3. Нелинейное кодирование и декодирование сигналов.

       В процессе кодирования амплитуда каждого квантованного по уровню отсчета АИМ-2 группового сигнала представляется в виде двоичной последовательности, содержащей m символов (m-разрядной кодовой комбинации). При декодировании происходит обратное преобразование сигналов.В современных ЦСП с ИКМ плезиохронной цифровой иерархии (PDH) применяются нелинейные кодирующие и декодирующие устройства (нелинейные “Кодер” и “Декодер”), обеспечивающие кодирование и декодирование сигналов АИМ-2 с неравномерной шкалой квантования при восьмиразрядном коде (m = 8). Причем “Кодеры” и “Декодеры” могут быть как групповыми устройствами, так и индивидуальными, то есть входящими в состав оборудования каждого канала. Последнее техническое решение реализовано в ЦСП последних пополнений и отражает уровень развития современной микросхемотехники и все возрастающую потребность сети связи в цифровых каналах с ИКМ. Для кодирования с неравномерной шкалой квантования могут использоваться два основных способа:

1. аналоговое компандирование, характеризующееся компрессией (сжатием) динамического диапазона сигнала перед линейным кодированием , и экспондированием (расширением) динамического диапазона сигнала после его линейного декодирования ;
2. нелинейное кодирование, характеризующееся кодированием сигнала в нелинейных кодерах, сочетающих функции аналого-цифрового преобразователя и компрессора и последующим декодированием в нелинейных декодерах.

       Аналоговое компондирование применялось в ЦСП с ИКМ на первом этапе их внедрения на сети связи и было обусловлено недостаточным уровнем развития цифровой схемотехники. Во всех современных ЦСП технологии PDH используются алгоритмы цифрового нелинейного кодирования.

3.1. Цифровые кодирующие и декодирующие устройства.

       В современных ЦСП с ИКМ используются цифровые кодирующие и декодирующие устройства, называемые нелинейными кодеками. Для удобства их реализации на основе цифровой микросхемотехники, целесообразно отказаться от непрерывной характеристики компрессии и заменить ее сегментированной характеристикой, представляющую собой кусочно-ломанную аппроксимацию плавной характеристики компрессии.

       На рис. 3.1 приведена непрерывная логарифмическая характеристика компандирования типа А (при А = 87,6) для положительных сигналов (для области отрицательных значений сигнала она имеет аналогичный вид). Характеристика приведена в нормированных единицах.

       На рис. 3.2 приведена сегментированная А-характеристика компрессии с тем же коэффициентом А = 87,6. В общем случае, число сегментов при аппароксимации может быть выбрано произвольно: чем больше сегментов, тем больше точность аппроксимации. Однако, учитывая двоичную форму обрабатываемых сигналов в системах с ИКМ, целесообразно выбрать число сегментов кратное двум. Требуемая точность аппроксимации, при таком подходе, достигается при общем количестве сегментов равном 8 (для однополярного сигнала).

Рис. 3.1. Логарифмическая характеристика компрессии типа А = 87,6

        Рис. 3.2. Сегментированная характеристика компрессии типа А = 87,6.

       В пределах каждого сегмента осуществляется линейное кодирование отсчетов аналогового сигнала, однако в каждом последующем сегменте шаг квантования увеличивается в 2 раза по сравнению с предыдущим (за исключением первых двух сегментов, в которых шаг квантования одинаков и равен  – минимальному шагу квантования). В целом, приведенный алгоритм кодирования позволяет реализовать нелинейную амплитудную характеристику квантования вида, приведенного на рис. 2.7 и обеспечить одинаковость зависимости защищенности от шумов квантования  при измерении величины кодируемого сигнала р_С от сегмента к сегменту (за исключением первых двух), как показано на рис. 3.3.

Рис. 3.3. Зависимость =f(р_С).

       При этом минимальное допустимое значение шумов квантования = 35 дБм выполняется в пределах каждого сегмента (за исключением первого). После попадания сигнала в зону ограничения (р_С > 0) защищенность резко падает за счет перезагрузки кодера.

       Формально общее число сегментов на полной характеристике (для отрицательных и положительных аналоговых отсчетов) составляет 16, однако четыре центральных сегмента (по два в положительной и отрицательной областях) фактически образуют один сегмент с одинаковым наклоном амплитудной характеристики и одинаковым шагом квантования равным , вследствие чего фактическое число сегментов равно 13. Поэтому такую характеристику называют характеристикой компрессии типа А = 87,6 / 13.

       Каждый из сегментов характеристики (см. рис. 3.2) содержит 16 шагов квантования, то есть в пределах каждого сегмента происходит 4-разрядное линейное кодирование: m = 4, 2 ^m = 16. При этом общее число шагов квантования равно 256 (по 128 для каждой полярности сигнала), а нумерация сегментов N_С осуществляется либо по американской системе индексации, либо по европейской, как показано в таблице 3.1.

Таблица 3.1 - Минимальный шаг квантования в пределах каждого сегмента.

       В таблице 3.1. приведены величины корректирующих (дополнительных) сигналов в пределах каждого сегмента, при помощи которых ошибка квантования не превысит половины минимального шага квантования в пределах сегмента.

       Рассмотрим процесс квантования и линейного кодирования отсчетов аналогового сигнала в пределах отдельно взятого сегмента, начиная с первого:

1-ый сегмент:

U_ЭТ1 = 2 ^{m – 1} = 8

U_ЭТ2 = 2 ^{m – 2} = 4

U_ЭТ3 = 2 ^{m – 3} = 2

U_ЭТ4 = 2 ^{m – 4} = 

       Таким образом в пределах первого сегмента амплитуда квантованного по уровню АИМ-2 сигнала может принимать 16 различных значений от 0 до 15. Введем понятие основного эталона U_{ЭТ ОСН} в пределах одного сегмента. Очевидно, что в пределах первого сегмента = 0.

2-ой сегмент:

U_ЭТ1 = 2 ^{m – 1} = 8

U_ЭТ2 = 2 ^{m – 2} = 4

U_ЭТ3 = 2 ^{m – 3} = 2

U_ЭТ4 = 2 ^{m – 4} = 

       Однако, в пределах второго сегмента амплитуда квантованного по уровню АИМ-2 сигнала может принимать те же 16 различных значений от 0 до 15, но начиная с величины равной 16. То есть, при кодировании во втором сегменте должен быть постоянно включен основной эталон = 16. В этом случае интервал квантования по уровню будет составлять величину: 16 + (0  15) = 16 31.

3 – 8-ой сегменты:

       Далее, учитывая то обстоятельство, что во всех последующих сегментах шаг квантования, а значит и основной эталон удваиваются, можно получить величины основных и дополнительных эталонов в пределах каждого сегмента, приведенные в таблице 3.2.

Таблица 3.2 - Таблица основных и дополнительных эталонов, шагов квантования.

       В общем случае, как видно из таблицы 5.2, для кодирования сигнала одной полярности необходимо сформировать 11 эталонных сигналов с номиналами: U_ЭТ i= 1, 2, 4, 8, 16, 32, 64, 128, 256, 512, 1024, где  – шаг квантования. При этом минимальная амплитуда квантованного сигнала с амплитудно-импульсной модуляцией будет равна: = 1 (в пределах 1-го сегмента), а максимальная: = 1024 + 15 * 64 = 1984 (в пределах 8-го сегмента).

       Для осуществления операции линейного кодирования в пределах сегмента, необходимо однозначно определить номер сегмента, в котором происходит кодирование величины амплитуды отсчета непрерывного сигнала и подключить в линейном кодере соответствующий набор основных и дополнительных эталонов.Процедура определения номера сегмента при реализации характеристики А = 87,3/13 происходит в 3 такта и заключается в последовательном двоичном делении всего возможного набора сегментов равного 8, на две равные половины по следующему алгоритму:

1-ый такт

       Амплитуда кодируемого отсчета может находиться либо в сегментах с 1 по 4 и это условие кодируется символом “0”, либо с 5 по 8 – кодируется символом “1”:

Далее процедура аналогично повторяется еще два раза.

2-ой так

т

3-ий такт

       Если начало границы сегмента кодирования выразить в соответствующих U_{ЭТ ОСН}, получим алгоритм выбора основных эталонов в пределах каждого сегмента при нелинейном кодировании, приведенный в таблице 3.3.

Таблица 3.3 - Алгоритм выбора основных эталонов при нелинейном кодировании.

       В таблице также приведено значение полной суммы всех дополнительных эталонов в пределах каждого сегмента U_С равное, как указывалось ранее, 15 минимальным шагам квантования в сегменте.Таким образом, вся процедура нелинейного кодирования при характеристике А = 87,6/13, осуществляется за 8 тактовых интервалов первичной ЦСП с ИКМ (в результате чего формируется 8-ми разрядная кодовая канальная комбинация) и включает в себя 3 основных этапа:

1-ый этап – определение и кодирование полярности входного сигнала, осуществляется за один такт – 1-ый такт ;

2-ой этап – определение и кодирование номера сегмента, в котором заключена амплитуда кодируемого отсчета, осуществляется за три такта – 2, 3, 4 такты;

3-ий этап – определение и линейное кодирование номера уровня в зоне которого находится амплитуда кодируемого отсчета, осуществляется за четыре такта – 5, 6, 7, 8 такты.

       Упрощенная структурная схема нелинейного кодера взвешивающего типа для двухполярного сигнала, реализующая приведенный выше алгоритм, приведена на рис. 3.4.

Рис. 3.4. Нелинейный кодер взвешивающего типа.

В состав схемы входят:

• К – компаратор, в котором происходит потактовое сравнение  с набором эталонных напряжений по алгоритму нелинейного кодирования;
• ГЭН₁ и ГЭН₂ – генераторы эталонных напряжений, вырабатывающие 11 эталонов с номиналами от 1 до 1024 отрицательной и положительной полярности соответственно;
• БКЭ – блок коммутации эталонов, при помощи которого происходит подключение или отключение основных и дополнительных эталонов соответствующих сегменту, в котором происходит кодирование амплитуды ;
• БВС – блок выбора сегмента, при помощи которого определяется основной эталон в сегменте и набор дополнительных эталонов согласно таблицам 5.3 и 5.2;
• ЦР – цифровой регистр, при помощи которого происходит потактовая реализация процедуры нелинейного кодирования и формируется 8-ми разрядная канальная кодовая комбинация в параллельном коде;
• ПК – преобразователь кода, осуществляющий преобразование сигнала в параллельном коде в последовательный во времени код.

       Кодовые канальные комбинации в составе группового ИКМ_ГР передаются по цифровому тракту и в приемной части противоположной оконечной станции преобразуются из ИКМ_ГР сигнала в сигнал АИМ-2_ГР при помощи нелинейного кодера взвешивающего типа.

       Структурная схема нелинейного декодера приведена на рис. 3.5, при этом функции блоков входящих в его схему полностью совпадают с их функциями в схеме кодера.

Рис. 3.5. Нелинейный декодер взвешивающего типа.

       Алгоритм работы нелинейных кодера и декодера поясним с помощью примера.

       Пусть нелинейному кодированию по закону А = 87,6/13 подвергается отсчет = 333, В. Кодирование осуществляется, как указывалось ранее, в течение 8 тактовых интервалов или за 8 тактов:

1-ый такт: определение полярности

 0;

       Выход К  1; Выход 1ЦР  1 – по этому сигналу подключается положительный ГЭН₂.

2-ой такт: определение номера сегмента (по алгоритму таблицы 3.3)

 128;

       Выход К  1; Выход 2ЦР  1

3-ий такт: определение номера сегмента

< 512;

       Выход К  0; Выход 3ЦР  0

4-ый такт: определение номера сегмента

 256;

       Выход К  1; Выход 4ЦР  1

       По кодовой комбинации, сформированной на 2, 3, 4 отводах ЦП при помощи БВС подключаются основной и дополнительный эталоны ко входу БКЭ. В рассматриваемом примере на 2, 3, 4-ой позициях канальной кодовой комбинации (отводы 2, 3, 4)фиксируются следующие символы: 101, что соответствует шестому номеру сегмента. При этом (см. таблицу 3.2): = 256;= 128; = 64; = 32; = 16.

       Далее в пределах выбранного сегмента осуществляется линейное кодирование (с учетом того, что постоянно включен основной эталон).

5-ый такт:  сравнивается с суммой (+)

333 < 256 + 128 = 384

       Выход К  0; Выход 5ЦР  0

       отключается

6-ой такт:  сравнивается с суммой (+)

333 256 + 64 = 320

       Выход К  1; Выход 6ЦР  1

       остается подключенным

7-ой такт:  сравнивается с суммой (++)

333 < 256 + 64 + 32 = 352

       Выход К  0; Выход 7ЦР  0

       отключается

8-ой такт:  сравнивается с суммой (++)

333 < 256 + 64 + 16 = 336

       Выход К  0; Выход 8ЦР  0

       отключается

       В результате кодирования на отводах ЦР формируется 8-ми разрядная канальная кодовая комбинация вида 11010100 в параллельном коде, соответствующая квантовому сигналу U_КВ = 320. В преобразователе кода (ПК) полученная кодовая комбинация преобразуется в последовательный во времени код, передается по цифровому линейному тракту. В приемной части оконечного оборудования полученная двоичная информация канального сигнала записывается в ЦР декодера при помощи управляющих импульсов с тактовой частотой системы передачи . После заполнения ЦР одной отдельно принятой кодовой канальной комбинацией, происходит ее считывание при помощи импульсов считывания U_СЧИТ, имеющих частоту следования         В соответствии со структурой цифрового двоичного канального сигнала при помощи БВС и БКЭ декодера происходит одновременное подключение основного U_{ЭТ ОСН} и дополнительных  эталонов соответствующего сегмента с отрицательной (ГЭН₁) или положительной полярностью (ГЭН₂) и , таким образом формируется амплитуда квантованного сигнала на приеме . В рассматриваемом примере = 320 и в точности соответствует сигналу на передаче.

       Однако, возникающая при этом ошибка квантования, превышает половину минимального шага квантования в данном сегменте:

       Минимальный шаг квантования  в 6-ом сегменте равен 16, что означает :

       Для того, чтобы ошибка квантования не превышала  , декодированный сигнал  корректируют, добавляя дополнительный корректирующий эталонный сиглан, равный:  формируя амплитуду квантового корректирующего отсчета:

       Ошибка квантования при этом не будет превышать половины минимального шага квантования в сегменте кодирования:  и для рассматриваемого примера составит:

       Приведенный выше алгоритм нелинейного кодирования и декодирования реализован во всех находящихся в эксплуатации в настоящее время телекоммуникационных системах PDH с ИКМ. Его применение, базирующееся на достижениях современной микросхемотехники, позволило создать высокоэффективные нелинейные кодеки (как групповые, так и индивидуальные), обладающие очень высокой степенью надежности, потребляющие минимум энергии и имеющие малые размеры.

назад | | вперёд