Преобразование аналоговых сигналов в цифровую форму, страница 3

Анализ выражений (1.15) и (1.16) показывает, что отношение сигнал/шум квантования мало для малых значений АИМ сигнала. В системе с равномерным квантованием размер шага квантования определяется требуемым отношением сигнал/шум квантования для самого малого из подлежащих кодированию уровней сигнала. Причем, большие сигналы кодируются с тем же шагом квантования. Как следует из выражения (1.16) и построенного по нему рисунка 1.6, отношение сигнал/шум квантования растет с увеличением амплитуды сигнала А.

Например, если для малого сигнала отношение составляет 26 дБ, а динамический диапазон равен 30 дБ, то для сигнала с максимальной амплитудой это отношение составляет 56 дБ. Таким образом, равномерное квантование создает избыточное качество для  больших сигналов, хотя вероятность их появления очень мала. Устранить указанный недостаток можно при использовании неравномерного квантования. Для слабых сигналов  шаг  квантования минимальный и выбирается из условия обеспечения  требуемого отношения сигнал/шум квантования. При увеличении амплитуды входного сигнала шаг квантования увеличивается. Так как, при изменении шага квантования изменяется отношение сигнал/шум квантования, то при этом происходит выравнивание этого отношения в широком диапазоне изменений уровней входного сигнала.

Эффект неравномерного квантования может быть получен с помощью сжатия динамического диапазона сигнала с последующим равномерным квантованием. Сжатие динамического диапазона сигнала компрессором эквивалентно приданию малых шагов квантования дискретам малой величины и больших шагов квантования дискретам большой величины. Для восстановления исходного динамического диапазона на приемной стороне необходимо установить экспандер (расширитель), амплитудная характеристика которого должна быть обратной амплитудной характеристике компрессора. Таким образом, результирующая (суммарная) амплитудная характеристика цепи компрессор-экспандер (компандер) должна быть линейной, чтобы не вносить нелинейных искажений в передаваемый сигнал.

В цифровых системах передачи используются два типа характеристик компрессирования А и m

Где А = 87.6 и m = 255 – параметры компрессии. Характеристика компандирования типа А используется в ЦСП европейской иерархии (рисунок 1.7), а типа m – в ЦСП североамериканской и японской иерархий.

1.2.2 Кодирование и декодирование сигнала

Кодер для квантованных значений АИМ сигнала создает двоичные кодовые комбинации, численный эквивалент которых пропорционален значениям АИМ сигналов их образующих. Число разрядов в кодовой комбинации, требуемых для представления АИМ сигналов, определяется максимально допустимой мощностью шума.

Количество квантованных значений АИМ сигналов, которое можно передать m – разрядной кодовой комбинацией

При этом величина шага квантования для передачи двуполярных сигналов определится из выражения

где U_огр– максимальная амплитуда входного АИМ сигнала без перегрузки.  Подставив выражение (1.19) в (1.16), получим выражение для отношения сигнал/шум квантования при m – разрядной ИКМ

Для определения структуры двоичной кодовой комбинации на выходе кодера в простейшем случае необходимо в двоичном коде записать амплитуду АИМ отсчетов, выраженную в шагах квантования

где = {0,1} – состояние соответствующего разряда комбинации; – вес соответствующего разряда в шагах квантования.

По принципу действия кодеры делятся на кодеры счетного типа, матричные, взвешивающего типа и др. Наиболее часто используются кодеры взвешивающего типа, простейшим из которых является кодер поразрядного взвешивания (рисунок 1.8), реализующий функцию (1.21) с формированием натурального двоичного кода. Принцип работы такого кодера заключается в уравновешивании кодируемых АИМ отсчетов суммой эталонных напряжений.