Сайт о телевидении

В процессе кодирования амплитуда каждого квантованного по уровню АИМ отсчета представляется в виде двоичной последова­тельности, содержащей символов (-разрядной кодовой ком­бинации). Для определения структуры комбинации в простейшем случае нужно в двоичном коде записать амплитуду АИМ от­счета " , выраженную в шагах квантования. В этом случае можно воспользоваться соотношением.

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

Например, если =5, а = 26, то кодовая комбинация будет иметь структуру 11010 (первый разряд--старший по весу), так ак. Последовательность-разрядных кодовых комбинаций представляет собой груп­повой сигнал с ИКМ, называемый также цифровым.

На рис. 5.16 приведены временные диаграммы, поясняющие процесс кодирования при использовании пятиразрядного двоич­ного кода. Амплитуда отсчетов, поступающих на вход кодера, в данном случае может принимать значения в диапазоне = 0-31 условных шагов квантования, а на выходе кодера форми­руется цифровой сигнал с ИКМ, представляющий собой последо­вательность пятиразрядных кодовых комбинаций.

Как было показано выше, для качественной передачи телефон­ных сигналов при неравномерном квантовании необходимо исполь­зовать восьмиразрядный код (=8, а при равномерном- 12-раз­рядный (=12). На практике находят применение двоичные коды следующих типов: натуральный двоичный, код, симметричный двоичный код, рефлексный двоичный код (код Грея).

Симметричный двоичный код в основном исполь­зуется при кодировании двуполярных сигналов (например, телефонных). На рис. 2.17 показаны структура кода и кодовая таблица, соответствующая данному коду. Для всех положительных I отсчетов знаковый символ имеет значение 1, а для отрицатель-I ных 0. Для положительных и отрицательных отсчетов, равных по I амплитуде, структуры кодовых комбинаций полностью совпадают I (за исключением знакового разряда), т. е. код является симметричным. Например, максимальному положительному сигналу ответствует код 11111111, а максимальному отрицательному-01111111. Абсолютное значение шага квантования■ Натуральный двоичный код в основном используется I при кодировании однополярных сигналов. На рис. 2.18 показаны структура кода и кодовая таблица, соответствующая данному коду (при =8).

Рис. 2.17. Формирован ие симметричного двоичного кода

Очевидно, что число комбинаций различной структуры равно 256, причем минимальному сигналу соответствует комбинация 00000000, а максимальному-11111111, Абсолютное значение шага квантования

С помощью натурального двоичного кода можно кодировать и-двуполярные сигналы, обеспечив предварительно их смещение, как. показано на рис. 5.17. В этом случае, очевидно, изменяется ампли­туда кодируемых отсчетов, причем переход от амплитуды от­счета, выраженной в шагах квантования, при использовании симметричного кода к амплитуде этого же отсчетапри исполь­зовании натураль-ного кода и наоборот можно осуществить сле­дующим образом (рис. 2.17 и 2.18):

Натуральный и симметричный двоичные коды являются наи­более простыми. Как для натурального, так и для симметричного кода ошибка в одном из символов может привести к значительным искажениям сигнала. Если, в кодовой комбинации вида 11010011 ошибка произошла в пятом разряде; т. е. принята комбинация 11000011, то амплитуда отсчета будет меньше истин­ного значения на =16 условных шагов квантования. Рассмотрим принципы построения кодирующих и декодирую­щих устройств, которые могут быть линейными и нелинейными. Линейным кодированием называется кодирование равномерно квантованного сигнала, а нелинейным - неравномерно кван­тованного сигнала. Код, формируемый в кодере, называется параллельным, если сигналы, входящие в со­став m-разрядной кодовой группы, появляются на разных выхо­дах кодера одновременно, причем каждому выходу кодера соот­ветствует сигнал определенного разряда. Код называется после­довательным, если все сигналы, входящие в состав т-раз рядной кодовой группы, появляются на одном выходе кодера поочередно со сдвигом по времени,

Рис. 2.18. Формирование натурального двоичного кода

Параллельный код может преобразовываться в последовательный (рис. 2.19, я) и наоборот (рис. 2.19,6) с по­мощью логических схем, обеспечивающих сдвиг импульсов во времени (например, регистров сдвига).

Рис. 2.19. Принципы преобразования па- Рис. 2.20. Линейный кодер поразряд-раллельного кода в последовательный ного взвешивания (а) и наоборот (б)

Запись и считывание инфор­мации из регистра осуществляется под управлением сигналов, поступающих от генераторного оборудования.

По принципу действия кодеры делятся на кодеры счетного типа, матричные, взвешивающего типа и др. В ЦСП чаще всего используются кодеры взвешивающего типа, среди которых про­стейшим является кодер поразрядного взвешивания (рис. 2.20), на выходах которого формируется натуральный двоичный код. Принцип работы таких кодеров заключается в уравновешивании кодируемых отсчетов суммой эталонных токов (напряжений) с оп­ределенными весами. Схема линейного кодера поразрядного взве­шивания содержит восемь ячеек (при =8), обеспечивающих формирование значения соответствующего разряда (1 или 0). В со­став каждой ячейки (за исключением последней, соответствующей младшему по весу разряду) входят схема сравнения СС (компа­ратор) и схема вычитания (СВ).

Схемы сравнения обеспечивают сравнение амплитуды посту­пающего АИМ сигнала с эталонными сигналами, амплитуды ко­торых соответствуют весам соответствующих разрядов (= =. Если амплитуда сигнала на входе СС, равна или превышает , то на выходе форми­руется 1 (импульс), виз сигнала вычитается , после чего он поступает на вход следующей ячейки. Если амплитуда сигнала на входе меньше , то на выходеформируется 0 (про­бел) и сигнал проходит через без каких-либо изменений. После окончания процесса кодирования данного отсчета на выхо­дах кодера получают восьмиразрядный параллельный код, кодер устанавливается в исходное положение и начинается процесс ко­дирования следующего отсчета. Таким образом, процесс кодиро­вания соответствует операции взвешивания (амплитуда кодируе­мого отсчета в процессе кодирования уравновешивается суммой эталонных значений соответствующих разрядов).

Если, например, на вход кодера поступает отсчет с амплиту­дой , то ССб формирует = 1 и на вход седьмой ячейки поступит сигнал с амплитудой. На выходеполучим=0, и на вход третьей ячейки кодера посту­пит сигнал с той же амплитудой. На выходе СС 6 полу­чим= 1, и на вход следующей ячейки поступит сигнал с= 1 =и т. д. В результате будет сформирована кодовая комбинация вида 10101110 (первый разряд - старший по весу).

При кодировании двуполярных сигналов в кодере необходимо иметь две схемы формирования эталонов, (ФЭ) для кодирования положительных и отрицательных отсчетов.

В процессе декодирования сигнала-разрядные кодовые ком­бинации преобразуются в АИМ отсчеты с соответствующими ам­плитудами. Сигнал на выходе декодера может быть получен в результате суммирования эталонных сигналов () тех разрядов кодовой комбинации, значение которых равно 1. Так, если на вход декодера поступает кодовая комбинация 10101110, то амплитуда АИМотсчета на выходе декодера =174δ

Рис. 2.21 Линейный декодер взвеши- Рис. 2.22 Линейный кодер
вающего типа с обратной связью

Структурная схема линейного декодера взвешивающего типа представлена на рис. 2.21. Под воздействием управляющих сигна­лов, поступающих от генераторного оборудования, в регистр сдвига записывается очередная восьмиразрядная кодовая комбинация. После этого замыкаются только те ключи (), которые

соответствуют разрядам, имеющим значение 1. В результате на вход сумматора от формирователя эталонных сигналов (ФЭ) по­ступают соответствующие эталонные сигналы, в результате чего на выходе сумматора формируется АИМ отсчет с определенной амплитудой.

Очевидно, что если в процессе передачи цифрового сигнала по линейному тракту в одном (или больше) разряде кодовой комби­нации произойдет ошибка, то амплитуда отсчета на выходе деко­дера будет отличаться от истинного значения. Если, например, в комбинации 10101110 произойдет ошибка в Р 6 , т. е. на вход де­кодера поступит комбинация 10001110, то амплитуда отсчета на i выходе декодера , т. е. на меньше истинной амплитуды отсчета, равной Рассмотренная схема кодера поразрядного взвешивания содержит большое число схем сравнения, которые являются относительно сложными устройствами. На практике чаще используется I кодер взвешивающего типа с использованием одной схемы сравнения и цепи обратной связи, содержащей декодер (рис. 5.22). Под I воздействием управляющего сигнала (), поступающего от генераторного оборудования, на вход декодера от схемы управления в каждом такте последовательно подается с каждого из выходов, начиная со старшего разряда. На выходе декодера В формируется уравновешивающий АИМ сигнал (), который

В поступает на вход СС, где сравнивается с входным АИМ сигналом. В В зависимости от результата сравнения на выходе СС формируется значение текущего разряда: 1 (при) или О (при ).

Рис. 2.23. Принцип формирования эталонных сиг­налов

Этот сигнал поступает на выход декодера и по цепи обратной связи - на вход схемы управления, при­чем при поступлении 1 состояние соответствующего выхода схе­мы управления остается неизменным (1), а при поступлении О также изменяется на 0. В результате через тактов на выхо­дах схемы управления будет сформирована комбинация, для ко­торой (с учетом ошибки квантования).

При построении кодеров и декодеров (см. рис. 5.20 и 5.21) необ­ходимо использовать ФЭ, формирующие набор эталонных сигна­лов, причем соотношение между значениями двух соседних этало­нов равно . Общая идея построения таких устройств заключается в использовании одного высокостабильного эталонного источника сигнала и цепочки схем, имеющих коэффи­циент передачи(Р ис - 5.23). Такие схемы обычно имеют вид матрицы, реализуемой на прецизионных сопротивлениях двух но­миналов ().

В современных ЦСП применяются нелинейные кодирующие и декодирующие устройства (нелинейные кодеки), обеспечивающие кодирование и декодирование сигналов с неравномерной шкалой квантования при восьмиразрядном коде (=8). Для кодирования с неравномерной шкалой квантования могут использоваться сле­дующие способы:

аналоговое компандирование , характеризующееся компрессией динамического диапазона сигнала перед линейным ко­дированием, и экспандированием динамичес- кого диапазона сигнала после линейного декодирования;

нелинейное кодирование , характеризующееся кодированием сигнала в нелинейных кодерах, сочетающих функции аналого-цифрового преобразования и компрессора;

цифровое компандирование , характеризующееся кодированием сигнала в линейном кодере с большим числом разрядов с после­дующей нелинейной цифровой обработкой результата кодирования.

При аналоговом компандировании (рис. 2.24) на входе линей­ного кодера (ЛК) и выходе линейного декодера (ЛД) включаются соответственно аналоговые компрессор (АК) и экспандер (АЭ), обеспечивающие соответствующее нелинейное преобразование ана­логового сигнала (см. рис. 2.15). В качестве базового элемента для построения АК. и АЭ двуполярных сигналов может использо­ваться двухполюсник (рис. 2.25).

Рис. 2.24. Принцип аналогового Рис. 2.25 Нелинейный двухполюсник компандирования анало­говых компандеров

С помощью резисторов обеспе­чиваются выбор нужного режима работы и выравнивание пара­метров схемы для положительных и отрицательных сигналов. Су­щественный недостаток данного способа заключается в том, что очень сложно добиться полностью взаимообратных амплитудных характеристик компрессора и экспандера, вследствие чего суммар­ная амплитудная характеристика системы компрессор-экспандер будет отличаться от линейной (см. рис. 2.15). Это неизбежно при­ведет к нелинейным искажениям передаваемых сигналов. Анало­говое компандирование использовалось на первых этапах разви­тия ЦСП, а в настоящее время не применяется.

Наиболее часто в современных ЦСП используются нелинейные кодеки, для удобства реализации которых на цифровых схемах целесообразно отказаться от плавной характеристики компрессии и заменить ее сегментированной характеристикой, представляющей собой кусочно-ломаную аппроксимацию плавной характеристики компрессии.

На рис. 2.26 приведена сегментированная А-характеристика компрессии для положительных сигналов (для области отрица­тельных значений сигнала она имеет аналогичный вид). Формаль­но общее число сегментов на полной характеристике (для отри­цательных и положительных сигналов) составляет 16, однако четыре центральных сегмента (по два в положительной и отрица­тельных областях) фактически образуют один сегмент, вследствие чего фактическое число сегментов равно 13. Поэтому такую харак­теристику называют характеристикой компрессии типа . Каждый из сегментов характеристики (см. рис. 5.26) содержит 16 шагов квантования, а их общее число равно 256 (по 128 для каждой полярности сигнала). При этом принята сле­дующая нумерация сегментов и шагов квантования N m внутри каждого сегмента: =0,1,2,... ,7 и =0, 1, 2,..., 15. Очевидно, что внутри каждого сегмента шаг квантования оказывается по­стоянным, т. е. осуществляется равномерное квантование, а при переходе к сегменту с большим порядковым номером шаг кванто­вания увеличивается в 2 раза, так как наклон сегмента умень­шается вдвое. Самый маленький шаг квантования () соответ­ствует двум первым сегментам (=0, 1) и оказывается равным . Для определения шага квантования в i-м сегмента можно пользоваться соотношением

Таким образом, максимальный шаг квантования (в седьмом сегменте) , т. е. в 64 раза превышает минимальный шаг.

Таким образом, коэффициент компандирования, определяемый как отношение наибольшого шага квантования к наименьшему, ра­вен , а выигрыш в помехозащищенности для слабых сигналов равен

Рис. 2.26. Характеристика компандирования типа А = 87,6/13

Типичная зависимость защищенности от шумов квантования от уровня сигнала (при гармоническом сигнале) для ха­рактеристики /1 = 87,6/13 приведена на рис. 2.27. Для слабых сиг­налов, не выходящих за пределы нулевого и первого сегментов, как видно из рис. 2.27, осуществляется равномерное квантование с минимальным шагом квантованияувеличивается с ростом, При переходе к второму сегменту шаг квантования уве­личивается в 2 раза, т. е. становится равным , вследствие чегорезко уменьшается, а затем в пределах данного сегмента возрастает с ростом, поскольку внутри сегмента осуществляется, равномерное квантование. Такой характер изменениянаблюдается и при переходе ко всем последующим сегментам. После попадания сигнала в зону ограничения защищенность резко па­дает за счет перегрузки кодера.

Структура кодовой комбинации, формируемой на выходе ко­дера с характеристикой А = 87,6/13, имеет вид PXYZABCD, где Р - знаковый символ (1-для положительных сигналов, 0 - для отрицательных); XYZ - символы кода номера сегмента N c \ ABCD - символы кода номера шага внутри сегмента (см. рис. 2.26). Если, например, положительный отсчет на входе кодера имеет амплитуду, соответствующую девятому шагу квантования в шестом сегменте, то на выходе кодера будет сформирована ком­бинация 11101001 (P=l, XYZ=110, так как=6, ABCD = 1001, так как =9).

Рис. 2.27. Зависимость Рис. 2.28. Нелинейный кодер

взвешивающего типа

Схемы и принцип действия нелинейных кодеков взвешиваю­щего типа в основном те же, что и у линейных кодеков. Наиболь­шее отличие заключается в последовательности включения эта­лонных источников в процессе кодирования исходного сигнала.

Для кодирования сигнала одной полярности в формирователе эталонных сигналов кодера необходимо формировать 11 эталон­ных сигналов. На рис. 2.28 представлена упрощенная структурная схема нелинейного кодера взвешивающего типа, содержащая схему сравнения (СС), схему переключения и суммирования эталонов (СПСЭ), две схемы формирования эталонных сигналов ( и ) для положительных и отрицательных отсчетов, управляю­щую логическую схему (УЛС). Кодирование осуществляется в те­чение восьми тактов, в каждом из которых формируется один из символов кодовой комбинации. При этом можно выделить три следующих этапа:

формирование знакового символа Р (такт 1);

формирование.кода номера сегмента XYZ (такты 2-4);

формирование кода номера шага внутри сегмента ABCD (так­ты 5-8).

В первом такте определяется знак поступившего на вход ко­дера очередного о.тсчета. Если отсчет положительный, то форми­руется Р=1 и к схеме подключается, а в противном случае формируется Р = 0 и к схеме подключается ФЭ 2 .

Формирование кода номера сегмента осуществляется следую­щим образом (рис. 2.29).

Во втором такте УЛС с помощью СПСЭ обеспечивает подачу на вход СС эталонного сигнала , соответствующего нижней границе четвертого сегмент Если ампли­туда отсчета, то принимается решение, что от­счет попадает в один из четырех старших сегментов (=4 ...7), формируется очередной символ Х=1, который по цепи обратной связи поступает на вход УЛС. Если же, то при­нимается решение, что отсчет попадает в один из четырех младших сегментов (=0... 3), и формируется символ Х = 0, который по цепи обратной связи поступает на вход УЛС.

В третьем такте формируется третий символ комбинации (Y). В зависимости от значения предыдущего символа (X) уточняется номер сегмента, в который попадает кодируемый отсчет. Если Х=1, то УЛС с помощью СПСЭ обеспечивает подачу на вход СС эта­лонного напряжения , соответствующего нижней гра­нице шестого сегмента (см. табл. 5.1). Если , то принимается решение, что отсчет попадает в один из двух старших сегментов (=6 или=7), и формируется очередной символ Y=l, который по цепи обратной связи поступает на вход УЛС. Если , то принимается решение, что отсчет попадает в четвертый или пятый сегмент, и формируется Y = 0. Если Х = 0, то УЛС с помощью СПСЭ обеспечивает по­дачу на вход СС эталонного напряжения, соответствую­щего нижней границе второго сегмента.

Если ,. то принимается решение, что отсчет попадает во второй и третий сегменты, и формируется Y=l. Если, то прини­мается решение, что отсчет попадает в один из двух младших сегментов, и формируется Y = 0.

В четвертом такте кодирования формируется символ Z, т. е. по­следний символ в коде номера сегмента. В зависимости от значе­ний предыдущих символов (XY) окончательно устанавливается номер сегмента, соответствующего данному отсчету. Так, если Х=1 и Y = 0, то включается эталонное напряжение, соответствующее нижней границе пятого сегмента. Если ==, то принимается решение, что отсчет попадает в пятый сегмент, формируется символ Z=l и эталонное напряжение= =остается включенным до конца процесса кодирования данного отсчета. Если , то принимается решение, что отсчет попадает в четвертый сегмент, формируется Z = 0 и до конца процесса кодирования включается, соответствующее нижней границе четвертого сегмента.

Рис. 2.29. Алгоритм формирования кода номера

сегмента

В результате после четырех тактов кодирования сформируются четыре символа комбинации (PXYZ) и к СС подключится одно из восьми эталонных напряжений, соответствующих нижней границе сегмента, в который попадает кодируемый отсчет.

В оставшихся четырех тактах последовательно формируются символы ABCD кодовой комбинации, значение которых зависит от номера шага квантования внутри сегмента, соответствующего ам­плитуде кодируемого отсчета. Поскольку внутри любого сегмента осуществляется равномерное квантование, то процесс кодирова­ния реализуется, как и в линейных кодерах взвешивающего типа, с помощью последовательного включения эталонных напряжений, соответствующих данному сегменту.

Так, если на вход кодера поступил положительный отсчет с амплитудой, то после первых четырех тактов сформируются символы PXYZ= 1110 и к СС подключится эталонное напряжение, соответствующее нижней границе шестого сегмента. В пятом такте к этому эталонному сигналу добавится максимальное эталонное напряжение , соответствующее старшему символу (А) в коде номера шага квантования для шестого сегмента. Так как , то формируется символ А = 0 и вместо "" ~~ в шестом такте подключается эталонное напряжение следующего разряда = =. Поскольку, то на выходе СС формируется символ В=1, эталонное напряжение не из­меняется и в следующем седьмом такте подключается эталонное напряжение очередного разряда .

Так как ==, формируется символ С = 0 и эталонное напряжение данного разряда () отключается.

В последнем такте подключается эталонное напряжение младшего символа (D) . Поскольку +-, формируется символ D = l и процесс кодирования данного отсчета заканчивается. Таким образом, на выходе кодера будет сформирована кодовая комбинация 11100101.

Как отмечалось выше, в процессе кодирования могут исполь­зоваться 11 эталонных сигналов, однако к моменту завершения процесса кодирования любого отсчета окажутся включенными не более пяти эталонных сигналов (один из них соответствует ниж­ней границе сегмента, не более четырех - эталонным сигналам в пределах соответствующего сегмента).

Рис. 2.30. Принцип цифрового компандирования

В рассмотренном случае окажутся включенными только три эталонных сигнала (512δ 0 ,128 δ 0 и 32 δ 0). Следует иметь в виду, что амплитуда кодируемого отсчета не всегда может быть точно уравновешена эталонными сигналами, как 1 в рассмотренном примере. В общем случае неизбежно будет возникать ошибка квантования £/ ош.кв, максимальное значение ко­торой равно половине шага квантования в пределах соответствую­щего сегмента, т. е. для нулевого и первого сегмен­тов (для слабых сигналов) идля седьмого сегмента (сильный сигнал).

Рассмотрим особенности третьего способа кодирования с нерав­номерной шкалой квантования, т. е. цифрового компандирования.

При цифровом компандировании (рис. 2.30) осуществляется линейное (равномерное) кодирование (ЛК) с большим числом разрядов (например,=12) с последующим цифровым преобра­зованием (цифровым компрессированием ЦК) с помощью логиче­ских устройств в восьмиразрядный нелинейный код, имеющий ту же структуру, что и при использовании нелинейного кодера с ха­рактеристикой компрессии типа (см. рис. 5.26). Способ преобразования 12-разрядных кодовых комбинаций линейного кода в 8-разрядные комбинации нелинейного кода показан в- табл. 5.2. Первый разряд (Р) остается без изменений и несет информацию о полярности сигнала. Значение символов XYZ, определяющих но­мер сегмента N c , соответствует числу нулей (/) в 12-разрядной комбинации между символом Р и символами АВСД (фактически символы XYZ представляют собой инверсированный натуральный трехразрядный.двоичный код величины ).

После формирования символов XYZ в восьмиразрядном коде символы ABCD переписы­ваются без изменений, а все остальные символы 12-разрядной комбинации отбрасываются вне зависимости от их значения, опре­деляя ошибку квантования.

Таблица 2.2

После формирования символов XYZ в восьмиразрядном коде символы ABCD переписы­ваются без изменений, а все остальные символы 12-разрядной комбинации отбрасываются вне зависимости от их значения, опре­деляя ошибку квантования. На приеме восстановление АИМ сиг­нала осуществляется с помощью цифрового экспандера (ЦЭ) и линейного декодера (ЛД).

Нелинейное декодирование осуществляется аналогично линей­ному с учетом отмеченных особенностей нелинейного кодирования. Так, в процессе нелинейного декодирования, т. е. формирования АИМ отсчета с определенной амплитудой, по структуре кодовой комбинации (PXYZABCD) определяются знак отсчета и но-, мер сегмента (), после чего находится значение (с учетом того, что к декодированному сигналу с целью уменьшения ошибки квантования добавляется напряжение, равное половине шага кван­тования в данном сегменте):

где -эталонное напряжение, соответствующее нижней границесегмента;

Шаг квантования всегменте.

Если, например, на вход декодера поступает кодовая комби­нация 01010110 (т. е. Р = 0, =5, А = 0; В=1; С = 1, D = 0), то на выходе декодера будет сформирован АИМ отсчет с амплитудой +)_" =

Таким образом, в декодере в данном случае суммируются эта­лонные напряжения, равные.

Литература: Осн. 3 [ 8-21 ]

Доп. 6 [ 102-104 ]

Контрольные вопросы:

1.Симметричный и натуральный двоичный код

2.Нелинейное кодирование. Характеристика компандирования типа А=87,6/13. Схема нелинейного кодера.

3.Дифференциальная импульсно-кодовая модуляция

4.Дельта-модуляция

Преобразование сигналов

Погрешности и шумы квантования.

Квантование по уровню, равномерное и неравномерное квантование.

Преобразование сигналов.

Канал есть совокупность технических средств между источником сообщений и потребителем. Технические устройства, входящие в состав канала, предназначены для того, чтобы сообщения дошли до потребителя наилучшим образом – для этого сигналы преобразуют. Такими полезными преобразованиями сигнала являются модуляция, рассмотренная ранее и преобразование непрерывных сигналов в дискретные. Соответственно, каналы классифицируют по состояниям – непрерывные и дискретные .

Сигналы, несущие информацию о состоянии какого-либо объекта или процесса, по своей природе непрерывны, как непрерывны сами процессы. Поэтому такие сигналы называют аналоговыми, т.к. они являются аналогом отображаемого ими процесса или состояний объекта. Число значений, которое может принимать аналоговый сигнал, бесконечно. Соответственно, каналы, по которым передаются эти сигналы, также являются аналоговыми.

В АТС задача часто сводится к тому, чтобы различить конечное число состояний объекта, например, занята рельсовая цепь или свободна. Для передачи этого числа состояний достаточно сравнить принимаемый сигнал с некоторым опорным сигналом. Если он больше опорного, объект находится в одном состоянии, меньше – в другом. Чем больше число состояний объекта, тем больше должно быть опорных уровней.

С другой стороны, информацию о состоянии объекта потребителю достаточно получать не непрерывно во времени, а периодически, и, если период опроса увязать со скоростью изменения состояний объекта, то потребитель не будет иметь потерь информации.

В результате преобразований непрерывного сигнала, называемых квантованием и дискретизацией получают отсчеты сигнала, рассматриваемые как числа в той или иной системе счисления. Эти отсчеты являются дискретными сигналами . Эти числа преобразуют в кодовые комбинации электрических сигналов, которые и передают по линии связи как непрерывные. При использовании в качестве носителя постоянного состояния получают последовательность видеоимпульсов. При необходимости этой последовательностью модулируют гармоническое колебание и получают последовательность радиоимпульсов.

Под кодированием понимают преобразование дискретных сигналов в последовательность или комбинацию некоторых символов. Символ кода – это элементарный сигнал , отличающийся от другого символа кодовым признаком . Число значений кодовых признаков называется основанием кода – m . Число символов в кодовой комбинации п определяет длину кода. Если длина кода для всех комбинаций постоянна, код называется равномерным. Чаще всего используются равномерные двоичные (m =2) коды. Максимальное число кодовых комбинаций при равномерном кодировании: N = m n .

Представление непрерывных сигналов отсчетами, а отсчетов – совокупностью символов называется цифровыми видами модуляции . Из них наиболее распространенными являются импульсно-кодовая модуляция (ИКМ) и дельта-модуляция (ДМ).

Рассмотрим ИКМ. Пусть нам надо передать непрерывный сигнал с диапазоном изменения от нуля до 15 вольт. Считаем, что нам достаточно передать 16 уровней, т.е. N = 16. Отсюда, если m = 2, то n = 4. Кодируем: 0 В – 0000, 1 В – 0001, 2 В – 0010, 3 В – 0011 и т.д. Эти числа в виде импульсов и пауз поступают в линию связи, затем в приемнике декодируются и превращаются, если нужно, снова в непрерывный сигнал. Преобразование непрерывного сигнала в дискретный осуществляется в устройствах, называемых аналого-цифровыми преобразователями (АЦП), обратные преобразования – в устройствах цифро-аналогового преобразования (ЦАП).

Отображение логических каналов на физические каналы осуществляется через процессы кодирования и шифрования передаваемых сообщений.

Для защиты логических каналов от ошибок, которые имеют место в процессе передачи, используют три вида кодирования: блочное - для быстрого обнаружения ошибок при приеме; сверхточное - для исправления одиночных ошибок; перемежение - для преобразования пакетов ошибок в одиночные.

Для защиты каналов от подслушивания в каналах связи и управления применяется шифрование.

Для передачи сообщений по физическим каналам используется гауссовская частотная манипуляция с минимальным частотным сдвигом (GMSK).

Модуляция радиосигнала

В стандарте GSM применяется спектрально-эффективная гауссовская частотная манипуляция с минимальным частотным сдвигом (GMSK). Манипуляция называется "гауссовской" потому, что последовательность информационных бит до модулятора проходит через фильтр нижних частот (ФНЧ) с характеристикой Гаусса, что дает значительное уменьшение полосы частот излучаемого радиосигнала. Формирование GMSK радиосигнала осуществляется таким образом, что на интервале одного информационного бита фаза несущей изменяется на 90°. Это наименьшее возможное изменение фазы, распознаваемое при данном типе модуляции. Непрерывное изменение фазы синусоидального сигнала дает в результате частотную модуляцию с дискретным изменением частоты. Применение фильтра Гаусса позволяет при дискретном изменении частоты получить "гладкие переходы". В стандарте GSM применяется GMSK-модуляция с величиной нормированной полосы ВТ - 0,3, где В - ширина полосы фильтра по уровню минус 3 дБ, Т - длительность одного бита цифрового сообщения. Основой формирователя GMSK-сигнала является квадратурный (1/Q) модулятор. Схема состоит из двух умножителей и одного сумматора. Задача этой схемы заключается в том, чтобы обеспечить непрерывную, очень точную фазовую модуляцию. Один умножитель изменяет амплитуду синусоидального, а второй косинусоидального колебания. Входной сигнал до умножителя разбивается на две квадратурные составляющие. Разложение происходит в двух обозначенных "sin" и "cos" блоках.

Модуляцию GMSK отличают следующие свойства, которые предпочтительны для подвижной связи:

постоянная по уровню огибающая, которая позволяет использовать эффективные передающие устройства с усилителями мощности в режиме класса С;

компактный спектр на выходе усилителя мощности передающего устройства, обеспечивающий низкий уровень внеполосного излучения;

хорошие характеристики помехоустойчивости канала связи.

КОДИРОВАНИЕ И ПЕРЕМЕЖЕНИЕ В КАНАЛАХ СВЯЗИ И УПРАВЛЕНИЯ СТАНДАРТА GSM

Общая структурная схема кодирования и перемежения в стандарте GSM

Для защиты от ошибок в радиоканалах подвижной связи GSM PLMN используются сверточное и блочное кодирование с перемежением. Перемежение обеспечивает преобразование пакетов ошибок в одиночные. Сверточное кодирование является мощным средством борьбы с одиночными ошибками. Блочное кодирование, главным образом, используется для обнаружения нескорректированных ошибок.

Блочный код (п, k, t) преобразует k информационных символов в п символов путем добавления символов четности (n-k), а также может корректировать t ошибок символов.

Сверточные коды (СК) относятся к классу непрерывных помехоустойчивых кодов. Одной из основных характеристик СК является величина К, которая называется длиной кодового ограничения, и показывает, на какое максимальное число выходных символов влияет данный информационный символ. Так как сложность декодирования СК по наиболее выгодному, с точки зрения реализации, алгоритму Витерби возрастает экспоненциально с увеличением длины кодового ограничения, то типовые значения К малы и лежат в интервале 3-10. Другой недостаток СК заключается в том, что они не могут обнаруживать ошибки. Поэтому в стандарте GSM для внешнего обнаружения ошибок используется блочный код на основе сверточного кода (2, 1, 5) со скоростью r=1/2. Наибольший выигрыш СК обеспечивает только при одиночных (случайных) ошибках в канале.

В каналах с замираниями, что имеет место в GSM PLMN, необходимо использовать СК совместно с перемежением.

В GSM PLMN основные свойства речевых каналов и каналов управления значительно отличаются друг от друга. Для речевых каналов необходима связь в реальном масштабе времени с короткими задержками при сравнительно низких требованиях к вероятности ошибки в канале. Для каналов управления требуется абсолютная целостность данных и обнаружения ошибок, но допускается более длительное время передачи и задержки.

В соответствии с общей структурой кадров в стандарте GSM передача информационных сообщений и сигналов управления осуществляется в нормальном временном интервале (NB) TDMA кадра. Структура NB (два пакета по 57 информационных бит каждый) требует, чтобы количество кодированных бит m, соответствующих n - некодированным битам в общей схеме кодирования и перемежения, равнялась бы целому числу, кратному 19. Затем эти биты зашифровываются и объединяются в I групп. Количество бит в этих группах также должно равняться 19, I групп переходят в I временных интервалов. Номер I называется степенью перемежения.

В различных логических каналах используются различные сверточные коды, поскольку скорости передачи и требования по защите от ошибок также различны. Для упрощения механизмов кодирования и декодирования для формирования кодов используются только несколько полиномов. Это позволяет использовать сверточный код с одной скоростью г=1/2. Однако, чтобы выполнить требования формирования полноскоростного канала связи, а также привести в соответствие структуру размещения бит со структурой кадров необходима скорость г=244/456=0,535. Для выравнивания скорости в речевом канале до г=1/2 применяют прореживание, то есть периодический пропуск некоторых кодированных символов. Такая операция называется перфорированием, а формируемые таким образом коды называются перфорированными. При приеме декодер, зная алгоритм прореживания, интерполирует принимаемые данные.

При передаче логического быстрого совмещенного канала управления FACCH перфорирование не используется.

Сверточное кодирование и перемежение в полноскоростном речевом канале

Речевой кодек передает каждые 260 бит информационной последовательности со скоростью 13 кбит/с на схему канального кодирования. Первые 182 бита этого кадра, называемые в стандарте GSM битами 1 класса, защищаются с помощью слабого блочного кода для обнаружения ошибок в приемнике.

Кодирование осуществляется следующим образом: биты класса 1 разделяются дополнительно на проверки на четность. Блочный код представляет собой укороченный систематический 50 бит класса 1а и 132 бита класса 1б. Биты класса 1а дополняются тремя битами циклический код (53, 50).

В соответствии с принятым правилом формирования систематического кода, ключ Sw закрыт на время первых пяти-десяти тактовых импульсов, а информационные биты, поступающие на вход кодирующего устройства, одновременно поступают на блок переупорядочения и формирования бит проверки на четность. После пятидесяти тактовых импульсов переключатель Sw срабатывает и биты проверки на четность поступают из кодирующего устройства. На этой стадии проводится первый шаг перемежения. Биты с четными индексами собираются в первой части информационного слова, за которыми следуют три бита проверки на четность. Затем биты с нечетными индексами запоминаются в буферной памяти и переставляются. Далее следуют четыре нулевых бита, которые необходимы для работы кодера, формирующего код, исправляющий случайные ошибки в канале. После чего 189 бит класса 1 кодируются сверточным кодом (2,1,5) со скоростью г=1/2.

После сверточного кодирования общая длина кадра составляет 2х189+78=456 бит. После этого кадр из 456 бит делится на восемь 57 битовых подблоков, которые подвергаются диагональному и внутрикадровому перемежению. Более точно подблоки В0 и В4 формируются в пакеты по 114 бит, которые являются результатом блочно-диагонального перемежения (DI/B). Биты В0 и В4 подблоков попарно перемежаются, образуя процесс внутрикадрового битового перемежения (IBI/B). В результирующий пакет включены два опережающих флага h1, h0, которые используются для классификации различных пакетов передачи.

Кодирование и перемежение в полноскоростном канале

передачи данных

Для повышения эффективности применения сверточного кодирования в полноскоростных каналах передачи данных необходим длительный период перемежения. В этих каналах внутрикадровое перемежение (IВI/В) реализуется для степени перемежения I=19, что приводит к задержке передачи данных на 19х116=2204 бит. Если биты I-го пакета (временного интервала) до перемежения обозначить как С (Km), m=1...116, то схема перемежения, то есть позиции бит после перемежения, определяются следующей формулой:

I (К + j,j + 19t) = С (К, т) для всех К j = m mod 19, t = m mod 6.

Преобразование сигналов

Погрешности и шумы квантования.

Квантование по уровню, равномерное и неравномерное квантование.

Преобразование сигналов.

Канал есть совокупность технических средств между источником сообщений и потребителœем. Технические устройства, входящие в состав канала, предназначены для того, чтобы сообщения дошли до потребителя наилучшим образом – для этого сигналы преобразуют. Такими полезными преобразованиями сигнала являются модуляция, рассмотренная ранее и преобразование непрерывных сигналов в дискретные. Соответственно, каналы классифицируют по состояниям – непрерывные и дискретные .

Сигналы, несущие информацию о состоянии какого-либо объекта или процесса, по своей природе непрерывны, как непрерывны сами процессы. По этой причине такие сигналы называют аналоговыми, т.к. они являются аналогом отображаемого ими процесса или состояний объекта. Число значений, ĸᴏᴛᴏᴩᴏᴇ может принимать аналоговый сигнал, бесконечно. Соответственно, каналы, по которым передаются эти сигналы, также являются аналоговыми.

В АТС задача часто сводится к тому, чтобы различить конечное число состояний объекта͵ к примеру, занята рельсовая цепь или свободна. Для передачи этого числа состояний достаточно сравнить принимаемый сигнал с некоторым опорным сигналом. В случае если он больше опорного, объект находится в одном состоянии, меньше – в другом. Чем больше число состояний объекта͵ тем больше должно быть опорных уровней.

С другой стороны, информацию о состоянии объекта потребителю достаточно получать не непрерывно во времени, а периодически, и, если период опроса увязать со скоростью изменения состояний объекта͵ то потребитель не будет иметь потерь информации.

В результате преобразований непрерывного сигнала, называемых квантованием и дискретизацией получают отсчеты сигнала, рассматриваемые как числа в той или иной системе счисления. Эти отсчеты являются дискретными сигналами . Эти числа преобразуют в кодовые комбинации электрических сигналов, которые и передают по линии связи как непрерывные. При использовании в качестве носителя постоянного состояния получают последовательность видеоимпульсов. При крайне важности этой последовательностью модулируют гармоническое колебание и получают последовательность радиоимпульсов.

Под кодированием понимают преобразование дискретных сигналов в последовательность или комбинацию некоторых символов. Символ кода - ϶ᴛᴏ элементарный сигнал , отличающийся от другого символа кодовым признаком . Число значений кодовых признаков принято называть основанием кода – m . Число символов в кодовой комбинации п определяет длину кода. В случае если длина кода для всœех комбинаций постоянна, код принято называть равномерным. Чаще всœего используются равномерные двоичные (m =2) коды. Максимальное число кодовых комбинаций при равномерном кодировании: N = m n .

Представление непрерывных сигналов отсчетами, а отсчетов – совокупностью символов принято называть цифровыми видами модуляции . Из них наиболее распространенными являются импульсно-кодовая модуляция (ИКМ) и дельта-модуляция (ДМ).

Рассмотрим ИКМ. Пусть нам нужно передать непрерывный сигнал с диапазоном изменения от нуля до 15 вольт. Считаем, что нам достаточно передать 16 уровней, ᴛ.ᴇ. N = 16. Отсюда, если m = 2, то n = 4. Кодируем: 0 В – 0000, 1 В – 0001, 2 В – 0010, 3 В – 0011 и т.д. Эти числа в виде импульсов и пауз поступают в линию связи, затем в приемнике декодируются и превращаются, если нужно, снова в непрерывный сигнал. Преобразование непрерывного сигнала в дискретный осуществляется в устройствах, называемых аналого-цифровыми преобразователями (АЦП), обратные преобразования – в устройствах цифро-аналогового преобразования (ЦАП).

1.1 ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ

Кодирование – преобразование элементов дискретного сообщения в последовательности кодовых символов. Обратное преобразование – декодирование .

Устройства, осуществляющие эти операции автоматически, называются соответственно кодером и декодером . Кодек – устройство, объединяющее кодер и декодер.

Код – алгоритм (правило), по которому осуществляется кодирование.

Кодовая комбинация (слово) – последовательность кодовых символов, соответствующая одному элементу дискретного сообщения.

Кодовый алфавит – весь набор кодовых символов.

Основание кода m – число символов в кодовом алфавите. Если m=2 код называется двоичным , m>2 – многопозиционным (недвоичным) .

Разряд – значащая позиция кодового слова.

Разрядность (значность) кода n – число символов в кодовой комбинации. Если n=const, то код называется равномерным , n≠const – неравномерным .

Кодеры и декодеры легче сделать для равномерных двоичных кодов.

1.2 СИСТЕМА ПЕРЕДАЧИ ДИСКРЕТНЫХ СООБЩЕНИЙ

Рисунок 1.1 – Структурная схема системы передачи дискретных сообщений.

Источник выдает дискретное сообщение. Для формирования дискретного сообщения из непрерывного используется дискретизация по времени и по уровню.

Кодирование источника (сжатие данных) применяется для снижения технических затрат на хранение и передачу информации.

Криптографическое кодирование (шифрование) применяется для предотвращения несанкционированного доступа к информации.

Кодирование канала (помехоустойчивое кодирование) применяется для повышения достоверности передачи информации по каналу с помехами.

1.3 СЖАТИЕ ДАННЫХ

Сжатие возможно, т.к. данные на выходе источника содержат избыточную и/или плохо различимую информацию.

Плохо различимая информация - информация, которая не воздействует на ее приемник. Подобная информация сокращается или удаляется при использовании сжатия с потерями . При этом энтропия исходной информации уменьшается. Сжатие с потерями применяется при сжатии цифровых изображений и оцифрованного звука.

Приемы, применяемые в алгоритмах сжатия с потерями:

Использование модели – подбор параметров модели и передача только одних параметров;

Предсказание – предсказание последующего элемента и передача величины ошибки;

Дифференциальное кодирование – передача изменений последующего элемента при сравнении с предыдущим.

Избыточная информация – информация, которая не добавляет знаний о предмете. Избыточность может быть уменьшена или устранена с помощью сжатия без потерь (эффективного кодирования) . При этом энтропия данных остается неизменной. Сжатие без потерь применяется в системах передачи данных.

Приемы, применяемые в алгоритмах сжатия без потерь:

Кодирование длин последовательностей – передача числа повторяющихся элементов;

Кодирование словаря – использование ссылок на переданные ранее последовательности, а не их повторение;

Неравномерное кодирование – более вероятным символам присваиваются более короткие кодовые слова.

1.4 КОДИРОВАНИЕ СЛОВАРЯ

Позволяет уменьшить избыточность, вызванную зависимостью между символами. Идея кодирования словаря состоит в замене часто встречающихся последовательностей символов ссылками на образцы, хранящиеся в специально создаваемой таблице (словаре). Данный подход основан на алгоритме LZ, описанном в работах израильских исследователей Зива и Лемпеля.

1.5 НЕРАВНОМЕРНОЕ КОДИРОВАНИЕ

Позволяет уменьшить избыточность, вызванную неравной вероятностью символов. Идея неравномерного кодирования состоит в использовании коротких кодовых слов для часто встречающихся символов и длинных – для редко возникающих. Данный подход основан на алгоритмах Шеннона-Фано и Хаффмана.

Коды Шеннона-Фано и Хаффмана являются префиксными. Префиксный код – код, обладающий тем свойством, что никакое более короткое слово не является началом (префиксом) другого более длинного слова. Такой код всегда однозначно декодируем. Обратное неверно.

Код Шеннона-Фано строится следующим образом. Символы источника выписываются в порядке убывания вероятностей (частот) их появления. Затем эти символы разбиваются на две части, верхнюю и нижнюю, так, чтобы суммарные вероятности этих частей были по возможности одинаковыми. Для символов верхней части в качестве первого символа кодового слова используется 1, а нижней – 0. Затем каждая из этих частей делится еще раз пополам и записывается второй символ кодового слова. Процесс повторяется до тех пор, пока в каждой из полученных частей не останется по одному символу.

Пример1.1:

Таблица 1.1 – Построение кода Шеннона-Фано.

Алгоритм Шеннона-Фано не всегда приводит к построению однозначного кода с наименьшей средней длиной кодового слова. От отмеченных недостатков свободен алгоритм Хаффмана.

Код Хаффмана строится следующим образом. Символы источника располагают в порядке убывания вероятностей (частот) их появления. Два самых последних символа объединяют в один вспомогательный, которому приписывают суммарную вероятность. Полученные символы вновь располагают в порядке убывания вероятностей, а два последних объединяют. Процесс продолжается до тех пор, пока не останется единственный вспомогательный символ с вероятностью 1. Для нахождения кодовых комбинаций строится кодовое дерево. Из точки, соответствующей вероятности 1, направляются две ветви. Ветви с большей вероятностью присваивается символ 1, с меньшей – 0. Такое ветвление продолжается до достижения вероятности каждого символа. Двигаясь по кодовому дереву сверху вниз , записывают для каждого символа кодовую комбинацию.

Пример1.2:

Таблица 1.2 – Построение кода Хаффмана.

Рисунок 1.2 – Кодовое дерево для кода Хаффмана.