальный типовой динамический диапазон равен 30 дБ [10]. Следовательно, амплитуды сигналов, в 31 раз превышающие А, должны кодироваться без выхода за пределы диапазона шагов квантования. Предполагая, что при равномерном квантовании шаги квантования равны, получаем общее число требуемых шагов, равное 496, что соответствует 9-разрядным кодовым комбинациям .

Характеристики п-разрядной системы с ИКМ и равномерным квантованием определяются с учетом того, что

9=2Л ах/2 , . (3.5)

где Ах - максимальная амплитуда (без перегрузки).-----

Подставив выражение (3.5) в (3.4), получим выражение для характеристик ИКМ при равномерном {квантовании:

ОСШК == 1,76 + 6,02я + 201g (А /А). (3. 6)

Первые два члена выражения (3. 6) дают отношение сигнал-шум квантования для синусоиды с амплитудой, охватывающей весь рабочий

Это значение отношения сигнал-шум квантования определяет минимально приемлемые характеристики и учитывает все виды ухудшений качества речи, которые вносит одиночный кодер. Если имеются дополнительные ухудшения (такие, которые вносят многократные аналого-цифровые преобразования), в кодере необходимо реализовать большее число разрядов, чтобы обеспечить запас по искажениям на других участках сети.

Этот результат получен в предположении о минимальных требованиях к характеристикам. Более высокие требования к характеристикам (меньший шум квантования и больший динамический диапазон) приводят к необходимости иметь в ИКМ-системах с равномерным квантованием не менее 13 разрядов на дискрет.

диапазон кодера. Последний член показывает, насколько уменьшается ОСШК при снижении уровня кодируемого сигнала. Эти соотношения представлены на рис. 3. 14, где отображается зависимость ОСШК для системы с ИКМ и равномерным квантованием от числа разрядов на дискрет и от амплитуды входной синусоиды.

1 g S 20

Число разрядов .-

иа дискрет

1 1 1

Рис. 3.14. Отношение сигнал-шум квантования при равномерном ИКМ-кодировании

Пример 3.2. Какова минимальная скорость передачи, необходимая для того, чтобы при кодировании звукового сигнала с высоким качеством в ИКМ-кодере с равномерным квантованием получить динамический диапазон порядка 40 дБ? Предположим, что требования высокого качества передачи означают, что необходима полоса порядка 10 кГц, а минимально допустимое отношение сигнал-шум составляет около 50 дБ. Для простоты предположим также, что на вход подаются синусоидальные сигналы.

Решение. Чтобы предотвратить появление помех наложения спектров, требуется выбрать частоту дискретизации не менее 20 кГц. Принимая коэффициент запаса по частоте дискретизации, сравнимый с тем, который принят в каналообразующих блоках типа D (4 000/3 400), выбираем частоту дискретизации равной 24 кГц как компромисс для практически реализуемого ограничивающего полосу фильтра. Требуя, чтобы сигнал с максимально возможной амплитудой кодировался с ОСШК, равным 40 -- 50 = 90 дБ, можем использовать соотношение (3. 6) для определения числа разрядов п, необходимых для кодирования каждого дискрета:

и = (90 - 1,76)/6,02 = 15 разрядов.

Таким образом, требуемая скорость передачи составляет 15 24 = 360 кбит/с.

3.2.4. Компандирование

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. Как показано в выражении (3. 6) и на рис. 3. 14, ОСШК растет с увеличением амплитуды сигнала А. 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 качество для больших сигналов. Кроме того, вероятность появления больших сигналов очень 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



Входной

Цифровые кодовые комбинации,


Компрессирование

Линейный ИКМ-кодер

ному сигналу

Выходной

сигнал

Линейный Экспандирование ИКМ-декодер

Рис. 3.15. Импульсно-кодовая модуляция с компандированием при аналоговых компрессировании и экспандировании

уровней сигнала. При таком методе уменьшенное число разрадов 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.

Исторически нелинейная функция была впервые реализована для аналоговых сигналов с помощью таких нелинейный устройств, как специально рассчитанные диоды [11]. Этот процесс показан на рис. 3. 15, где дискреты аналогового сигнала сначала компрессируются, а затем квантуются с использованием равных шагов квантования. Эффект операции компрессирования показан на рис. 3. 16. 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 кодированием. Как показано на рис. 3. 15, 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 сигна

Равномерное квантование


Значения входных дискретов Рис. 3.16. Типовая характеристика компрессирования

лов В цифровую форму компандирование эквивалентно приданию малых шагов квантования дискретам малой величины и больших шагов квантования дискретам большой величины.

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

Fr>sgn (X) [In (l + n\x\) /\п a+ii)].

(3.7)

где X - амплитуда входного сигнала (-1 < х < 1), sgn (х) - полярность X, а р - 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, или характеристика экспандирования для компандера с законом (Л, определяется как

F 4y)== sgn (3,)- [(l + i)W-

(3.8)

где у - компрессированная величина (- 1 1), sgn (у) - полярность у, а р - параметр компандирования.

В первых системах передачи типа Т в США использовались каналообразующие блоки типа D1 [12], в которых приближенно выполнялось выражение (3. 7) при ц = 100. Характеристики компрессирования и экспандирования были реализованы с помощью специальным образом смещенных диодов, упомянутых выше. На рис. 3. 17 изображена структурная схема каналообразующего блока типа D1. Отметим, что 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. Недавние 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. Если большая часть стоимости каналообразующего блока относится к общему оборудованию, как это было в первых канало-образующих блоках, системы, задействованные неполностью, становятся чрезмерно дорогими.



Элементы для осуществления дискретизации

Аналоговые J входы

Комлрес-сирование

Линия передачи

типа 1

Экспанди-рование

Фильтры, ограничивающие полосу

Рис. 3.17. Функциональная схема каналообразующего блока типа D1

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.

3.2.5. Кодирование с простой линеаризацией

Успех первых систем типа Т1, применявшихся в качестве межстанционных соединительных линий на местной сети, проложил путь для дальнейшего использования цифровых систем с временным группообразованием. После установления полезности цифровой передачи и на междугородной сети стало ясно, что способ ИКМ-ко-дирования, примененный в каналообразующем блоке типа D1, является неполноценным. В отличие от местной ти соединение через междугородную сеть от одного оконечного устройства до другого может теоретически содержать девять транзитов . Поскольку к тому моменту, когда были разработаны системы передачи типа Т для междугородной сети, цифровой коммутации еще не существовало, предполагалось, что на каждом из транзитов осуществляются цифро-аналоговое и аналого-цифровое преобразования. Вследствие этого качество каждого из преобразований должно было быть улучшено, чтобы поддержать требуемое качество передачи от одного

Практические случаи, когда имели место девять транзитов, неизвестны.

оконечного устройства до другого. В результате был разработан каналообразующий блок типа D2 [13] с улучшенным качеством речи при цифровой передаче.

К этому моменту стало ясно, что наступает время цифровой коммутации, а это означает, что каналообразующие блоки можно соединять друг с другом на динамической основе, в отличие от закрепленного соединения, как в системах передачи типа Т. Вследствие этого для обеспечения возможности соединения каналообразующих блоков в пределах страны потребовалась большая степень однотипности характеристик компандирования. Для улучшения качества и стандартизации каналообразующий блок типа D2 и следующие модификации- каналообразующих блоков, такие как D3 и D4, должны иметь следующие основные характеристики:

1) восемь разрядов на ИКМ-кодовую комбинацию;

2) введение функции компандирования непосредственно в кодер и декодер;

3) новую характеристику компандирования = 255).

В блоках каналообразования типа D1 один символ в канальном интервале используется для сигнализации и семь - для речи. Таким образом, устанавливается скорость передачи сигнализации, равная 8 кбит/с, которая более чем достаточна для основных телефонных служб. Чтобы обеспечить более высокую скорость передачи для сигналов речи, сигнализация в каналообразующих блоках типа D2, D3 и D4 вводится один раз в шесть циклов на позицию наименее значащего разряда в восьмиразрядной кодовой комбинации. Вследствие этого каждая шестая кодовая комбинация (с преобразованием по закону ц = 255) содержит только семиразрядную речевую комбинацию, а это означает, что эффективное число

разрядов на дискрет составляет в действительности 7- разряда

вместо 8. Когда между двумя коммутационными станциями будет введена сигнализация по общему каналу, в соответствующих системах передачи типа Т больше не будет необходимости в пока-нальной передаче информации сигнализации и в каждом канале в каждом цикле речь будет занимать все 8 разрядов.

В каналообразующем блоке типа D1 функции компрессирования и экспандирования реализуются отдельно от кодеров и декодеров. В каналообразующем блоке типа D2 операции компандирования введены в сами кодеры и декодеры. В этих каналообразующих блоках для создания последовательности неравномерно расставленных порогов решения используется матрица резисторов. Значение дискрета кодируется путем последовательного сравнения входной величины с последовательностью порогов решения до тех пор, пока не будет выявлен подходящий шаг квантования. На цифровом выходе формируется такой код, который представляет конкретный шаг квантования. (Детально процедура прямого кодирования, используемая в каналообразующих блоках типа D2, описана в приложении Б.) Введение функций компандирования непосредственно в кодеры и декодеры позволяет в каналообразующих блоках типа D2




1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 [19] 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91
Яндекс.Метрика