Квантование мгновенных значений сигнала

Дискретизация сигнала во времени

В процессе формирования АИМ сигнала осуществляется дискретизация непрерывного (аналогового) сигнала во времени в соответствии с известной теоремой дискретизации (теоремой В.А.Котельникова): любой непрерывный сигнал, ограниченный по спектру верхней частотой F_В полностью определяется последовательностью своих дискретных отсчетов, взятых через промежуток времени T_д=1/2 F_В, называемый периодом дискретизации. В соответствии с им частота дискретизации, т.е. следования дискретных отсчетов, выбирается из условия F_Д³ 2F_В.

Поскольку все реально существующие непрерывные сигналы связи представляют собой случайные процессы с бесконечно широким спектром, причем основная энергия сосредоточена в относительно узкой полосе частот, перед дискретизацией необходимо с помощью фильтра нижних частот ограничить спектр сигнала некоторой частотой F_В. Для телефонных сигналов необходимо использовать ФНЧ с частотой среза F_В=3,4 кГц. Частота дискретизации для телефонных сигналов выбрана равной 8 кГц.

Устройство, выполняющие дискретизацию во времени, называют устройством выборки и хранения (УВХ) (Рис. 8.21). УВХ могут выпускаться в интегральном исполнении. Вид сигналов в точках 1, 2 и 3 УВХ показан, соответственно, на Рис. 8.22, Рис. 8.23 и Рис. 8.24.

Рис. 8.21. Устройство выборки и хранения

Рис. 8.22. Аналоговый сигнал

Рис. 8.23. Сигнал АИМ1

Рис. 8.24. Сигнал АИМ2

Квантование мгновенных значений сигнала

В процессе квантования по уровню значение каждого АИМ-отсчета заменяется ближайшим разрешенным значением.

Характеристиками квантующего устройства являются следующие:

• число уровней квантования N_КВ;
• шаг квантования d - разность между двумя соседними разрешенными уровнями;
• напряжение ограничения U_ОГР - максимальное значение амплитуды отсчета, подвергаемого квантованию.

Если d =const, то квантование называют равномерным. Амплитудная характеристика равномерного квантователя показана на Рис. 8.25.

Рис. 8.25. Амплитудная характеристика равномерного квантователя

Ошибка квантования - разность между истинным значением отсчета и его квантованным значением. При равномерном квантовании величина ошибки квантования не превышает половины шага квантования.

При квантовании возникает так называемый шум квантования, мощность которого определяется выражением P_Ш.КВ=d ²/12. Защищенность от шумов квантования определяется как
А_З.КВ=10lg(P_С/P_Ш.КВ).

Если входное напряжение выше порогового, на выходе квантователя формируются отсчеты с амплитудой U_ОГР - такой режим работы квантователя называется перегрузкой. При этом возникают шумы ограничения, мощность которых значительно превышает мощность шумов квантования. Необходимо применять специальные меры, предотвращающие перегрузку квантователя.

Недостатком равномерного квантования является меньшая защищенность от шумов квантования малых уровней сигнала.

Для обеспечения А_З.КВ не менее 30 дБ во всем динамическом диапазоне речевого сигнала требуется 2¹²=4096 уровней квантования.

Большое число разрядов в коде (m=12) при равномерном квантовании приводит к усложнению аппаратуры и неоправданному увеличению тактовой частоты. Устранить указанный существенный недостаток можно, осуществляя неравномерное квантование, которое используется в современных ЦСП. Сущность неравномерного квантования заключается в следующем. Для малых значений сигналов шаг квантования выбирается минимальным и постепенно увеличивается, достигая максимального для больших значений сигналов. Амплитудная характеристика неравномерного квантователя показана на Рис. 8.26.

Рис. 8.26. Амплитудная характеристика неравномерного квантователя

При этом для слабых сигналов Р_Ш.КВ уменьшается, а для сильных - возрастает, что приводит к увеличению А_З.КВ для слабых сигналов и снижению А_З.КВ - для сильных, которые имели большой запас по помехозащищенности. В результате удается снизить разрядность кода до m=8 (N_КВ=256), обеспечив при этом выполнение требований к защищенности от шумов квантования в широком динамическом диапазоне сигнала D_С, составляющем около 40 дБ. Таким образом происходит выравнивание А_З.КВ в широком диапазоне изменения уровней сигнала.

Эффект неравномерного квантования может быть получен с помощью сжатия динамического диапазона сигнала с последующим равномерным квантованием. Сжатие динамического диапазона сигнала осуществляется с помощью компрессора, обладающего нелинейной амплитудной характеристикой. Чем большей нелинейностью обладает компрессор, тем больший выигрыш может быть получен для слабых сигналов.

Для восстановления исходного динамического диапазона сигнала на приеме необходимо установить экспандер (расширитель), амплитудная характеристика которого должна быть обратной амплитудной характеристике компрессора. Таким образом, результирующая (суммарная) амплитудная характеристика цепи компрессор-экспандер (компандер), должна быть линейной во избежание нелинейных искажений передаваемых сигналов.

В современных ЦСП находят применение две логарифмические характеристики компандирования (типов А и m ), которые удобно изображать и описывать в нормированном виде у=f(х), где у = U_ВЫХ/U_ОГР, x = U_ВХ/U_ОГР:

где А=87,6 и m =255 - параметры компрессии.

Характеристика компандирования типа А используется в ЦСП, соответствующих европейской ПЦИ, а типа m - в ЦСП, соответствующих североамериканской ПЦИ.