Нерівномірне квантування
Для вирівнювання відносної помилки квантування при зміні середньої потужності абонентського сигналу в широких межах і зменшення числа кроків квантування застосовують нерівномірне (нелінійне) квантування.
При нерівномірному квантуванні крок квантування змінюється в допустимих межах амплітудних значень квантованих сигналів у відповідності з малюнком 2.21, а зростає зі збільшенням рівня сигналу. Абсолютна помилка квантування зростає із збільшенням рівня сигналу, та її відносне значення, тобто відношення сигнал-помилка квантування, не змінюється.
Використання нерівномірного квантування дозволяє вирівняти відношення сигнал-помилка квантування у всьому діапазоні середніх потужностей вхідних абонентських сигналів, а отже, скоротити кількість кроків квантування в 2 - 4 рази порівняно з рівномірним квантуванням до Мкв від 128 до 256, що вимагає семи-восьми розрядів групи.
Нерівномірна (нелінійна) амплітудна характеристика квантуючого пристрою може бути реалізована декількома способами:
- стисненням динамічного діапазону вхідних сигналів перед кодуванням за допомогою компресорів та подальшим його розширенням після декодування експандерами (аналогове компандування);
- нелінійним кодуванням та декодуванням.
На малюнку 2.22 показані амплітудна характеристика компресора-стискача динамічного діапазону (крива 1) та амплітудні відліки групового сигналу, що надходять на нього. При рівномірному етапі квантування сигналу без компресування максимальна помилка квантування слабкого сигналу (відлік 1) становить 1/4 амплітуди відліку, а сильного (відлік 2) - 1/14.
На виході компресора амплітудні співвідношення сигналів змінюються (зменшується динамічний діапазон). Значнозбільшується амплітуда малих сигналів мало змінюється амплітуда великих сигналів.
Застосування компресора перед кодерами з рівномірними характеристиками Кванту дозволяє отримати нерівномірне квантування. Для відновлення вихідного динамічного діапазону сигналу на приймальному кінці використовується експандер, амплітудна характеристика якого (крива 2) обернена характеристикою компресора. Сумарна амплітудна характеристика ланцюга компресор – експандер (крива 3) має бути лінійною.
Недоліком аналогового компандування є те, що дуже складно отримати з великою точністю взаємозворотні амплітудні характеристики компресора і експандера, внаслідок чого нелінійність сумарної амплітудної характеристики призводять до нелінійних спотворень сигналів, що передаються.
6 Лінійний кодер зважувального типу для двополярного сигналу.
Раніше було розглянуто процес кодування за допомогою найпростішого натурального двійкового коду. Такий код використовується при кодуванні однополярних сигналів АІМ, що виходять при дискретизації однополярних аналогових сигналів, сигналів з постійною складовою (телевізійних, передачі даних).
Телефонні сигнали, сигнали звукового мовлення двополярними. При їх дискретизації одержують послідовність різнополярних імпульсів (рисунок 2.23). Для кодування різнополярних імпульсів використовують симетричний двійковий код. У симетричному двійковому коді 1 або 0 у старшому розряді визначають полярність імпульсу, що кодується (1 – позитивний відлік сигналу, 0 – негативний). Кодова група після старшого розряду визначає кількість кроків квантування в позитивній або негативній області сигналу.
Наприклад, кодова група 1101101 визначає позитивний імпульс величиною 45 кроків квантування,а кодова група 0101101 - негативний імпульс такої ж величини.
Достоїнством натурального та симетричного двійкових кодів є можливість їх реалізації за допомогою простих кодерів, а недоліком — порівняно низька схибленість, оскільки при різній вазі розрядів пропадання одного імпульсу з великою вагою призводить до великих спотворень сигналу.
Кодер із лінійною шкалою квантування називається лінійним, а з нелінійною — нелінійним. Аналогічне визначення стосується і декодерів. У цифрових СП з ІКМ застосовуються кодери та декодери (кодеки) з нелінійною шкалою, проте вони будуються на базі кодеків з лінійною шкалою квантування.
За принципами дії кодери поділяються на три основні групи: лічильного типу, зважувального типу та матричні.
Найбільш просто двійкове кодування здійснюється в кодерах типу, що зважує. Принцип роботи таких кодерів полягає в урівноважуванні кодованих відліків еталонними струмами або просто еталонами з певними вагами (значеннями).
Кодування у разі можна як процес поетапного зважування на чашкових вагах, забезпечених покажчиками «більше - менше». На одну чашу терезів поміщається відлік, що кодується, а на іншу послідовно встановлюють еталони (гирі), починаючи з еталона найбільшої ваги. На кожному з етапів (тактів) зважування за вказівником «більше - менше» приймають відповідне рішення: якщо відлік більше еталона, то останній залишають на чаші терезів і додають еталон наступної меншої ваги. В іншому випадку перший еталон знімають і встановлюють еталон меншої ваги. Очевидно, що після закінчення зважування відлік буде врівноважений еталонами, сума яких з точністю до еталона найменшої ваги дорівнюватиме ваги відліку.
Значення еталона найменшоговаги та буде максимально можливою помилкою квантування. Якщо результат кожного з етапів зважування записати, відзначаючи одиницею залишення еталона на чаші терезів, а нулем його зняття, після зважування отримаємо запис «ваги» відліку в двійковому коді.
Процес декодування (відновлення амплітуди відліку, що передається) при цьому може бути представлений як підсумовування еталонів «гір» з ваговими значеннями тих розрядів, де в кодовій комбінації є одиниці.
Кодер при кодуванні двополярних сигналів (рисунок 2.26) містить ГЕТ, що формує еталонні струми для кодування як позитивних, так і негативних значень амплітуди відліку. При необхідності кодування 128 позитивних і 128 негативних рівнів знадобиться 8-розрядна кодова комбінація, причому перший розряд кодуватиме полярність сигналу.