636_Nosov_V.I._Seti_radiodostupa_CH.1_

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 (рис. 2.9), реализующий функцию (2.21) с формированием натурального двоичного кода. Принцип работы такого кодера заключается в уравновешивании кодируемых АИМ отсчетов суммой эталонных напряжений. Схема линейного кодера поразрядного взвешивания содержит восемь ячеек (при m = 8), обеспечивающих формирование значения коэффициента ai

соответствующего разряда (2.21). В состав каждой ячейки (за исключением последней, соответствующей младшему по весу разряду) входит схема сравнения СС и схема вычитания СВ.

Схема сравнения обеспечивает сравнение амплитуды поступающего АИМ сигнала с эталонными сигналами, амплитуды которых равны весам

52

Если на входе ССi амплитуда поступающего АИМ сигнала равна или превышает Uэтi , то на выходе схемы сравнения формируется «1», а в СВi из входного сигнала вычитается Uэтi , после чего он поступает на вход следующей ячейки. Если же амплитуда АИМ сигнала на входе ССi меньше Uэтi , то на выходе ССi формируется «0» и АИМ сигнал проходит через СВi без изменений. После окончания процесса кодирования текущего отсчета на выходе кодера получается восьмиразрядный параллельный код, кодер устанавливается в исходное состояние и начинается кодирование следующего отсчета.

Рисунок 2.9 – Линейный кодер поразрядного взвешивания

Если, например, на вход кодера поступил АИМ отсчет с амплитудой UАИМ = 190 , то СС8 формирует Р8 = 1 и на вход седьмой ячейки поступит сигнал с

поступит сигнал с амплитудой U``АИМ = 62 - 32 = 30 и т.д. В результате будет сформирована кодовая комбинация 10111110.

В процессе декодирования сигнала m – разрядные кодовые комбинации преобразуются в АИМ отсчеты соответствующей амплитуды. Сигнал на выходе декодера получается в результате суммирования эталонных сигналов Uэтi тех разрядов кодовой комбинации, значение которых равно 1 (рисунок 2.10). Так, если на вход декодера поступила кодовая комбинация 10111110, то амплитуда АИМ отсчета на его выходе будет равна UАИМ = 128 + 32 +16 + 8 +4 +

2= 190 .

Влинейном декодере (рис. 2.10) под воздействием управляющих сигналов, поступающих от генераторного оборудования, в регистр сдвига записывается очередная восьмиразрядная кодовая комбинация. В момент

прихода импульса считывания замыкаются только те ключи Кл1 … Кл8, которые соответствуют разрядам, имеющим значения «1». В результате в

53

сумматоре объединяются соответствующие эталонные напряжения и на его выходе получается соответствующая амплитуда АИМ отсчета.

Кл1

1

Кл2

2 UАИМ

Кл8

128

Рисунок 2.10 – Линейный декодер взвешивающего типа

Рассмотренная схема кодера (рис. 2.9) поразрядного взвешивания содержит большое число схем сравнения, которые являются относительно сложными устройствами. На практике чаще используется кодер взвешивающего типа с одной схемой сравнения и цепью обратной связи, содержащей декодер (рис. 2.11). Под воздействием тактовой частоты FT на вход декодера от схемы управления в каждом такте последовательно подается «1» с каждого из 8 выходов, начиная со старшего разряда. На выходе декодера формируется уравновешивающий UАИМ.УР сигнал, который в схеме сравнения сравнивается с входным АИМ сигналом. В зависимости от результата сравнения на выходе СС формируется значение текущего разряда: «1» при UАИМ

UАИМ.УР; «0» при UАИМ < UАИМ.УР . Этот сигнал появляется на выходе кодера и по цепи обратной связи поступает на схему управления. Причем при

поступлении «1» состояние соответствующего выхода схемы управления остается неизменным («1»), а при поступлении «0» также изменяется на «0». В результате через m тактов на выходах схемы управления будет сформирована

комбинация, для которой UАИМ.УР = UАИМ.

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

–аналоговое компандирование, при котором компрессирование сигнала осуществляется перед линейным кодером и экспандирование сигнала после линейного декодера;

–прямое нелинейное кодирование, при котором кодер сочетает в себе функции АЦП и компрессора;

54

–преобразования на основе линейного кодирования, при котором кодирование сигнала осуществляется в линейном кодере с большим

числом разрядов с последующим цифровым компандированием.

–

Рисунок 2.11 – Линейный кодер взвешивающего типа с обратной связью

Наиболее часто используются нелинейные кодеки, в которых для удобства реализации в цифровых схемах плавную характеристику компрессии аппроксимируют кусочно-ломанной линией (рис. 2.8). На этом рисунке сегментированная характеристика компрессии типа А показана для положительных сигналов (для отрицательных сигналов характеристика имеет аналогичный вид). Общее число сегментов характеристики Nc = 16, однако четыре центральных сегмента (по два в положительной и отрицательной областях) имеют одинаковый шаг квантования и фактически образуют один сегмент, вследствие чего число сегментов равно Nc = 13. Поэтому такая характеристика получила название типа А = 87.16/13.

Представление ИКМ сигнала восьмиразрядными кодовыми комбинациями использует формат «знак – абсолютное значение», где один разряд отображает полярность АИМ сигнала П, а остальные – определяют его абсолютное значение. Семь разрядов, отображающих абсолютное значение, подразделяются на определитель номера сегмента С из трех разрядов и определитель шага квантования К из четырех разрядов (рис. 2.12).

Рисунок 2.12 – Формат восьмиразрядной ИКМ комбинации

Согласно рисунка 2.12 каждый сегмент характеристики содержит К = 24 = 16 одинаковых шагов квантования. Самый маленький шаг квантования 0 соответствует двум первым сегментам Nc = 0 и 1. Для осуществления

55

неравномерного квантования во всех остальных сегментах шаг квантования увеличивается в два раза при увеличении номера сегмента (таблица 2.1).

Таблица 2.1 Формирование сегментов и шагов квантования

Для реализации кодера в соответствии с таблицей 2.1 можно определить величины эталонных напряжений для нижней границы каждого сегмента и при кодировании внутри сегмента (таблица 2.2).

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

Таблица 2.2 Эталонные напряжения для нелинейного кодека

Таким образом, максимальный шаг квантования (в седьмом сегменте) в 64 раза превышает минимальный шаг квантования, а отношение сигнал/шум квантования (для синусоидального сигнала) может быть определено по выражению (1.16) и составит: для первого и второго сегментов

56

Если бы использовалось равномерное квантование, то для седьмого сегмента

Рс / Ркв 7, 78 20lg(2048 0 / 0 ) 74дБ,

т.е. проигрыш для сильных и выигрыш для слабых сигналов от использования компандирования составит 20lg64=36 дБ. Зависимость отношения сигнал/шум квантования от уровня входного сигнала при компандировании по закону А=87.6/13 приведена на рис. 2.13. Для слабых сигналов в пределах нулевого и первого сегментов осуществляется равномерное квантование с шагом 0 , поэтому Рс/Рш.кв увеличивается с ростом рс . При переходе ко второму сегменту шаг квантования увеличивается в два раза, т.е. становится равным 2 0, вследствие чего Рс/Рш.кв резко уменьшается на 6 дБ, а затем в пределах данного сегмента возрастает с ростом рс , поскольку внутри сегмента осуществляется равномерное квантование. После попадания сигнала в зону ограничения отношение сигнал/шум резко уменьшается за счет перегрузки кодера.

На рис. 2.14 представлена упрощенная схема нелинейного кодера взвешивающего типа, реализующего прямое кодирование АИМ сигнала. Кодирование осуществляется за восемь тактовых интервалов, в каждом из которых формируется один из символов кодовой комбинации (рис. 2.12).

Рисунок 2.14 – Нелинейный кодер взвешивающего типа

В первом такте определяется знак поступившего на вход кодера отсчета. Если отсчет положительный, то в знаковом разряде формируется «1» и к схеме переключения и суммирования эталонов СПСЭ подключается формирователь положительных эталонных напряжений ФЭ1, в противном случае формируется «0» и к схеме подключается ФЭ2. Затем происходит формирование кода номера сегмента методом деления их числа пополам (рис. 2.15).

Во втором такте управляющая логическая схема УЛС и СПСЭ обеспечивают подачу на вход схемы сравнения эталонного сигнала Uэт = 128 0, соответствующего нижней границе четвертого (среднего) сегмента. Если амплитуда отсчета UАИМ Uэт = 128 0 , то принимается решение, что амплитуда отсчета попадает в один из четырех вышележащих сегментов и формируется очередной символ X = 1, который по цепи обратной связи поступает на вход УЛС. В противном случае принимается решение, что амплитуда отсчета попадает в один из нижележащих сегментов и формируется

X = 0.

В третьем такте в зависимости от значения предыдущего символа X уточняется номер сегмента, в который попадает амплитуда кодируемого отсчета. Если X = 1, то УЛС и СПСЭ подают на вход СС эталонное напряжение

попадает во второй и третий сегменты и формируется Y = 1. Если UАИМ Uэт =

58

32 0 , принимается решение, что отсчет попадает в два нижележащих сегмента и формируется Y = 0.

В четвертом такте аналогичным образом формируется символ Z и окончательно формируется код номера сегмента. В результате, после четырех тактов кодирования, сформируется четыре символа восьмиразрядной кодовой комбинации PXYZ (рисунок 2.12) и к СС подключится одно из восьми эталонных напряжений, соответствующих нижней границе сегмента, в котором находится кодируемый отсчет рисунок 2.15.

В оставшихся четырех тактах последовательно формируются символы ABCD кодовой комбинации, значения которых зависят 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, путем последовательного включения эталонных напряжений соответствующих данному сегменту (таблица 1.2).

Например, если на вход кодера поступил положительный отсчет с амплитудой UАИМ = 981 0 , то после первых четырех тактов сформируются символы PXYZ = 1110 и к СС подключится эталонное напряжение Uэт = 512 0 , соответствующее нижней границе шестого сегмента. В пятом такте к этому эталонному сигналу добавляется максимальное эталонное напряжение Uэт =

59

256 0, соответствующее символу А в определителе шага квантования К (рисунок 2.15) шестого сегмента (таблица 1.2). Так как UАИМ > Uэт = (512+256)

0, то формируется символ А = 1 и это эталонное напряжение остается включенным. В шестом такте подключается эталонное напряжение соответствующее символу В в определителе шага квантования К Uэт = 128 0 и так как UАИМ > Uэт = (512+256+128) 0, то на выходе СС формируется символ В = 1 и это эталонное напряжение остается включенным. В седьмом такте подключается эталонное напряжение соответствующее символу С в определителе шага квантования К Uэт = 64 0 и так как UАИМ > Uэт = (512+256+128+64) 0, то на выходе СС формируется символ С = 1 и это эталонное напряжение остается включенным. В восьмом такте подключается эталонное напряжение соответствующее символу D в определителе шага

квантования К Uэт = 32 0 и так как UАИМ < Uэт = (512+256+128+64+32) 0 , то на выходе СС формируется символ D = 0 и это эталонное напряжение

отключается. И на этом процесс кодирования очередного отсчета заканчивается. В результате на выходе кодера сформирована кодовая комбинация PXYZABCD = 11101110, соответствующая амплитуде уравновешивающего АИМ сигнала на входе СС U`АИМ = 960 0. Разница между входным и уравновешивающим АИМ сигналами на входах СС представляет

ошибку квантования КВ = UАИМ - U`АИМ = 21 0 > i / 2 = 16 0.

Для кодирования с неравномерной шкалой квантования также может быть использовано преобразование на основе линейного кодирования, при котором кодирование сигнала осуществляется в линейном кодере с большим числом разрядов с последующим цифровым компандированием. При этом в линейном кодере осуществляется равномерное кодирование с использованием 12–разрядного кода, что соответствует количеству шагов квантования NКВ = 212 = 4096, с последующим цифровым компрессированием (преобразованием) с помощью логических устройств на основе ПЗУ в восьмиразрядный нелинейный код, имеющий ту же структуру, что и при использовании нелинейного кодера с характеристикой компрессии типа А = 87.6/13 (таблица 2.1).

Таблица 2.1 Алгоритм цифрового компрессирования

При преобразовании в восьмиразрядный код первый разряд остается без

60