Кодеки телекоммукационных систем

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. 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]:

 

 

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

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 рис. 53 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

 

 

Рис. 53. Характеристика компрессии типа А-87, 6/13.

 

Все эталонные значения в табл. 7 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.

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 _minимеют сегменты С₁ и С₂ а максимальный Δ _max-сегмент C₈, причем отношение Δ _max/ Δ _minсоставляет 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.

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.

 

Значения основных и дополнительных эталонов Таблица 7.

Номер сегмента	Кодовая комбинация номера сегмента	Эталонные сигналы U эт	Шаг квантования	Эталонный сигнал коррекции для декодирования
основной	дополнительные
1-й	2-й	3-й	4-й
								0, 5
								0, 5
3

 

Кодирование осуществляется за восемь тактов и включает три основных этапа:

1 этап - определение и кодирование полярности вход­ного сигнала;

2 этап - определение и кодирование номера сегмента узла, в котором заключен кодируемый отсчет;

3 этап - 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.

Рис. 54. 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. Если амплитуда тока кодируемого отсчета I_с > тока эталона I_эт, то на выходе компаратора формируется 0, а если амплитуда тока кодируемого отсчета I_с < тока эталона I_эт - то на выходе компаратора будет сформирована 1. В зависимости от ре­шений компаратора ЦР выбирает полярность ГЭТ и управляет работой компрессирующей логики. Кроме того, цифровой регистр, служит для записи решений компаратора после каждого такта кодирования и формирования структуры кодовой группы.

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.

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.

Рассмотрим принцип работы нелинейного кодера на примере отсчета, амплитуда которого равна - 236 у.е.

В исходном состоянии все ключи разомкнуты, все разряды ЦР и ПК обнулены.

1-й этап кодирования. Кодирование полярности отсчета АИМ-сигнала.

Выбор ГЭС-1 илиГЭС-2.

1-й разряд. По 1-му проводу от распределителя разрядного РР ГОпер. посту­пает импульс в 1-ю ячейку цифрового регистра ЦР. Этот импульс через БКЭ проходит в ГЭС-1, в котором находится эталонный сигнал 0 у.е. Этот эталонный сигнал используется для определения полярности отсчета. Замыкается ключ, подключающий ГЭС-1. Эталонный сигнал 0 у.е. поступает в КОМПАРАТОР, где сравнивается с амплитудой отсчета.

Так как эталонный ток 0 у.е. больше, чем - 236, то на выходе компаратора формируется импульс, который по цепи обратной связи поступает в Цифровой регистр и стирает импульс из его 1-й ячейки. Эталонный сигнал 0 у.е. отклю­чается, ключ, подключивший ГЭС-1, размыкается. Замыкается ключ, подклю­чающий ГЭС-2 на оставшиеся 7 разрядов кодирования.

1-й этап завершился выбором ГЭС-2.

2-й этап кодирования. Выбор основного эталонного сигнала U осн.эт.

2-й разряд. По 2-му проводу от РР ГО пер. поступает импульс во 2-ю ячейку Цифрового регистра. Компрессирующая логика КЛ считывает комбинацию, записанную в 2, 3 и 4-м разрядах ЦР (100) и через БКЭ дает команду в ГЭС-2 замкнуть ключ 1-го основного эталонного сигнала Uосн.эт. = 128 у.е.

Эталонный сигнал 128 у.е. поступает в компаратор, сравнивается с амплитудой отсчета 236 у.е. Так как эталонный сигнал 128 у.е. меньше ампли­туды отсчета, то на его выходе пробел (0), и импульс во 2-й ячейке цифрового регистра сохраняется. Эталонный сигнал 128 у.е. отключается.

3-й разряд. По 3-му проводу от РР ГО пер. поступает импульс в 3-ю ячейку Цифрового регистра. Компрессирующая логика КЛ считывает комбинацию, записанную в 2, 3 и 4-м разрядах ЦР (110) и через БКЭ дает команду в ГЭС-2 замкнуть ключ основного эталонного сигнала 512 у.е.

Эталонный сигнал 512 у.е. поступает в компаратор, сравнивается с амплитудой отсчета 236 у.е. Так как эталонный сигнал 512 у.е. больше амплиту­ды отсчета, то на выходе компаратора формируется импульс, который по цепи обратной связи поступает в цифровой регистр и стирает импульс в 3-й ячейке цифрового регистра. Эталонный сигнал 512 у.е. отключается.

4-й разряд. По 4-му проводу от РР ГО пер. поступает импульс в 4-ю ячейку Цифрового регистра. Компрессирующая логика КЛ считывает комбинацию, записанную в 2, 3 и 4-м разрядах ЦР (101) и через БКЭ дает команду в ГЭС-2 замкнуть ключ основного эталонного сигнала 256 у.е. Эталонный сигнал 256 у.е. поступает в компаратор, сравнивается с амплитудой отсчета 236 у.е. Так как эталонный сигнал 256 у.е. меньше амплитуды отсчета, то на выходе компарато­ра – пробел (0) и импульс в 4-й ячейке цифрового регистра сохраняется.

Во 2, 3 и 4-м разрядах сформировалась комбинация 100. Поэтому КЛ выбирает основной эталонный сигнал 256 у.е. и, замкнув ключ этого основного эталонного сигнала, подключает этот основной эталонный сигнал 256 у.е. к компаратору на оставшиеся четыре разряда.

3-й этап кодирования. Выбор дополнительных эталонных сигналов Uдоп.эт.

5-й разряд. По 5-му проводу от РР ГО пер. поступает импульс в 5-ю ячей­ку Цифрового регистра. КЛ через БКЭ дает команду в ГЭС-2 замкнуть ключ 1-го дополнительного эталонного сигнала 64 у.е, который поступает в компара­тор и сравнивается с амплитудой отсчета 236 у.е. Так как сумма эталонных сигналов (128 + 64 = 192 ) меньше амплитуды отсчета 236, то на выходе компаратора пробел и импульс в 5-й ячейке ЦР сохраняется. Ключ 1-го дополнительного эталонного сигнал 64 у.е. в ГЭС-2 остается замкнутым, и этот эталонный сигнал в компараторе сохраняется.

6-й разряд. По 6-му проводу от РР ГО пер. поступает импульс в 6-ю

ячейку Цифрового регистра. КЛ через БКЭ дает команду в ГЭС-2 замкнуть ключ 2-го дополнительного эталонного сигнала 32 у.е, который поступает в компаратор и сравнивается с амплитудой отсчета 236 у.е. Так как сумма эталон­ных сигналов (128 + 64 + 32 = 224) меньше амплитуды отсчета 236, то на выходе компаратора формируется 0, который по цепи обратной связи поступает в Цифровой регистр и сохраняет импульс в 6-й ячейке ЦР.

Ключ эталонного сигнала 32 у.е. в ГЭС-2 остается замкнутым и этот эталон­ный сигнал в компараторе сохраняется.

7-й разряд. По 7-му проводу от РР ГО пер. поступает импульс в 7-ю ячей­ку Цифрового регистра. КЛ через БКЭ дает команду в ГЭС-2 замкнуть ключ 3-го дополнительного эталонного сигнала 16 у.е, который поступает в компара­тор и сравнивается с амплитудой отсчета 236. Так как сумма эталонных сигналов (128 + 64+ 32+16 = 2 48) больше амплитуды отсчета 236, то на выходе компаратора импульс, который по цепи обратной связи поступает в Цифровой регистр и стирает импульс в 7-й ячейке ЦР. Ключ 3-го дополнительного эталонного сигнала 16 у.е. в ГЭС-2 размыкается и этот эталонный сигнал из компаратора удаляется.

8-й разряд. По 8-му проводу от РР ГО пер. поступает импульс в 8-ю ячейку Цифрового регистра. КЛ через БКЭ дает команду в ГЭС-2 замкнуть ключ 4-го дополнительного эталонного сигнала 8 у.е, который поступает в компаратор и сравнивается с амплитудой отсчета 236 у.е. Так как сумма эталон­ных сигналов (128 + 64 + 32+ 8 = 232) меньше амплитуды отсчета 236, то на выходе компаратора пробел. Импульс в 7-й ячейке ЦР сохраняется. Ключ 4-го дополнительного эталонного сигнал 8 у.е. в ГЭС-2 остается замкнутым, и этот эталонный сигнал в компараторе сохраняется.

В 8-ми разрядах Цифрового регистра сформировалась кодовая комбинация 01001101.

Абсолютная величина ошибки квантования рассчитывается по формуле

ξ кв.абс. = Uаим -∑ Uэт = 236 - (128 + 64 + 32 +8) = 236- 232 = 4 у.е.

Ошибка квантования ξ кв.абс. сравнивается с шагом квантования Δ и рассчитывается ее относительная величина в %. Для закодированного отсчета - 236у.е

ξ кв. отн. = (4 у.е: 8 ) х 100% = 50 %.

 

СОДЕРЖАНИЕ