|
| |
|
Слаботочка Книги избежать проблем, связанных с разбросом и температурными изменениями параметров диодов компандера, которые характерны для блоков каналообразования типа D1. Каналообразующие блоки типа D2 уменьшают эффект воздействия ошибок в канале на декодированные выходные сигналы. В системах с ИКМ первостепенную важность представляет результат воздействия ошибок в канале на позициях наиболее значащих разрядов в кодовой комбинации. Сбои на других позициях кодовой комбинации существенно менее заметны для слушателя. Ошибка в канале на позиции наиболее значащего разряда в кодовой комбинации вызывает на выходе каналообразующего блока типа D1 ошибку, которая всегда равна половине всего диапазона кодирования. В каналообразующем блоке D2 используется амплитудно-знаковое кодирование. При таком кодировании ошибка в канале на позиции разряда полярности создает на выходе ошибку, равную удвоенному абсолютному значению дискрета (что соответствует инверсии полярности). В наихудшем случае эта ошибка может соответствовать всему диапазону кодирования. Однако, поскольку дискреты с максимальным значением являются относительно редкими, то большинство ошибок в канале при формате кодирования, принятом в блоке типа D2, создает на выходе ошибки с величиной менее половины диапазона кодирования. Таким образом, структура кодовых комбинаций, принятых в каналообразующем блоке типа D2 и содержащих отдельно знак и абсолютное значение дискрета, обеспечивает в среднем лучшие характеристики при наличии ошибок в канале [13]. В дополнение к необходимости улучшить качество речи стало также очевидно, что по мере увеличения использования цифровой техники в сети становится необходимым или по меньшей мере желательным осуществлять многие операции обработки непосредственно цифровых сигналов без преобразования их в аналоговую форму. Большей частью операции обработки сигнала (такие, как введение затухания или сложение сигналов) являются линейными операциями. Вследствие этого перед обработкой речевого сигнала в форме логарифмического ИКМ сигнала необходимо преобразовать компрессированный формат передачи в линейный. Для упрощения процесса преобразования выбрана специальная характеристика компандирования с р = 255. Эта характеристика имеет особое свойство, которое заключается в возможности хорошей ее аппроксимации ломаной линией, состоящей из восьми прямолинейных отрезков. Более того, тангенс угла наклона прямой на каждом из последующих отрезков (которые часто носят название сегментов) точно равен половине тангенса угла наклона прямой на предыдущем отрезке. Первые четыре сегмента аппроксимации кривой с i= 255 представлены на рис. 3.18. Общий результат состоит в том, что большие шаги квантования имеют размеры, равные размерам меньших шагов квантования, умноженным на числа, равные степеням двух. Благодаря этому свойству кодовая комбинация, отображающая компрессированный сигнал, может быть легко преобразована (экспандирована) в линейную форму. Аналогично
Линейный сигнал Рис. 3.18. Первые четыре сегмента аппроксимации кривой компрессирования при р = 255 отрезками прямых линий линейная форма легко преобразуется в компрессированную . Некоторые из последних реализаций используют цифровую компрессию значений в линейных кодовых комбинациях вместо прямого кодирования с компрессированием, как это сделано в каналообразу-ющих блоках типа D2. В этих способах используется линейный кодер с относительно большим числом разрядов, чтобы перекрыть весь динамический диапазон сигнала. Как описано в приложении Б, при компрессировании больших значений дискретов наименее значащие разряды отбрасываются. Число отброшенных несущественных разрядов кодируется и включается в кодовую комбинацию компрессированного сигнала (на специально отведенных местах). Таким образом, цифровое компандирование аналогично записи чисел в логарифмическом представлении. Как показано на рис. 3.18, каждый сегмент линейно-ломаной аппроксимации делится на шаги квантования равного рамера. Для восьмиразрядных кодов комбинаций число шагов квантования, приходящихся на сегмент, составляет 16. Таким образом, восьмиразрядная кодовая комбинация, отображающая характеристику с р = 255, состоит из одного разряда полярности, трех разрядов, указывающих номер сегмента, и четырех разрядов, указывающих номер шага квантования внутри сегмента. В табл. 3. 1 указаны конечные точки сегментов, шаги квантования и соответствующие коды сегментов и шагов квантования. Неуклонный прогресс в полупроводниковой технологии устраняет потребность в выборе таких форматов, которые цифровым способом легко преобразуются к линейному формату. В настоящее время наиболее экономичным подходом является прямое табличное преобразование с использованием устройств постоянной памяти. Таблица 3. 1. Таблица кодирования (декодирования) для ИКМ-преобразования * по закону (i = 255
Окончание табл. 3.1
* в этой таблице представлено кодирование только абсолютных величин сигнала. Разряд полярности выражается нулем для положительных сигналов и единицей - для отрицательных. Для передачи все разряды инвертируются. Размеры шагов квантования и значения декодированных дискретов в табл. 3.1 выражены исходя из максимальной амплитуды сигнала, равной 8159 условных единиц, так что конечные точки сегментов и выходные сигналы декодера выражены целыми числами. Отметим, что в каждом, из восьми последовательных линейных сегментов размер шага квантования удваивается. Это и является тем свойством, которое облегчает преобразование к линейному формату и обратно. Полная таблица кодирования представлена в приложении Б, где она сопровождается детальным описанием процесса преобразования в линейную форму. Аппроксимацию кривой компандирования при = 255 отрезками прямых линий иногда называют 15-сегментной аппроксимацией. Хотя здесь имеются восемь сегментов для положительного и восемь сегментов для отрицательного сигналов, два сегмента, ближайшие к началу координат, образуют одну прямую и, следовательно, могут рассматриваться как один сегмент, вследствие чего получается 15 сегментов. С учетом этого центральный сегмент содержит 31 шаг квантования с одним шагом, перекрывающим точку начала координат (от +1 до - 1 в табл. 3. 1). Кодовые комбинации для этого среднего шага квантования соответствуют положительному сигналу с величиной менее +1 или отрицательному сигналу с величиной более - 1. Фактически имеются положительный нуль и отрицательный нуль. В соответствии с табл. 3.1 эти величины кодируются как 00000000 и 10000000 соответственно. Сигналы с малой величиной и с большим числом нулей в коде сегмента являются наиболее вероятными, а это привело бы к появлению в линии передачи менее 50% импульсов. Однако в каналообразующем блоке типа D2 для передачи инвертируются все разряды. Плотность импульсов увеличивается при инвертировании передаваемого сигнала, что улучшает характеристики хронирования и выделения колебания с тактовой частотой в приемных цепях регенераторов. Вследствие этого передаваемые в действительности кодовые комбинации, соответствующие положительному и отрицательному нулям, представляют собой 11111111 и 011111111 соответственно, что показывает наличие весьма значительной хронирующей составляющей в сигнале, передаваемом в линии при отсутствии загрузки канала. Чтобы обеспечить надежную тактовую синхронизацию регенераторов системы Т1, каналообразующие блоки типов D2, D3 и D4 еще одним способом изменяют передаваемый цифровой сигнал. Как показано в табл. 3.1, отрицательный сигнал максимальной амплитуды представляется одними единицами, которые в обычных условиях при передаче превратились бы в одни нули. Вместо этого только в данной кодовой комбинации из одних нулей в предпоследнем по значению разряде вводится единица, так что передается 00000010. В сущности, создается ошибка в кодировании для предотвращения появления кодовой комбинации из одних нулей. К счастью, появление дискретов с максимальным значением весьма маловероятно, так что значительного ухудшения не создается. (Если бы изменение нуля на единицу осуществлялось в последнем по значению разряде, то при декодировании возникла бы меньшая ошибка. Однако в каждом шестом цикле этот разряд используется для сигнализации и поэтому время от времени в нем появляется О независимо от кодовой комбинации. Чтобы с гарантией исключить из передачи кодовую комбинацию из одних нулей, в единицу преобразуется символ предпоследнего по значению разряда, когда это необходимо.) Пример 3.3. Определите последовательность кодовых комбинаций для каналообразующего блока типа D2 (а также D3 и D4), представляющую цифровой сигнал, который отображает синусоиду с частотой 1 кГц и мощностью, равной половине от максимальной. Решение. Поскольку частота дискретизации в стандартном ИКМ-каналообра-зующем блоке при ц = 255 равна 8 кГц, для получения сигнала с частотой 1 кГц может периодически повторяться последовательность из восьми дискретов. Для удобства примем, что первый дискрет соответствует 22,5 °. Вследствие этого восемь дискретов соответствуют 22,5°; 67,5 ; 112,5 ; 157,5°; 202,5°; 247,5°; 292,5° и 337,5 °. Для этих фаз требуется только два различных абсолютных значения дискретов, соответствующих 22,5 ° и 67,5 °. Амплитуда синусоиды с мощностью, равной половине от максимальной, составляет 0,707 - 8159 = 5768. Таким образом, два абсолютных значения, содержащиеся в последовательности дискретов, равны 5768- sin 22,5° = 2207; 5768- sin 67,5° = 5329. Используя таблицу в приложении Б, определим, что коды для этих двух абсолютных значений дискретов имеют вид соответственно 1100001 и 1110100. Теперь можно установить последовательность из восьми дискретов: Полярность Сегмент Шаг квантоввиия Фаза, соответствующая моменту дискретизации 111 111 111 111 0001 0100 0100 0001 0001 0100 0100 0001 22,5° 67,5° 112,5° 157,5° 202,5° 247,5° 292,5° 337,5° Примечание. Эта последовательность определяет испытательный сигнал с частотой 1 кГц как сигнал с мощностью 1 мВт в точке с нулевым уровнем (О дБмО). Однако фактически передаваемые комбинации являются инверсными по отношению к указанным выше. Поскольку для получения испытательного сигнала требуются дискреты только с двумя абсолютными значениями, этот сигнал не проверяет цепи кодирования (декодирования) полностью. В общем случае сигнал с частотой 1004 Гц является лучшим испытательным сигналом, так как он не находится в гармонических соотношениях с частотой дискретизации 8 кГц и будет поэтоилу затрагивать все уровни кодера и декодера. Характеристики ИКМ-кодера при р=255. Как уже упоминалось, основной причиной разработки модификации, пришедшей на смену каналообразующему блоку типа Д1, была необходимость получения лучшего качества речи в цифровых линиях передачи междугородной сети. Отношение сигнал-шум квантования для максимального синусоидального сигнала в первом сегменте кодека при р,= = 255 легко определяется из формулы (3.4): OCinK=3i=7,78+201g(31/2) = 31,6 дБ. Отношение сигнал-шум квантования для синусоид с большей амплитудой рассчитать не так легко, поскольку размеры шагов квантования меняются с изменением значения дискрета. Вследствие этого общий расчет мощности шума квантования включает определение ожидаемого значения ошибок квантования: 1 7 Мощность шума = -- 2 PiQ- (3.9) где р, - вероятность попадания дискрета в /-й сегмент, - размер шага квантования в /-м сегменте (равен 2* для сегментного кодирования при р,= 255). Используя выражение (3.9), определим отношение мощностей сигнала и шума квантования для синусоиды с амплитудой, охватывающей весь рабочий диапазон кодера, как ОСШК8,59=39,3 дБ. Для сравнения укажем, что если бы все шаги квантования имели максимальные размеры, как в самом верхнем сегменте (256 условных единиц), то из формулы (3.4) получилось бы, что ОСШК 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 |
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||