Аналого-цифровое преобразование сигнала
Цель работы
1.1 Ознакомится с принципами кодирования в АЦП. Исследовать работу кодера кодека с нелинейной характеристикой квантования.
1.2Получение навыков работы с использованием обучающей программы на ПК.
Домашнее задание
2.1 Изучите: принцип кодирования в АЦП и принцип работы кодека с нелинейной характеристикой квантования. (Л1, стр.41-52, Л2 стр.65-69).
2.2 Методическое пособие данной работы.
2.3 Подготовьте бланк отчета.
Содержание отчета
Отчет должен содержать титульный лист установленной формы, цель работы, рис.5.5, 5.6, 5.7, таблицы 6.1, 6.2 с результатами исследования и диаграммами, вывод по работе.
Вопросы допуска к выполнению работы
4.1 Что понимаете под терминами «код», «основание кода», «разрядность кода»?
4.2 Какие разновидности двоичных кодов знаете?
4.3 В АЦП какие три операции выполняются?
Теоретические сведении
Аналого-цифровое преобразование сигнала
Аналого-цифровое преобразование сигнала является важной составляющей цифровых телекоммуникационных систем, которое обычно завершается кодированием. На рис.5.1, представлено аналого-цифровое преобразование сигнала.
Аналоговый АИМ аналоговый АИМ квантованный ИКМ цифровой сигнал сигнал (цифровой) сигнал сигнал
Рис.5.1. Аналого-цифровое преобразование сигнала
В теории электрической связи существует два понятия кодирования – в широком и узком смысле.
В широком смысле кодирование понимается, в процессе квантования округленные значения аналогового сигнала в выбранные тактовые моменты времени представляются числами – номерами соответствующих уровней квантования.
В цифровых телекоммуникационных системах (ЦТС) кодирование в узком смысле понимается как переход от кода с высоким основанием к коду с низким основанием, т.е. мгновенные значения, которые могут принимать достаточно много разрешенных значений (например, 256), заменяются комбинациями импульсов (кодовыми группами, состоящими, например из 8 импульсов), которые имеют мало разрешенных значений (минимум два). 5.2 Разновидности двоичных кодов
Аналого-цифровое преобразование завершается операцией кодирования. Для кодирования обычно используют равномерные двоичные коды, в которых число кодовых символов или разрядов кодовых комбинаций равно m, а каждый символ может принимать значение 0 или 1. (применяются равномерные коды: натуральный, симметричный и рефлексный).
При натуральном двоичном кодировании структура кодовой группы определяется номером шага квантования Nкв, записанным в двоичной системе счисления в виде
m
полинома Nкв= ∑ ai 2m-i , где ai – кодовый символ i-того разряда 0 или 1;
i=1 2m-i –вес i-того разряда
В качестве примера на рис.5.2 приведена кодовая таблица для натурального двоичного четырехразрядного кода и натурального симметричного.
Недостаток натурального двоичного кода состоит в том, что кодовые группы, соответствующие соседним шагам квантования могут различаться во многих разрядах кода (если при кодировании на седьмом шаге мгновенное значение выросло до восьмого, то вместо кодовой группы 0111 будет передана группа 0000, что соответствует передаче 0-го уровня).
Рис.5.2. Разновидности двоичного кода
а- натурального, б- натурального симметричного
Биполярным сигналам (речевым), свойственна максимальная плотность вероятности малых мгновенных значений. Для таких сигналов разряды кодовых групп соседних уровней в центре амплитудной характеристики квантования должны отличатся в минимальном числе разрядов. С этой целью применяют натуральный симметричный двоичный код (рис.5.2 б). При кодировании симметричным кодом символ первого разряда определяется знаком отсчета , а символы остальных разрядов - абсолютным значением отсчета , выраженным двоичным кодом.
Для кодирования широкополосных телевизионных сигналов используют рефлексивный двоичный код (код Грея), в котором кодовые группы любых соседних уровне квантования отличаются лишь в одном разряде (рис.5.3).
На приемном конце принятые кодовые группы декодируются, т.е. восстанавливаются мгновенные значения передаваемого сигнала. Затем последовательность импульсов демодулируется с помощью ФНЧ.
Рис.5.3. Рефлексивный код
5.3 Неравномерное квантование.
Для выравнивания относительной ошибки квантования применяют неравномерное (нелинейное) квантование. При неравномерном квантовании шаг квантования изменяется в допустимых пределах амплитудных значений квантуемых сигналов (рис. 3.20 а), возрастая с увеличением уровня сигнала (отсчет 1), но отношение сигнал-ошибка квантования не изменяется. Использование неравномерного квантования позволяет выровнять отношение сигнал-ошибка квантования и сократить число шагов квантования по сравнению с равномерным квантованием, что приведет к уменьшению разрядов кодовой группы (до семи-восьми разрядов).
Неравномерная (нелинейная) амплитудная характеристика (рис. 5.4 б) квантующего устройства может реализована разными способами, одним из которых является сжатие динамического диапазона входных сигналов перед кодированием с последующим его расширением после декодирования.
Неравномерная (нелинейная) амплитудная характеристика (рис. 5.4 а) квантующего устройства может быть реализована разными способами, одним из которых является сжатие динамического диапазона входных сигналов перед кодированием с последующим его расширением после декодирования.
Рис. 5.4 Неравномерное квантование: а - амплитудная характеристика квантующего устройства; б – ошибки квантования.
Кодек
Для обеспечения одинаковой защищенности от помех квантования во всем динамическом диапазоне сигнала следует применять нелинейное квантование. Рассмотрим схему кодера с нелинейным квантованием приведенную на рис. 5.5.
Рис. 5.5 Структурная схема кодера с нелинейным квантованием
Кодер с нелинейной характеристикой квантования от кодера с линейной характеристикой квантования отличается устройством узлов ИЭТ и УЛ. При поступлении на вход кодера импульса АИМ-2, соответствующего данному мгновенному значению сигнала, вначале определяется его знак и в соответствии с этим формируется первый разряд (Р) кодовой комбинации. Затем в течении следующих трех тактов формируются разряды кода номера сегмента(ХYZ). Алгоритм формирования кода номера сегмента показан на рис.5.6. При формировании разряда Х значение сигнала сравнивается с эталоном 128δ0 Если значение больше эталона, формируется 1 и осуществляется переход к эталону 512δ0. Если же меньше, то формируется ) и осуществляется переход к эталону 32δ0.. Аналогичные операции осуществляются при формировании разрядов Y и Z.
В результате чего формируется трехразрядный код сегмента (коды показаны в нижнем ряду рисунка).
Рис. 5.6 Алгоритм формирования кода сегмента
На рис.5.7 показана структурная схема декодера с нелинейной характеристикой, от декодера с линейной характеристикой он отличается более сложными узлами источника эталонных токов (ИЭТ) и управления логикой (УЛ), который работает следующим образом. Вначале определяется его знак и в соответствии с этим формируется первый разряд (Р) кодовой комбинации, затем подключается эталонное напряжение, 
Рис.5.7 Структурная схема декодера кодека с нелинейным квантованием
соответствующего знака и анализируются разряды XYZ, определяющие номер сегмента (рис5.6)
6. Порядок выполнения работы №14 «Исследование работы кодера кодека с нелинейным квантованием».
6.1 Включите ПК, Мой компьютер, Мультимедиа (D), Лабораторные работы, Теория электросвязи, codern,bat затем Enter (должна открыться страница исследуемой схемы).
6.2 Введите с клавиатуры АИМ-сигнал с амплитудой 4, указанный в таблице 6.1. Схема определит знак кодовой группы. Запишите его в таблицу 6.1.
Таблица 6.1 Результаты выполнения работы №14.
| № п/п | Амплитуда АИМ-сигнала | Знак кодовой группы | Кодовая группа | Диаграмма ИКМ |
  | ||||
| -8 |  |
6.3 Нажмите по указанию компьютера любую клавишу (напр. пробел), будет определятся кодовая группа с весовыми разрядами: 64,32, …., 1. После завершения работы кодера на его выходе (Вых. ИКМ) определится кодовая группа, запишите её в таблицу 6.1 и зарисуйте диаграмму ИКМ.
6.4 Аналогично проделайте для АИМ-сигнала (-8).
6.5 Для выхода из программы нажмите Esc.
В отчет напишите вывод по работе.
6. Порядок выполнения работы №15 «Исследование работы декодера кодека с нелинейным квантованием».
6.1 Включите ПК, Мой компьютер, Мультимедиа (D), Лабораторные работы, Теория электросвязи, dеcodern,bat затем Enter (должна открыться страница исследуемой схемы).
6.2 Введите с клавиатуры знак кодовой группы и кодовую группу из таблицы 6.2.
Внимание!На схеме декодерацифра 8 - младший разряд кодовой группы, цифра 2 –старший разряд кодовой группы, цифра 1 - знаковый разряд кодовой группы.
6.3 Для продолжения нажмите пробел, определится знаковый разряд, запишите его в таблицу 6.2.
Таблица 6.2 Результаты выполнения работы №15.
| № п/п | Знак кодовой группы | Кодовая группа | Значение сигнала АИМ-2 |
  | |||
  |
6.4 Нажмите пробел запишите кодовую группу и зарисуйте сигнал АИМ-2 на выходе декодера.
6.5Аналогично проделайте для АИМ-сигнала (-7).
6.6 Для выхода из программы нажмите Esc.
Контрольные вопросы
7.1 Какой сигнал называют аналоговым?
7.2 Какая операция выполняется при формировании АИМ-сигнала?
7.3 Какая операция выполняется при формировании КАИМ-сигнала?
7.4 Что понимают под декодированием в теории электрической связи?
7.5 Какое преобразованиие называют декодированием?
7.6 По схеме нелинейного кодера поясните его работу.
7.7 По схеме нелинейного декодера поясните его работу.
Литература
1. Телекоммуникационные системы и сети: Учебное пособие. В 3 томах. Том 1 – Современные технологии /Б.И. Крук, В.Н. Попантонопуло, В.П. Шувалов; под ред. Профессора В.П. Шувалова. – Изд. 3-е, испр. и доп. – М.: Горячая линия – Телеком, 2005. – 647 с.: ил.
ISBN 5-93517- 088-4.
2. Гордиенко В.Н. Тверецкий М.С. Многоканальные телекоммуникационные системы. Учебник для вузов. – М.: Горячая линия – Телеком, 2005. – 416 с.: ил.
ISBN 5-93517- 219-4.