в каком блоке происходит кодирование аим сигнала

КОДИРОВАНИЕ КВАНТОВАНЫХ СИГНАЛОВ

Квантованный сигнал амплитудно-импульсной модуляции является дискретным как по времени так и по уровню, однако его непосредственная передача по каналу связи нецелесообразна из-за относительно большой вероятности ошибки при регенерации многоуровнего сигнала в случае высокого уровня помех. По этой причине многоуровневый квантованный АИМ сигнал в процессе кодирования преобразуется в двоичный. Кодирование состоит в замене по определённому правилу каждого из импульсов с квантованной амплитудой кодовой группой двоичных символов. Для этого разрешённые уровни нумеруются, а затем в соответствии каждому номеру ставится определённая кодовая комбинация (рис.4).

Номера уровней 5 7 6 4 3 1 0

Двоичная комбинация 101 111 110 100 011 001 000

Рисунок 4-Дискретизация, квантование дискретных значений, кодирование номеров уровней

Так как на одном интервале дискретизации укладывается двоичных символов (рис.4), то длительность одного бита в раз меньше интервала дискретизации , а тактовая частота следования двоичных символов соответственно превышает частоту дискретизации в раз:

Длительность передачи одного бита связана с скоростью передачи бит соотношением:

Цифровой сигнал переносящий двоичную комбинацию из рис.4 имеет вид:

Рисунок 5-Биполярное представление двоичной комбинации в форме сигнала

Рассмотрев все этапы аналого-цифрового преобразования можно составить структурную схему АЦП:

Дискретизатор

Аналоговый ФНЧ

Рисунок 6- Структурная схема АЦП

Процесс обратный аналого-цифровому преобразованию, позволяющий из цифрового сигнала получить непрерывный, носит название цифро-аналогового преобразования ЦАП рис.7.

Рисунок 7- Структурная схема ЦАП

Декодер в схеме ЦАП выполняет функцию обратную функции кодера в АЦП. Декодер каждому кодовому слову из бит ставит в соответствие импульс с определённой амплитудой, таким образом на выходе декодера будет наблюдаться сигнал квантованной амплитудно-импульсной модуляции (АИМ), из которого с помощью фильтра нижних частот выделяется аналоговый сигнал, который подавался на вход АЦП.

Источник

Кодирование квантованных по амплитуде импульсов каким- либо цифровым кодом

— шаг квантования

Рис. 48. Квантование дискретного отсчета по уровню

Квантованное значение амплитуды в ЦСП кодируется, как правило, 7- или 8- битным двоичным кодом по формуле:

В ряду чисел единицы ставятся там, где есть числа, а нули— там, где их нет.

Такое квантование позволяет передать N = 2 7 = 128 или N = 2 8 =256 разрешенных уровней. Преобразование условных значений шагов квантования представляется суммой чисел. Например, + 58 = 32 + 16 +8 + 2.

Р 1	Р 2	Р 3	Р 4	Р 5	Р 6	Р 7	Р 8
Знак отсчета	2 6	2 5	2 4	2 3	2 2	2 1	2 0
1 (+) 0 (-)	64∆	32∆	16∆	8∆	4∆	2∆	1∆

10 х 2 6 + 1 х 2 5 + 1 х 2 4 + 1 х 2 3 + 0х 2 2 + 1 х 2 1 + 0 х 2 0

Таким образом, при шаге квантования равным ∆ = 1 и восьмиразрядной кодовой комбинацией m = 8 значение + 58 будет закодировано как 10111010

При кодировании дискретных отсчетов, представленных на рис. 32, необходимо значение амплитуды дискретного отсчета округлить до ближайшего разрешенного уровня и закодировать значение этого уровня. Например, пусть значение первого дискретного отсчета будет равно 89 В, которое округляется до 100 В, что соответствует 4 разрешенному уровню. Если значение кодовой группы m = 8, то в линию будет передана следующая кодовая группа 10000100, где 1- знак уровня квантования, а кодовая группа 0000100 соответствует 4-му разрешенному уровню.

Рис. 49. Упрощенная схема многоканальной цифровой системы с ВРК – АИМ и ИКМ

Исходные непрерывные сигналы каждого канала поступают на фильтры нижних частот ФНЧ, ограничиваются по верхней частоте (максимальной) Fв, а затем поступают на электронные ключи ЭК₁… ЭК_N, осуществляющие дискретизацию этих сигналов. Работой ключей управляет периодическая последовательность импульсов, вырабатываемая генераторным оборудованием ГО пер. Частота следования импульсных последовательностей, управляющих работой электронных ключей различных каналов, равна частоте дискретизации Fд, которая определяется по теореме Котельникова, как

Fд = 2, 4 Fв (c учетом защитного интервала между каналами) или Fд = 2 Fmax.

По теореме Котельникова любой непрерывный сигнал, ограниченный по спектру верхней частотой, можно передавать не полностью, а лишь отдельные мгновенные значения, взятые через определенный промежуток времени, равный периоду дискретизации Тд ≤ ½ Fв. Следовательно, период следования канальных импульсов будет равен как Тд = 1/ Fд.

Для стандартного канала ТЧ, имеющего спектр 0,3 …3,4 кГц, максимальная частота с учетом защитного интервала – полосы на расфильтровку равна 4 кГц (ширина канала ТЧ – 3,1 кГц и 0,9 кГц выделяется на расфильтровку между каналами, что позволяет использовать простые фильтры на приеме для восстановления непрерывного сигнала из последовательности его дискретных отсчетов).

Следовательно, частота дискретизации для речевого сигнала равна Fд = 8 кГц, что соответствует максимальному периоду дискретизации Тд = 125 мкс.

За каждый период Тд происходит однократное замыкание ключей каждого канала. В момент замыкания ключа в линию передается мгновенное значение амплитуды аналогового сигнала (отсчет). В промежутках между этими импульсами передаются импульсы дискретизированного второго разговорного сигнала, третьего и т. д. Каналы работают поочередно.

Последовательности отсчетов канальных сигналов образуют групповой АИМ сигнал. Импульсы разных АИМ сигналов сдвинуты друг относительно друга по времени.

Интервал времени Тк между ближайшими импульсами группового сигнала называется канальным интервалом. Промежуток времени между соседними импульсами одного индивидуального сигнала называется циклом передачи Тц.

Цикл передачи — это время, за которое передаются импульсы всех каналов, взятых по одному разу. Длительность цикла равна периоду дискретизации: Тц = Тд, т.е. Тц = 125 мкс.

Длительность каждого импульса в этих последовательностях составляет примерно 125/2N мкс, что определяет длительность одного отсчета АИМ импульса канала. Временные диаграммы цифрового сигнала для трехканальной системы передачи представлены на рис. 50.

Групповой АИМ сигнал поступает на кодирующее устройство – кодер (К), который одновременно осуществляет операции квантования по уровню и кодированию.

Сигналы управления и взаимодействия (СУВ), передаются по телефонным каналам для управления приборами АТС, поступают в передатчик (Пер.) СУВ, где они дискретизируются с помощью импульсных последовательностей, формируемых в ГО_пер, и объединяются. В результате формируется групповой сигнал (Гр.) СУВ.

В устройстве объединения (УО) кодовые группы каналов с выхода кодера, т.е. групповой ИКМ сигнал, кодированные сигнала СУВ и кодовая группа синхросигнала от передатчика синхросигнала (Пер. СС) объединяются, образуя циклы и сверхциклы. Соответствующими управляющими импульсами от ГО_пер в УО обеспечивается правильный порядок следования циклов в сверхцикле и кодовых групп в цикле передачи. Принципы построения временной диаграммы цикла и сверхцикла показаны на рис. 50.

Циклы Ц₁,Ц₂,…,Ц_s, каждый длительностью 125 мкс, объединяются в сверхциклы, следующие друг за другом. Каждый цикл состоит из информационных канальных интервалов КИ₁, КИ₂,…КИ_Nи дополнительных канальных интервалов, необходимых для передачи синхросигнала (СС) цикловой синхронизации, СУВ и других вспомогательных сигналов. На рис. 50 дополнительные КИ выделены соответствующими обозначениями.

Преобразоваель кода передачи (ПК пер) преобразует двоичную кодовую последовательность группового ИКМ – сигнала в линейный код, который передается затем в линию.

НРП – необслуживаемые регенерационные пункты – восстанавливают цифровой сигнал по следующим параметрам: амплитуде, форме, длительности, временным интервалам. Этапы восстановления цифрового сигнала:

1) усилитель усиливает сигнал на величину затухания прилегающего участка,

2) решающее устройство сравнивает амплитуду цифрового сигнала с эталонным значением U _пор = 1.5 В и если U_с > 1,5 В, на выходе решающего устройства будет 1 (3 В), если U_с

Источник

В каком блоке происходит кодирование аим сигнала

Математическая теория сигналов

Принцип формирования канального цифрового сигнала с ИКМ

Преобразование непрерывного аналогового сигнала в дискретный может быть осуществлено в соответствии с теоремой отсчетов, доказанной В.А. Котельниковым в 1933 г.: любой непрерывный сигнал с ограниченным частотой FМАКС спектром, может быть полностью представлен в виде своих дискретных во времени отсчетов, взятых через интервал времени Т_д 1/2 F_макс, называемой периодом дискретизации. Технически операция дискретизации по времени осуществляется при помощи ключевых схем путем получения сигналов с амплитудно-импульсной модуляцией (АИМ). При АИМ амплитуда периодической последовательности импульсов изменяется в соответствии с изменением амплитуды модулирующего сигнала с(t) (например, телефонного сигнала). Различают амплитудно-импульсную модуляцию первого (АИМ-1) и второго (АИМ-2) рода. При АИМ-1 амплитуда отсчетов, следующих с частотой дискретизации, изменяется в соответствии с изменением модулирующего сигнала с(t) на интервале времени передачи отсчета (и, а при АИМ-2 амплитуда каждого отсчета постоянна и равна значению модулирующего сигнала в начальный момент отсчета. На рисунке 3.1 представлен исходный модулирующий сигнал с(t), а также сигналы АИМ-1 и АИМ-2 в случае дискретизации двухуровневых сигналов. Сигналы АИМ-1 и АИМ-2 в общем случае имеют различную форму, а значит их частотные спектры G₁(f) и G₂(f), определяемые преобразованием Фурье:

а частотный спектр определяется следующим образом:

где G(f) спектр исходного сигнала ограниченный минимальной (F_МИН) и максимальной (F_МАКС) частотами. Вид частотного спектра G(f) для АИМ сигнала при Т_д >> ( приведен на рисунке 3.2.

Частотный спектр модулированной последовательности при АИМ содержит:

При дискретизации двух полярных сигналов (телефонных, звукового вещания) в спектре АИМ сигнала практически отсутствуют постоянная составляющая и ее гармоники. Из рисунка 3.2 видно, что для восстановления исходного непрерывного сигнала из АИМ сигнала, на приеме достаточно поставить ФНЧ (или фильтр-интерполятор) с частотой среза, равной F_МАКС, который выделит исходный сигнал. Поскольку при организации телефонного канала F_МАКС = 3,4 кГц, то F_д должна выбираться из условия F_д 6,8 кГц. Реально, при построении ЦСП с ИКМ выбрана F_д = 8 кГц, что позволяет упрощать требования к ФНЧ приема. При F_д = 8 кГц полоса расфильтровки F_р оказывается достаточно большой, составляет

и позволяет достаточно просто реализовывать канальные фильтры-интерполяторы. Кроме того, выбор F_д = 8 кГц обусловлен тем, что эта частота кратна 2, что позволяет существенно упростить оборудование ЦСП с ИКМ, передающих цифровые сигналы на основе двоичной системы счисления. Анализ спектрального состава АИМ сигнала, приведенного на рисунке 3.2, позволяет подтвердить правильность выводов теоремы отсчетов. Как видно из рисунка 3.2, для того, чтобы не возникло необратимых частотных искажений, в спектр непрерывного сигнала не должны попадать частотные составляющие нижней боковой полосы частот при F_д, то есть:

Итак, при выполнении операции дискретизации во времени необходимо правильно выбрать частоту дискретизации, которая определяется параметром F_МАКС непрерывного сигнала: F_д 2F_МАКС. При передаче телефонных сигналов частота дискретизации стандартизирована во всем мире и равна F_д = 8 кГц.

Выводы по разделу

Преобразование непрерывного аналогового сигнала в дискретный может быть осуществлено в соответствии с теоремой отсчётов, доказанной В.А. Котельниковым. Дискретизация по времени осуществляется путём получения сигналов с амплитудно-импульсной модуляцией (АИМ). АИМ различают первого (АИМ-1) и второго (АИМ-2) рода. При выполнении операции дискретизации во времени необходимо правильно выбрать частоту дискретизации, которая определяется параметром F_МАКС непрерывного сигнала: F_Д F_МАКС. При передаче телефонных сигналов частота дискретизации стандартизирована во всём мире и равна FД = 8 кГц.

Произведя «нумерацию» уровней квантования можно передавать не сами уровни, а их значения по шкале уровней в двоичном коде. В этом случае на приеме восстановить квантованный по уровню сигнал достаточно просто:

U КВ (t) пр = l i

Формула 3.1а

U_КВ(t)_МАКС= l_МАКС

формула 3.1б

Средняя мощность случайного процесса с нулевым средним значением и одномерной плотностью распределения вероятности (каковым является шум квантования), определяется следующим образом:

Формула 3.2

Так как погрешность квантования внутри каждого шага квантования имеет равномерный характер (рисунок 3.3) можно для простоты принять UKi = 0 и получить (из 3.2) выражение:

Формула 3.3

Мощность шума квантования не должна превышать допустимую норму на помехи на выходе канала, предназначенного для передачи различных аналоговых сигналов. Поскольку системы передачи с ИКМ плезиохронной цифровой иерархии (PDH) разрабатывались для передачи телефонных сообщений, далее определим минимально необходимое число уровней квантования при организации телефонного канала в ЦПС с ИКМ. Известно, что согласно требованиям МСЭ-Т [8,9] суммарная допустимая мощность помех Р на выходе канала тональной частоты (ТЧ) эталонной цепи в точке нулевого относительного уровня (ТНОУ) в час наибольшей нагрузки (ЧНН) не должна превышать величины Р10000 пВт псоф. В канале ТЧ ЦСП с ИКМ величина помехи определяется только шумом квантования (при отсутствии ошибок при передаче двоичных символов по линейному тракту): Р_{Ш КВдоп} = Р = 10000 пВт псоф. При этом эффективное значение мощности шума квантования будет равно:

где К_ПС = 0,75 псофометрический коэффициент, учитывающий чувствительность человеческого уха к различным частотным составляющим помех.

Формула 3.4

Средняя мощность на единичном сопротивлении равна . Телефонный (ТФ) сигнал имеет характеристику, называемую пик-фактором:

а UМАКС зависит от шага квантования и их числа (3.1): U_МАКС = l_МАКС 1/2, где множитель 1/2 учитывает квантование по уровню двухполярного сигнала. Тогда

Формула 3.5

Поставим (3.4) и (3.5) в выражение для защищенности R_{Ш КВ м}, приравняем его допустимому значению R_{Ш КВ доп}

Формула 3.6

и определим l_МАКС при передаче ТФ сигнала в канале ЦСП с ИКМ, учитывая что q = (5070), F_д = 8 кГц;
f_ТЧ = 3,1 кГц,

а R_{Ш КВ доп} = 1,8*10^3: l_МАКС = 1080 1510

Такое число уровней квантования оказывается чрезмерно большим, но его можно значительно снизить, принудительно уменьшая пик-фактор ТФ сигнала на передаче и восстанавливая его на приеме. Так, если уменьшить пик-фактор на передаче до величины q = 4,75 количество уровней квантования также резко уменьшится и составит величину l_МАКС = 102. На практике изменение и восстановление пик-фактора сигнала (или динамического диапазона) осуществляется при помощи системы компандирования: на передающей стороне на входе АЦП включается устройство, которое называется компрессором (сжимателем) динамического диапазона, а на приеме на выходе ЦАП включается экспандер (расширитель) динамического диапазона. То есть в обощенную структурную схему рисунок 1.3 вводятся дополнительные блоки, как показано на рисунке 3.5.

Итак, отметим что операция квантования по уровню позволяет преобразовать бесконечное множество отсчетных значений аналогового сигнала в конечное множество разрешенных уровней, перенумеровать эти уровни и передавать информацию об амплитуде отсчета в виде двоичной кодовой комбинации с ИКМ. Для уменьшения числа разрешенных уровней квантования применяется нелинейная операция сжатия динамического диапазона сигнала.

Выводы по разделу

Операция квантования по уровню позволяет преобразовать бесконечное множество отсчётных значений аналогового сигнала в конечное множество разрешённых уровней, перенумеровать эти уровни и передавать информацию об амплитуде отсчёта в виде двоичной кодовой комбинации с ИКМ. Для уменьшения числа разрешённых уровней квантования применяется нелинейная операция сжатия динамического диапазона сигнала.

а суммарное число «разрешенных» уровней квантования I = l_МАКС + 1 = 2 m (учитывая, что кодируется и ноль). Поскольку в при передаче телефонных сигналов в каналах ЦСП с ИКМ используется двухполярное кодирование (для устранения постоянной составляющей и гармонических частот вида kF_д k=(0, ) в указанных ЦСП используется симметричный двоичный код, в котором 1 или 0 в старшем разряде определяют полярность кодируемого сигнала с АИМ. Проиллюстрируем процесс кодирования при помощи простейшего примера. Пусть разрядность натурального двоичного кода m = 4. Тогда образующий полином примет вид:

При помощи симметричного двоичного кода первым символом кодовой комбинации кодируется знак отсчета:

В современных ЦСП с ИКМ операции квантования по уровню и кодирование на передаче реализуются в одном устройстве, называемом кодером: на его вход подается сигнал с АИМ-2, на выходе формируется цифровой двоичный сигнал с ИКМ. На приеме осуществляется обратное преобразование при помощи декодера. В общем случае двоичные коды по времени их появления разделяются на параллельные, если сигналы кодовой группы появляются одновременно, и последовательные, если сигналы кодовой группы появляются последовательно во времени, разряд за разрядом.

Выводы по разделу

Амплитудные характеристики каналов, показывающие зависимость изменения U_ВЫХот U_ВХ,или

в нормированных единицах, а ЦСП с ИКМ бывают двух типов:

При линейном квантовании как показано на рисунке 3.7 шаг квантования в зоне квантования одинаков во всем рабочем динамическом диапазоне изменения входного сигнала от U_{ВХ МИН} до U_{ВХ МАКС}, а амплитуда шума квантования не превышает половины шага квантования:

При превышении U_ВХ некоторого U_{ВХ МАКС}, наступает режим ограничения:

а) амплитудная характеристика; б) шумы квантования.

Пик-фактор Q речевого сигнала равен величине Q = 14 17 дБ, однако в каналах ЦСП с ИКМ передаются ТФ сигналы абонентской телефонной сети, причем для наиболее удаленных абонентов Q = 30 35 дБ, как показано на рисунке 3.8. Если требуется обеспечить защищенность от шумов квантования во всем динамическом диапазоне сигнала не менее, чем А_{З Ш КВ доп} = 35 дБ, то потребуется m = 11 (из формулы 3.7), а с учетом двухполярного кодирования m = 12. При этом защищенность для сигналов с максимальной амплитудой (P_МАКСтф) будет на 40 дБ превышать допустимое значение защищенности А_{З Ш КВ доп} = 35 дБ. Большое число разрядов в коде (m = 12) при равномерном квантовании приводит к усложнению аппаратуры ЦСП с ИКМ и неоправданному увеличению частоты передачи кодовых импульсных комбинаций (тактовой частоты в канале). Устранить указанный существенный недостаток можно, осуществляя неравномерное (нелинейное) квантование, которое используется в современных ЦСП. Сущность неравномерного квантования заключается в следующем. Для малых по амплитуде ТФ сигналов шаг квантования выбирается минимальным и постепенно увеличивается, достигая максимальных значений для больших по амплитуде ТФ сигналов, как показано на рисунке 3.9. При этом Р_{Ш КВ} возрастает с увеличение шага квантования для больших по мощности ТФ сигналов, однако их отношение

стремится к постоянной величине. Таким образом происходит выравнивание А_{З Ш КВ} во всем динамическом диапазоне изменения уровней ТФ сигнала:

При нелинейном квантовании общее число уровней квантования уменьшается по сравнению с линейным в том же динамическом диапазоне сигнала (рисунки 3.7 и 3.9). В результате удается снизить разрядность кодовой канальной комбинации до m = 8 (l = 2 8 = 256). Во всех современных ЦСП с ИКМ (как PDH, так и SDH) канальные кодовые комбинации при передачи речи формируются при помощи нелинейного восьмиразрядного кодирования.

Эффект неравномерного квантования может быть получен путем сжатия динамического диапазона сигнала с последующим равномерным квантованием и обратным преобразованием на приеме при помощи системы компандирования, по алгоритму приведенному в разделе 3.2 (рисунок 3.5). Этот способ применялся в ЦСП с ИКМ первых выпусков (60 70-ые годы XX века). В настоящее время нелинейное кодирование осуществляется путем реализации логарифмической амплитудной характеристики, когда передается не эффективное напряжение ТФ сигнала, а его логарифмическое значение, что эквивалентно сжатию динамического диапазона. Используются две логарифмические характеристики типа А и (, которые удобно изображать и описывать в нормированном виде у = f (х), где

где А = 87,6 и = 255.

Процесс логарифмирования (сжатия (компрессии) динамического диапазона) и кодирования, а также обратная операция декодирования и расширения (экпандирования), реализуется в цифровом виде в нелинейных кодерах и декодерах (кодеки), алгоритмы работы которых и схемная реализация в данном разделе не рассматриваются. Характеристика компандирования типа А используется в ЦСП с ИКМ соответствующих европейской иерархии, а типа — в ЦСП с ИКМ, соответствующих совероамериканской иерархии.

Выводы по разделу

Амплитудные характеристики каналов бывают двух типов:

При линейном квантовании шаг квантования в зоне квантования одинаков во всём рабочем динамическом диапазоне, а амплитуда шума квантования не превышает половины шага квантования.

Мощность шума квантования является величиной постоянной.

Большое число разрядов в коде (m =12) при равномерном квантовании приводит к усложнению аппаратуры ЦСП с ИКМ и неоправданному увеличению частоты передачи кодовых импульсных комбинаций.

Устранить этот недостаток можно, осуществляя неравномерное квантование, которое используется в современных ЦСП.

Сущность неравномерного квантования:

Для малых по амплитуде ТФ сигналов шаг квантования выбирается минимальным и постепенно увеличивается, достигая максимальных значений для больших по амплитуде ТФ сигналов.

При нелинейном квантовании общее число уровней квантования уменьшается по сравнению с линейным в том же динамическом диапазоне сигнала, в результате удаётся снизить разрядность кодовой канальной комбинации до m = 8.

1. Определяем абсолютную полосу расфильтровки:

2. Определяем относительную полосу расфильтровки:

= F_Р/ f₀ = F_Р / (F_Д / 2) = 2 / (10 / 2) = 0,4.

Ответ:= 0,4

Пример 2
Закодировать отсчет напряжения сигнала с помощью простого прямого кода, если U_АИМ = 45,3 mB; = 1,0 mB; m = 7. Какова ошибка квантования(

Ответ: =0.3 mB, 0101101.

Пример 3
Определить число уровней квантования для минимально допустимого значения А КВ=25 дБ, если Q=35 дБ.

Решение:

Решение:

Так как у нас код симметричный, то первый знак будет указывать положительный или отрицательный уровень квантования.

«0» ( отрицательный, а «1» ( положительный уровень.

Ответ: 0.0110001; 1.1001000.

Задачи для тестирования

Задача 1
Определить необходимую разрядность кода для кодирования второго отсчёта с использованием АДИКМ и ИКМ.

Ответ: Uпер=0,5.

Источник