Неравномерно квантуване
За изравняване на относителната грешка на квантуване при промяна на средната мощност на сигнала на абоната в широк диапазон и съответно намаляване на броя на стъпките на квантуване се използва неравномерно (нелинейно) квантуване.
При неравномерно квантуване стъпката на квантуване се променя в рамките на допустимите граници на амплитудните стойности на квантуваните сигнали в съответствие с Фигура 2.21, а, нараства с увеличаване на нивото на сигнала. Абсолютната грешка на квантуване се увеличава с увеличаване на нивото на сигнала и нейната относителна стойност, т.е. съотношението сигнал-грешка на квантуване, не се променя.
Използването на неравномерно квантуване позволява да се изравни съотношението грешка на сигнал-квантуване в целия диапазон от средни мощности на входните абонатни сигнали и следователно да се намали броят на стъпките на квантуване 2–4 пъти в сравнение с равномерното квантуване до Mkv от 128 до 256, което изисква седем до осем бита от кодовата група.
Неравномерната (нелинейна) амплитудна характеристика на квантуващо устройство може да бъде реализирана по няколко начина:
- компресиране на динамичния обхват на входните сигнали преди кодиране с компресори и последващото му разширяване след декодиране с разширители (аналогово компандиране);
- нелинейно кодиране и декодиране.
Фигура 2.22 показва амплитудната характеристика на динамичния обхват компресор-компресор (крива 1) и показанията на амплитудата на груповия сигнал, идващ към него. При равномерна стъпка на квантуване на сигнала без компресия максималната грешка на квантуване за слаб сигнал (проба 1) е 1/4 от амплитудата на пробата, а за силна (проба 2) - 1/14.
На изхода на компресора съотношенията на амплитудата на сигналите се променят (динамичният диапазон намалява). Многоамплитудата на малките сигнали се увеличава, а амплитудата на големите сигнали се променя малко.
Използването на компресор пред енкодери с еднакви характеристики на квантуване ви позволява да получите неравномерно квантуване. За възстановяване на първоначалния динамичен диапазон на сигнала в приемащата страна се използва разширител, чиято амплитудна характеристика (крива 2) е обратна на тази на компресора. Общата амплитудна характеристика на веригата компресор-разширител (крива 3) трябва да бъде линейна.
Недостатъкът на аналоговото компандиране е, че е много трудно да се получат с голяма точност реципрочните амплитудни характеристики на компресора и разширителя, в резултат на което нелинейността на общата амплитудна характеристика води до нелинейно изкривяване на предаваните сигнали.
6 Претеглящ тип линеен енкодер за биполярен сигнал.
Преди това процесът на кодиране се разглеждаше с помощта на най-простия естествен двоичен код. Такъв код се използва при кодиране на еднополярни AIM сигнали, получени чрез дискретизация на еднополярни аналогови сигнали, сигнали с постоянен компонент (телевизия, предаване на данни).
Телефонните сигнали, сигналите за аудио излъчване са биполярни. Когато се дискретизират, се получава последователност от биполярни импулси (Фигура 2.23). За кодиране на биполярни импулси се използва симетричен двоичен код. В симетричен двоичен код 1 или 0 в най-значимия бит определя полярността на кодирания импулс (1 е положителен сигнал, 0 е отрицателен). Кодовата група след най-значимия бит определя броя на стъпките на квантуване в положителната или отрицателната област на сигнала.
Например кодова група 1101101 дефинира положителен импулс със стойност от 45 стъпки на квантуване,а кодовата група 0101101 е отрицателен импулс със същата величина.
Предимството на естествените и симетричните двоични кодове е възможността за тяхното внедряване с помощта на прости енкодери, а недостатъкът е относително ниската устойчивост на шум, тъй като при различни тегла на битовете загубата на един импулс с голямо тегло води до големи изкривявания на сигнала.
Енкодер с линейна скала на квантуване се нарича линеен енкодер, а енкодер с нелинеен се нарича нелинеен. Подобно определение важи и за декодери. В цифровите съвместни предприятия с PCM се използват енкодери и декодери (кодеци) с нелинейна скала, но те са изградени на базата на кодеци с линейна скала на квантуване.
Според принципа на работа енкодерите се разделят на три основни групи: броещ тип, теглилен тип и матрични.
Най-простото двоично кодиране се извършва в енкодери с тегловен тип. Принципът на работа на такива енкодери е да балансират кодираните проби с еталонни токове или просто със стандарти с определени тегла (стойности).
В този случай кодирането може да бъде представено като процес на стъпка по стъпка претегляне върху везна, оборудвана с индикатори „повече - по-малко“. На едната везна се поставя кодирано показание, а на другата последователно се инсталират стандарти (тегла), като се започне от стандарта с най-голямо тегло. На всеки от етапите (циклите) на претегляне според индикатора „повече - по-малко“ се взема подходящо решение: ако броят е по-голям от стандарта, тогава последният се оставя на скалата и се добавя следващото по-малко тегло. В противен случай първият стандарт се премахва и се инсталира стандарт с по-малко тегло. Очевидно в края на претеглянето показанието ще бъде балансирано по стандарти, чиято сума до стандарта на най-малкото тегло ще бъде равна на теглото на показанието.
Стойността на стандарта на най-малкитетегло и ще бъде максималната възможна грешка при квантуване. Ако се запише резултатът от всеки от етапите на претегляне, като се маркира оставянето на еталона на везната с единица, а отстраняването му с нула, то след претеглянето ще получим запис на "теглото" на показанието в двоичен код.
Процесът на декодиране (възстановяване на предадената амплитуда на четене) в този случай може да бъде представен като сумиране на стандартите на "тегла" със стойностите на теглото на тези битове, където има единици в кодовата комбинация.
При кодиране на биполярни сигнали (Фигура 2.26), енкодерът съдържа GET, който генерира референтни токове за кодиране както на положителните, така и на отрицателните стойности на амплитудата на четене. Ако трябва да кодирате 128 положителни и 128 отрицателни нива, ще ви трябва 8-битова кодова дума, като първият бит кодира полярността на сигнала.