Лабораторна робота № 3

Побудова кодеру ЦСП ІКМ-30 і алгоритму його роботи

Мета роботи: Вивчення побудови кодеру ЦСП ІКМ-30 і алгоритму його роботи.

Теоретичні частина

Кодер, будучи першим функціональним вузлом групового тракту передачі АЦО-30, призначений для виконання наступних функцій:

- перетворення сигналів АІМ-1, що поступають на вхід кодеру з виходів канальних передавачів, в сигнали АІМ-2;

- здійснення амплітудного квантування сигналів AІМ-2 і нелінійного кодування квантованих сигналів.

Кодер апаратури ІКМ-З0 є кодером типу, що зважує, з нелінійною шкалою квантування, що працює за принципом порозрядного урівноваження. Особливістю кодеру є виконання процесу порозрядного урівноваження з частотою, подвоєною в порівнянні з тактовою частотою лінійного цифрового сигналу ІКМ-30: f =2f_T = 2х2048 кГц = 4096 кГц. Це дозволяє здійснити 8-розрядне кодування кожного відліку сигналу протягом інтервалу Δt_код =1/Т=2мкс, (де Т=1/f_T =0,5 мкс), і забезпечити достатній часовий інтервал для перетворення сигналу АІМ-1 в АІМ-2 з необхідною захищеністю від значних перехідних перешкод між каналами.

Конструктивно кодер складається із 2-х блоків: КОД.А і КОД.Ц, у яких відповідно розміщуються аналогова і цифрова частини кодеру.

Структурна схема кодеру наведена на Рис.3.1.

Рис. 3.1 - Структурна схема кодеру

Аналогова частина кодеру містить наступні функціональні вузли:

• груповий тракт АІМ сигналу (ГТ АІМ), в якому проводиться перетворення вхідного сигналу АІМ-1 в сигнал АІМ-2, а також автоматична корекція "0" кодеру;

• два формувачі еталонних сигналів (ФЕС-А, ФЕС-В), кожний з яких формує 11-розрядний набір еталонних сигналів для утворення шкали рівнів квантування в одній половині біполярної амплітудної характеристики кодеру;

• диференціальний компаратор (К), призначений для визначення полярності (знака) сигналу АІМ-2, порівняння його амплітуди з амплітудою еталонних сигналів ФЕС і формування двійкових сигналів у результаті порівняння.

Цифрова частина кодеру містить наступні функціональні вузли:

• регістр пам'яті з логікою управління (РП з ЛУ), призначений для запису і зберігання символів (0 і 1), що поступають з виходу К по ланцюгах зворотного зв'язку А і В, і формування сигналів управління відповідними вузлами кодеру (ГИТ-АІМ, логіка вибору ФЕС);

• цифровий експандер (ЦЕ), що виконує перетворення 7-розрядного коду (без знакового символу ), що поступає з виходів регістра пам'яті, в 11-розрядний простий двійковий код, необхідний для управління розрядами ФЕС. Включення ЦЕ в ланцюг зворотного зв'язку нелінійного 8-розрядного кодеру еквівалентно використанню цифрового компресора на виході лінійного 12-розрядного кодеру;

• логіка вибору ФЕС, (ЛВ ФЕС) пропускає сигнали з виходу ЦЕ на входи розрядів того або іншого ФЕС (ФЕС-А або ФЕС-В) залежно від значення символу a₁ (1 або 0);

• перетворювач коду (ПК) перетворює паралельний код, що поступає на його вхід з виходів регістра пам'яті, в послідовний код, цифровий сигнал кодеру;

• подвоювач тактової частоти і розподільник імпульсів (ПТЧ і РІ) формує імпульсну послідовність з частотою проходження імпульсів 2f_Т =4096 кГц для стробування компаратора ("строб. К") і імпульсні послідовності Р'8, P'l, Р'2, Р'З, затримання на половину тактового інтервалу відносно відповідних імпульсних послідовностей Р8, Р1, P2, РЗ, що поступають у кодер від розрядного дільника ГОпер ( з виходу блоку ДЧ ГО пер). Всі функціональні вузли аналогової і цифрової частин кодеру конструктивно виконані у вигляді інтегральних мікросхем.

Нелінійне кодування вхідного АІМ сигналу здійснюється відповідно до амплітудної характеристики, що є 13-сегментною апроксимацією квазілогарифмічної функції вигляду:

,

де U`<sub>вх</sub>=U<sub>вх</sub>/ U<sub>вх max</sub> ; U`_вых= U_вых/ U_{вых max};

А=87,6 - коефіцієнт компресії

Така характеристика дозволяє легко реалізувати цифрову компресію і забезпечує необхідне відношення Р_с/Р_ш.кв. при 8-розрядному двійковому кодуванні.

Амплітудна характеристика кодеру представлена на Рис. 3.2.

Рис.3.2 - Амплітудна характеристика кодеру

Як видно з рис.3.2, амплітудна характеристика кодеру містить 16 різних відрізків (сегментів) - по 8 в кожній половині біполярної характеристики (С0, С1,..,С7). Чотири сегменти (-C0;-C1, С0;С1) мають однаковий нахил, унаслідок чого їх прийнято вважати єдиним сегментом (центральним) і називати характеристику компресії 13-сегментної.

В межах кожного сегменту (, i=0,1,2...7) розміщується 16 рівнів квантування (0,1,2...16) даного сегменту. Загальне число рівнів квантування дорівнює 256, з них 128 позитивних і 128 негативних.

Нелінійне кодування здійснюється 8-ма розрядами в симетричному двійковому коді: а₁, а₂, а_3, а₄, а₅, а_6, а_7, а₈. При цьому 1-й символ кодового слова (а₁) несе інформацію про полярність відліку вхідного сигналу, наступні три символи (а₂, а_3, а₄) утворює двійкове представлення номеру сегменту Ci (i=0,1,2...7), а останній чотири символи (а₅, а₆, а₇, а₈) утворюють двійкове представлення номера кроку квантування (0,1,2.,16) в межах даного сегменту i.

Крок квантування _i змінюється при переході від сегменту до сегменту і залежно від номера сегменту (i=0,1,2...7) визначається виразом:

де мВ - крок квантування на центральному сегменті

U_огр =U_вх.max =2048 мВ – поріг обмеження кодеру.

Значення _i визначає максимальну погрішність квантування сигналу, що поступає в i-й сегмент амплітудної характеристики кодеру. Для зменшення цієї погрішності в декодері до кожного відновленого значення відліку сигналу додається коректуюча поправка величиною _i/2. Тоді абсолютне значення погрішності квантування (кв) не перевищує половини кроку квантування:

Основним параметром, що характеризує якість перетворення сигналу в кодері, є залежність від шумів квантування (A_з.ш.к.), яка визначається виразом: A_з.ш.к.=10lgР_с/Р_ш.к.

де: Р_с - середня потужність сигналу

Р_ш.к. - середня потужність шуму квантування.

Р_ш.к. визначається числом розрядів коду, видом характеристики компресії і порогом обмеження кодеру (так звані методичні погрішності квантування і обмеження сигналу). Крім того, в процесі кодування виникають додаткові шуми перетворення (Р_ш.к.доп), які пов'язані з кінцевою точністю виготовлення аналогових вузлів кодеру, і обмеженою стабільністю їх параметрів (так звані апаратні погрішності перетворення). Р_ш.к.доп не перевищує величини 0,6 Р_ш.к.

Загальна середня потужність додаткових шумів перетворення сигналу в ІКМ-30 (Р_ш.доп) на виході цифрового каналу складається з додаткових шумів кодеру (Р_{ш.к.доп.}.0,6Р_ш.к), декодеру (Р_ш.д.доп 0,4Р_ш.к.), приймач-передавача і додаткових шумів, що виникають на стиках вузлів в АЦО (Р_ш.ст.0,4Р_ш.к)

Р_ш.доп.= Р_{ш.к.доп.} + Р_{ш.д.доп.} + Р_{ш.пп.доп.} + Р_ш.ст. 1,8 Р_ш.к.

Р_ш.доп приводять до зниження Аз.ш.к на величину Аз.ш.к, яка згідно Рекомендаціям МККТТ не повинна перевищувати 4,5 дБ.

Аз.ш.к залежить від рівня вхідного сигналу (Р_вх). На рис.3.3. наведена залежність Аз.ш.к (з урахуванням її зниження на величину Аз.ш.к=4,5дБ) від рівня вхідного випробувального сигналу з нормальним (гаусовським) розподілом миттєвих значень при 8-розрядному кодуванні і характеристиці компресії А=87,6/13.

Рис. 3.3 - Залежність Аз.ш.к від рівня вхідного випробувального сигналу з нормальним (гаусовським) розподілом миттєвих значень при 8-розрядному кодуванні і характеристиці компресії А=87,6/13

На рис.3.4. представлені часові діаграми, що пояснюють процес перетворення вхідного АІМ сигналу в цифровий код на виході кодеру.

Перетворення сигналу АІМ-1 в AІМ-2 проводиться протягом інтервалу 1,5мкс, а потім амплітуда відліку U_N запам'ятовується і зберігається в перебігу інтервалу tхр =5Т. В інтервалі tкод=4Т відлік U_N квантується і кодується.

При дії першого з 8-ми стробуючих імпульсів "Строб.К" компаратор формує імпульс на виході А або В (залежно від полярності вхідного сигналу U_N). Інформація про полярність вхідного сигналу запам'ятовується у комірці регістра пам'яті, причому, якщо U_N>0, то на виході А буде 0 і а1=1 (що має місце в розгляді на Рис.3.4 випадку), якщо U_N<0, то на виході В буде 1 і a1=0.

Рис. 3.4 - Часові діаграми перетворення вхідного АІМ сигналу у цифровий код

В подальших 7-ми тактах кодування ЛВ ФЕС пропускає управляючі сигнали (1...11) від ЦЕ на входи ФЕС-А (при а1=1) або ФЕС-B (при а1=0). В-перших 3-х тактах кодування (починаючи з 2-го такту), тобто при дії на К 2-го, 3-го, 4-го імпульсів "строб.K", здійснюється пошук сегменту характеристики компресії, в межах якого знаходиться амплітуда відліку. При цьому компаратором виробляються відповідні двійкові символи (0 або 1), які записуються у комірці регістра пам'яті а2,а3,а4 і несуть інформацію про номер сегменту (C0,C1...С7). Комбінація двійкових символів а2, а3, а4 перетвориться цифровим експандером в сигнал управління одним з розрядів ФЕС, який формує основний еталонний сигнал (Uе.ci) з амплітудою, відповідно нижній межі вибраного сегменту. Алгоритм пошуку сегменту в одній половині біполярної амплітудної характеристики (тобто для ) показаний на діаграмі Рис.3.5.

Рис 3.5 - Алгоритм пошуку сегменту в одній з половин біполярної амплітудної характеристики

В останніх 4-х тактах кодування проводиться лінійне порозрядне урівноваження різниці амплітуд вхідного (Uвх) і основного еталонного (Uе.ci) сигналів за допомогою комбінації 4-х додаткових еталонних (Uе.i) сигналів вибраного сегменту. При цьому в компараторі формуються відповідні двійкові символи (0 або 1), які записуються у комірки регістра пам'яті а5, а6, а7, а8 і несуть інформацію про номер рівня квантування (0,1,.15) в межах даного сегменту.

Процес кодування закінчується станом, при якому різниця амплітуд вхідного сигналу і суми еталонних сигналів не перевищує кроку квантування для даного сегменту.

Символи паралельного двійкового коду а1..,а8, записані в регістр пам'яті, переносяться у комірки перетворювача коду, з яких ці символи послідовно прочитуються. Для покращення статистики групового цифрового сигналу символи парних розрядів інвертуються.

В табл.3.1 вказані сигнали розрядів ФЕС, що використовуються в процесі кодування як основні (Uе.ci) і додаткові (Uе.i) еталонні сигнали, а також еталонний сигнал корекції (Uе.к.), який використовується тільки в декодері. Всі еталонні сигнали виражені в умовних одиницях (у.о.) по відношенню до величини мінімального кроку квантування, тобто 1у.о.=

Таблиця 3.1.

№ сегмента (i)	Еталонні сигнали (Uе), у.о.						Крок квантування (), у.о.
	Основний Uе.ci	додаткові				Корекція (Uе.к)
		Uе1	Uе2	Uе3	Uе4
0	-	8	4	2	1	0,5	1
1	16	8	4	2	1	0,5	1
2	32	16	8	4	2	1	2
3	64	32	16	8	4	2	4
4	128	64	32	16	8	4	8
5	256	128	64	32	16	8	16
6	512	256	128	64	32	16	32
7	1024	512	256	128	64	32	64

Необхідна швидкодія вузлів кодеру визначається необхідністю виконання сукупності операцій одного такту кодування (урівновішування) в інтервалі 1/2f1≈0,25 мкс. До цих операцій відносяться:

- формування сигналів управління розрядами ФЕС;

- включення чергового розряду ФЕС;

- порівняння амплітуд вхідного (Uвх.) і еталонних сигналів (Uе);

- стробування вузла, що приймає рішення компаратора з метою формування вихідного імпульсу А (або В) в результаті порівняння сигналів Uвх з Uе;

- запис сигналу зворотного зв'язку А (або В) в регістр пам'яті.

Таким чином, алгоритм роботи кодеру включає 3 етапи кодування:

1-й етап – визначення і кодування полярності вхідного АІМ сигналу;

2-й етап – визначення і кодування номера сегменту, в якому знаходиться амплітуда (відлік) вхідного АІМ сигналу;

3-й етап – визначення і кодування номера рівня квантування в знайденому сегменті.

Ці етапи можна розглянути на прикладі кодування вхідного АІМ сигналу з амплітудою Uс=326 у.о.

В початковому положенні виходи а1, а3 регістра пам'яті (РП) знаходяться в стані 0 на виході ФЕС: Uс=0. Кодований відлік Uс поступає на вхід компаратора (К). В момент, передуючий 1-му такту кодування, перший вихід РП (а1) переводиться в стан 1, чим включається (через логіку вибору ФЕС) ФЕС-А. Оскільки Uс>0, а Uе=0, тобто Uс- Uе>0, то на виході К (вихід А) в 1-у такті кодування буде сформований 0, і стан 1-го виходу РП збережеться. На цьому закінчується 1-й етап, в якому визначається і кодується полярність вхідного АІМ сигналу.

2-й етап починається з того, що в стан 1 переводиться 2-й вихід РП (а2) і на вхід К подається з ФЕС-А еталонний сигнал Uес4=128 у.о., відповідний нижній межі 4-го сегменту. Оскільки в цьому випадку Uс- Uес4>0, то на 2-у такті кодування на виході К буде сформований 0, і стан 1 другого виходу РП збережеться. Далі Uес4=128 у.о. знімається і в стан 1 переводиться 3-й вихід РП (а3); внаслідок чого на вхід К замість Uес4 подається Uес6=512 у.о. В цьому випадку Uс-Uес6<0, тому в 3-у такті кодування на виході К буде сформований 1, яка змінить стан 3-го виходу РП з 1 на 0. Далі в стан 1 переводиться 4-й вихід РП (а4) і на вхід К замість Uес6=512 у.о. подається Uес5=256 у.о. В цьому випадку Uс-Uес5>0, тому в 4-у такті кодування на виході К буде сформований 0, і стан 4-го виходу РП збережеться.

Таким чином, після закінчення 2-го етапу кодування 2-й, 3-й і 4-й виходи РП будуть відповідно відзначені станом 101, що в двійковому коді визначає номер (нижню межу) сегменту, в межах якого знаходиться амплітуда кодованого відліку, а саме - сегмент №5 (с5).

Описаний алгоритм роботи кодеру на 1-у і 2-у етапах кодування можна представити у вигляді табл.3.2.

Таблиця 3.2.

№ такта коду	Uс-Uесi	Вихід К	Виходи РП				Uесi, у.о.
			а1	а2	а3	а4
0	-	-	1	0	0	0	Uесi=0
1	>0	0	1	1	0	0	Uес4=128
2	>0	0	1	1	1	0	Uес6=512
3	<0	1	1	1	0	1	Uес5=256
4	>0	0	1	1	0	1	Uес5=256

3-й етап кодування полягає у визначенні і кодуванні номера рівня квантування сегменту, в межах якого знаходиться амплітуда відліку Uс. Таких рівнів квантування в межах кожного сегменту 16, і всі вони можуть бути отримані за допомогою додаткових еталонних значень (табл.3.1). Число рівнів квантування сегменту дорівнює числу кроків квантування. При цьому крок квантування рівномірний, дорівнює _i і для кожного сегменту свій. 3-й етап здійснюється за чотири такти методом лінійного кодування. При кодуванні на додаток до основного еталона Uесi, визначаючи йому початок сегменту сi, підключаються додаткові еталони Uесi з терезами 8_i, 4_i, 2_i, _i (див. табл.3.1) і методом урівноваження визначається номер рівня квантування, в зоні якого знаходиться амплітуда відліку_. Для даного прикладу (коли Uс знаходиться в с4) використовуються додаткові еталони Uе1=128 у.о., Uе2=64 у.о., Uе3=32 у.о., Uе1=16 у.о., а 5 =16 у.о.

Алгоритм роботи кодеру на 3-у етапі кодування (для даного прикладу) представлений у вигляді таблиці 3.3.

Таблиця 3.3.

№ такта кодув	Uс-(Uес5+ Uеi)	Вихід К	Виходи РП				Uес5+ Uеi, у.о.
			а5	а6	а7	а8
0	-	-	1	0	0	0	Uес5+Uе1=256+128=384
1	<0	1	0	1	0	0	Uес5+Uе2=256+64=320
2	>0	0	0	1	1	0	Uес5+Uе2+Uе3=256+64+32=352
3	<0	1	0	1	0	1	Uес5+Uе2+Uе4=256+64+16=336
4	<0	1	0	1	0	0	Uес5+Uе2=256+64=320

Таким чином, після закінчення 3-го етапу кодування 5-й ... 8-й виходи РП будуть відповідно відзначені станом 0100, що в двійковому коді указує на 4-й рівень квантування, що знаходиться в 5-у сегменті.

Отже, відлік з амплітудою Uс = 326 у.о. закодований 8-розрядною кодовою комбінацією 11010100, вказуючи, що кодований відлік: має позитивну полярність; знаходиться в 5-у сегменті, в якому має 4-й рівень квантування (що відповідає 84-мy позитивному рівню квантування амплітудою характеристики кодеру, див. Рис.3.2.) і місць вагою. 320 у.о. Помилка квантування склала 6 у.о. Символи паралельного двійкового коду, записані в РП, переносяться і комірки перетворювача коду, з яких вони послідовно зчитуються.