1.10 Принципи побудови нелінійних кодерів і декодерів

 

У сучасних ЦСП використовуються нелінійні кодери і декодери (кодеки), які забезпечують кодування і декодування сигналів 8-розрядним кодом на основі нерівномірної шкали квантування. Існує декілька варіантів реалізації нелінійних кодеків.

Перший з них передбачає аналогове компандування, що забезпечується компресією (стисненням) динамічного діапазону сигналу перед лінійним кодуванням і експандуванням (розширенням) динамічного діапазону сигналу після лінійного декодування.

Другий варіант передбачає виконання операцій квантування і кодування як однієї операції, тобто кодування сигналу в нелінійних кодерах, які поєднують функції аналого-цифрового перетворювача і компресора.

Третій варіант передбачає лінійне кодування сигналу з більшою розрядністю з послідовним перекодуванням (цифрове компандування), що забезпечує нелінійність з метою зменшення розрядності груп ІКМ сигналу, що формується.

Якщо функція компресії  для всіх варіантів побудови кодерів однакова, то сигнал на вході декодера, амплітудна характеристика якого обернена характеристиці  кодера,  матиме однакові якісні показники, у тому числі співвідношення сигнал/шум квантування.

На рис. 1.18 наведена схема, яка пояснює принцип аналогового компандування

 

 

Рисунок 1.18

 

Амплітудні характеристики аналогово компресора і експандера наведені на рис. 1.19.

 

 

Рисунок 1.19

 

Виконання оберненої пропорційності між коефіцієнтами передачі компресора і експандера, тобто , забезпечує лінійність наскрізної характеристики кодека. Такий варіант нелінійного кодека реалізований у ЦСП першого покоління (ЦСП ІКМ – 12). Схема компресора і експандера побудовані на діодах. Основний недолік таких кодеків – складно забезпечити співвідношення , тому що практично неможливо забезпечити незмінність  опорів  діодів,  що  підлягають  впливу температури, вологості та ін.

У сучасній апаратурі ЦСП для побудови кодеків використовують цифрові елементи. Найчастіше у ЦСП використовується другий варіант нелінійних кодеків – кодеки зваження.

Розглянемо принцип побудови нелінійних кодерів зваження. Схеми і принцип дії цих кодерів в основному такі ж самі, що й принцип дії лінійних кодерів. Найбільша відмінність у тому, що при зміні рівня сигналу від одного сегмента до іншого змінюється крок квантування, але в межах сегмента крок квантування залишається незмінним. Кодова комбінація, що формується на виході кодера з характеристикою типу А (А=87,6), має вигляд S ABC WXYZ, де S = 1 для  і S=0 для ; АВС – символи (значення розрядів) коду номера сегмента, WXYZ – символи коду номера рівня у сегменті. Наприклад, кодова група 10111101 відображує позитивний сигнал (дискрет), рівень якого знаходиться у третьому (011) сегменті і досягає у ньому тринадцятого рівня (1101). Основні параметри, які характеризують нелінійне кодування з використанням характеристики типу А=87,6/13, наведені у раніше розглянутій таблиці 1.2.

Спрощена схема нелінійного кодера зваження наведена на рис 1.20.

 

 

Рисунок 1.20

 

У склад кодера входять компаратор, формувачі еталонних сигналів (ФЕС-1 і ФЕС-2) для позитивних і негативних відліків, пристрій управління (ПУ). Для кодування сигналу однієї полярності кожний з ФЕС формує 11 еталонних сигналів, що відповідають нижній межі кожного з сегментів характеристики типу А і величині кроку квантування в кожному з сегментів:, , , , , , , , , , . Кодування здійснюється за 8 тактів, в кожному з яких формується зміст одного з розрядів кодової комбінації. Процес кодування поділяється на три етапи. На першому з них (такт 1) формується символ знакового розряду S (1 або 0). На другому етапі (такти 2,3,4) формується код номера сегмента (символи АВС). На третьому етапі (такти 5,6,7,8) формується код номера рівня у сегменті (символи WXYZ).

 Сигнал з виходу перетворювача АІМ-1 в АІМ-2 надходить на компаратор. На першому такті визначається знак відліку АІМ-2 сигналу, який кодується. Якщо відлік позитивний, то формується символ S=1 і до компаратора підключається ФЕС-1, якщо відлік негативний, то формується символ S=0 і підключається ФЕС-2.

Послідовність формування коду номера сегмента зображена на рис.1.21.

 

Рисунок 1.21

 

Для кодування номера сегмента (такти 2,3,4) у другому такті пристрій управління (ПУ) забезпечує подачу на компаратор з відповідного ФЕС еталонного сигналу, який відповідає нижній межі сегмента №4 (). Якщо , то приймається рішення про знаходження відліку в одному з чотирьох сегментів з номерами 4,5,6,7 (А=1). Якщо , то приймається рішення про знаходження відліку в одному з чотирьох сегментів з номерами 0,1,2,3 (А=0). Прийняте рішення (А=1 або А=0) по ланцюгу зворотного зв’язку подається до пристрою управління.

На третьому такті формується символ В коду сегмента. У залежності від значення А підключається  (якщо А=1), або  (якщо А=0). При  приймається рішення про те, що відлік сигналу потрапив в один з сегментів 6 або 7 (В=1). Якщо, то приймається рішення про те, що відлік сигналу потрапив в один з сегментів 0 або 1 (В=0). Сформоване рішення (В=1 або 0) по ланцюгу зворотного зв’язку подається до пристрою управління.

На четвертому такті формується останній, третій розряд (С) коду сегмента. У залежності від значення символів А і В (11, 10, 01, 00) підключається один з чотирьох еталонів  (значення А=1, В=1), або  (значення А=1, В=0),  або  (значення А=0, В=1), або  (значення А=0, В=0). За результатами порівняння рівня сигналу з відповідно підключеним еталоном приймається рішення про значення символа С, тобто визначається у кінцевому випадку значення символів номера сегмента А,В,С. Послідовність формування коду номера сегмента зображена на рис. 4.14.

Формування сигналів WXYZ в тактах 5,6,7,8 здійснюється у межах кожного з сегментів, в який потрапив відлік сигналу. Оскільки в межах кожного з сегментів здійснюється лінійне квантування, то процес формування номера рівня сигналу виконується за алгоритмом кодування сигналу лінійним кодером порозрядного зваження Послідовність формування сигналів WXYZ у будь якому і-му сегменті наведена на рис. 1.22.

 

 

Рисунок 1.22

.

Розглянемо приклад. Приймемо, що на вхід кодера надійшов відлік сигналу . Оскільки , рівень  знаходиться у шостому сегменті (512<608<1024) і після чотирьох тактів символи SАВС мають значення 1110. До компаратора підключається еталонний сигнал, що дорівнює нижній межі сегмента №6 (). На п’ятому такті до  додається половинний рівень шостого сегмента ( ) і за результатами порівняння  з сумою ·(512+256) =  формується значення символу W. Тому що <  формується символ W=0,  відключається від компаратора. На шостому такті до  додається еталон чергового розряду , що має значення . Оскільки < 512+128= , значення символу X=0, еталон  відключається. На сьомому такті до  додається еталон чергового розряду Y. Його значення  . Оскільки >=+=, то формується символ Y=1, еталон  залишається підключеним до компаратора. На восьмому такті до еталонів + додається еталон останнього, восьмого, розряду зі значенням . Оскільки = =++=, то формується символ Z=1 і процес кодування відліку закінчується. Таким чином, на виході кодера формується кодова комбінація 1110011.

Слід зазначити, що до моменту завершення процесу кодування будь-якого відліку підключеними залишаються не більше п’яти еталонів, один з яких відповідає нижній межі сегменту і не більш чотирьох, що відповідають еталонним сигналам в межах відповідного сегмента.

Нелінійний декодер зваження призначений для перетворення 8-розрядних кодових груп прийнятого ІКМ сигналу в АІМ сигнал. Амплітудна характеристика декодера визначається як зворотна відносно характеристики кодера.

Нелінійне декодування передбачає експандування прийнятого ІКМ сигналу шляхом перетворення 7-розрядного коду (без обліку знакового) у 11-розрядний (точніше у 12-розрядний з урахуванням того, що при декодуванні додається корегуючий сигнал  ). Перші три розряди 7-розрядного коду перетворюються у сигнал управління ФЕС, що формує основний еталонний сигнал, величина якого відображує нижчий рівень відповідного сегмента. Значення розрядів Р5, Р6, Р7, Р8 використовуються для управління вибором відповідних еталонів, що відображують рівень сигналу у вибраному сегменті. Однополярний сигнал, що відновлений, у залежності від знакового розряду інвертується або передається без зміни полярності на вихід декодера.

Структурна схема нелінійного декодера зваження, варіант якого використовується у системі ІКМ-30, наведений на рис. 1.23.

У склад декодера входять перетворювач послідовного коду у паралельний, регістр пам’яті з логікою управління, цифровий експандер, логіка вибору ФЕС, формувач еталонних сигналів ФЕС-А і ФЕС-В, диференціальний підсилювач.

На вхід декодера послідовно надходять символи 8-розрядних груп і після перетворення у паралельний код передаються до регістра пам’яті. Цей регістр забезпечує збереження інформації на час декодування. Після декодування чергової 8-розрядної групи ІКМ сигналу зміст регістра скидається.

 

 

Рисунок 1.23

 

Перший розряд (Рі) регістра пам’яті сумісно з логікою вибору ФЕС визначає вибір одного з ФЕС – ФЕС-А (Р'₁ = 0), або ФЕС –В (Р'₁ = 1). Вихідні сигнали регістра пам’яті Р'₂, ..., Р'₈  перетворюються у цифровому експандері і логіці вибору ФЕС у сигнали управління розрядами формувачів еталонних сигналів. Вихідний однополярний сигнал ФЕС-А інвертується диференціальним підсилювачем, а вихідний сигнал ФЕС-В передається підсилювачем без інверсії, тому на виході декодера формується двополярний сигнал АІМ-2.

На рис. 1.24,а і рис. 1.24,б наведені відповідно функціональна і еквівалентна схеми формувача еталонних сигналів, що побудований на базі розподільника напруги. Опір і-го резистора розподільника відповідає співвідношенню . За допомогою ключів (Кл_i) резистори підключаються або послідовно до резистора навантаження , або параллельно до нього.

 

а)

 

б)

Рисунок 1.24

 

У залежності від положення ключів одна група паралельно з’єднаних резисторів  послідовно включена з резистором навантаження , а друга група паралельно з’єднаних резисторів  підключена паралельно з . Тому вихідна напруга (U_вих) визначається співвідношенням:

 

   .

 

Після перетворень маємо:

 .

 

У цьому співвідношенні  .

 

Оскільки , то ,  де

 у залежності від положення ключів Клі дорівнює 0 або 1. З урахуванням вищенаведеного маємо:

 

.

У цьому співвідношенні

,      а .

 

Недоліком розглянутої схеми ФЕС є складність реалізації ключів, опір яких значно менший за  (). У попередніх розрахунках передбачалася справедливість такого співвідношення.

На практиці (наприклад, у ЦСП ІКМ-30) для зниження вимог до ключів використовується схема з резисторними матрицями  струмів (рис.1.25).

 

Uвих

 

Рисунок 1.25

 

Вихідна напруга такого ФЕС    І_ет.

 

У такій схемі опір ключів слабко впливає на  і реалізувати їх простіше. Як генератор струму І_ет можна використовувати транзистор, включений за схемою з загальним емітером або загальною базою (в ІКМ-30), а управління цим транзистором можна забезпечити за допомогою логічних ключів.