Волоконно оптическая линия связи

О.С. А
ВХОД
О.С. В
Строб. К
d d
d
d
УК7 УК0
d2 - d4
СИГНАЛ КОДЕРА
Рис. 9.
в УО
6. ОПИСАНИЕ ПРИНЦИПОВ КОДИРОВАНИЯ И
ОБОСНОВАНИЕ СТРУКТУРНОЙ СХЕМЫ КОДЕРА
6.1ОБЩИЕ ПРИНЦИПЫ ИКМ И ПРОЦЕСС КОДИРОВАНИЯ В
НЕЛИНЕЙНЫХ КОДЕРАХ.
В цифровых системах передачи аналоговые сигналы преобразуются
с помощью аналого-цифровых преобразователей ( АЦП ) в цифровую
последовательность импульсов двоичного кода. На приемном конце для
воспроизведения исходных сигналов производится обратное цифро-
аналоговое преобразование ( ЦАП ). Передача сигналов в цифровом виде
определяет высокую помехоустойчивость цифровых систем передачи.
Преобразование в цифровой вид может быть обеспечено импульсно -
кодовой модуляцией ( ИКМ ), дельта - модуляцией ( ДМ ) и их
модификациями. При ИКМ кодовыми группами двоичного кода
кодируются отсчетные значения аналогового сигнала. В соответствии
с этим ИКМ осуществляется в следующем порядке: дискретизация
аналогового сигнала во времени, квантование по уровню отсчетных
значений сигнала и их кодирование. Квантование и кодирование
осуществляется в одном функциональном узле, называемом кодером.
Временная дискретизация представляет собой амплитудную
модуляцию импульсной последовательности входным аналоговым
сигналом. Различают амплитудно- импульсную модуляцию первого (
АИМ-1 ) и второго ( АИМ-2 ) родов. При АИМ-1 амплитуда импульсов (
отсчетов ), следующих с частотой дискретизации fд, изменяется в
соответствии с изменением входного сигнала. При АИМ-2 амплитуда
каждого отсчета равна значению входного сигнала в момент отсчета
(рис. 5)
Для изменения погрешности амплитудного квантования значения
отсчета в процессе квантования должно оставаться постоянным.
Поэтому при импульсно - кодовой модуляции используется АИМ-2.
f(t) f(t)
АИМ-1 t АИМ-2 t
рис. 5. Сигналы АИМ-1 и АИМ-2.
Для восстановления исходного сигнала из последовательности от-
счетов их нужно пропустить через фильтр нижних частот среза, соот-
ветствующей fв. Исходный сигнал будет выделен из последовательности
отсчетов, если боковые полосы не накладываются друг на друга. Для
этого нужно, чтобы было выполнено условие:
fд ? 2fв ( 6.1 )
Это условие соответствует теореме Котельникова-Шеннона:
Непрерывный сигнал, ограниченный по спектру частотой fв, может быть
восстановлен без искажений из последовательности дискретных отсчетов
этого сигнала, если частота дискретизации fд по крайней мере в 2 раза
выше наибольшей частоты fв, содержащейся в спектре исходного сигна-
ла. Исходный аналоговый сигнал не имеет четкой верхней граничной
частоты, поэтому перед дискретизацией производится ограничение спек-
тра исходного сигнала.
В настоящем проекте в аппаратуре ИКМ - 120, предназначенной
для организации каналов ТЧ, частота fв равна 3400 Гц. Тогда обраща-
ясь к выше описанному по теореме Котельникова частота дискретиза-
ции 6800Гц
Для упрощения фильтров ограничивающих спектр fд берется больше
чем 2fв. Для канала ТЧ по МККТТ значение fд берется 8000 Гц.
Квантование сигнала с линейной шкалой характеристики не позво-
ляет , получить высокое качество передачи сигнала с малой амплитудой.
Поэтому в системах с ИКМ - ВРК квантование с линейной шкалой не
применяется.
В системах ИКМ - ВРК вместо плавной амплитудной характеристи-
ки, которую имеют аналоговые компандеры , применяют сегментные ха-
рактеристики. Они представляют собой кусочно-ломанную
опроксимацию плавных характеристик, при которой изменение крутизны
происходит дискретными ступенями. Наибольшее распространение
получила сегментная характеристика компандирования типа А-87,6 / 13,
где аппроксимация логарифмической характеристики производится по
так называемому А- закону:
? (А | Iвх / Imax |) / (1+LnА) при | Iвх / Imax | ? 1/А
Iвых / Imax ?
? (1+Ln(A | Iвх / Imax |)) / (1+LnA) при 1/А ? |Iвх/Imax| ? 1
(6.2)
Здесь А- коэффициент компрессии, равный 87,6 , а сама характеристика
строится из 13 сегментов ( рис.6 ). Эта характеристика содержит в по-
ложительной области сегменты С1,С2,С3…,С8, находящиеся между точ-
ками
0-1,1-2,2-3,…,7-8.
Аналогичным образом строится характеристика для отрицательной
области значений входного сигнала. Четыре центральных сегмента (два
в положительной и два в отрицательных областях) объединяются в
один центральный сегмент, поэтому общее число сегментов на двухпо-
лярной характеристике равно 13. Каждый из 16 сегментов характери-
стики содержит по 16 шагов (уровней) квантования, а общее число
уровней равно 256, из них 128 положительных и 128 отрицательных.
Iвых / Imax
928 ( 2048?)
C8
112 7(1024?)
C7
96 6(512?)
89 С6
80 5(256?)
С5
64 4(128?)
С4
48 3(64?)
С3
32 2(32?)
С2
16 1(16?)
С1
0,125 Im 0,25 0,5
1 Iвх
0,062 Imax
0,031
0,016
0,008
Рис. 6. Характеристика типа А-87,6 / 13
Каждый сегмент, начиная с определенного эталона, называемого
основным (рис.6). Шаг квантования внутри каждого сегмента равно-
мерный, а при переходе от одного к другому сегменту изменяется в 2
раза, начиная с центрального сегмента, куда входят С1 иС2. Значения
основных и дополнительных эталонов, шагов квантования даны в
табл. ( 1 ).
Таблица 1.
1 000 ? 8 4 2 1 1 0,5
2 001 16 8 4 2 1 1 0,5
3 010 32 16 8 4 2 2 1
4 011 64 32 16 8 4 4 2
5 100 128 64 32 16 8 8 4
6 101 256 128 64 32 16 16 8
7 110 512 256 128 64 32 32 16
8 111 1024 512 256 128 64 64 32
Все эталонные значения в табл.( 1 ) даны у.е. по отношению к значению
минимального шага квантования. Сочетание дополнительных эталонов
получает получить любой из 16 уровней квантования в данном сег-
менте. При изменении шага квантования изменяется крутизна характе-
ристики. Четыре центральных сегмента имеют одинаковую крутизну и
равные шаги квантования. При таком построении характеристики мини-
мальный шаг квантования ?min имеют сегменты С1 и С2 а ?max -
сегмент C8 причем отношение ?max / ?min составляет 2 или 64. Это
значение примерно характеризует параметр сжатия для сегментной ха-
рактеристики компандирования, или параметр А. Точное значение этого
параметра для непрерывной характеристики типа А определяется из
выражения:
А(1+LnА)=2 c - (1/nс) ( 6.2 )
и при числе сегментов nс=8 значение А=87,6
Кодирование
Телефонные сигналы, при их дискретизации получают последователь-
ность разнополярных импульсов. Для кодирования разнополярных им-
пульсов используют симметричный двоичный код рис.(7).
4
3
2
1
0
-1
-2
-3
-4
рис. 6. ИКМ при симметричном коде
Достоинством симметричного двоичного кода является
возможность его реализации с помощью простых кодеров, а
недостатком - сравнительно низкая помехозащищенность, так как при
различном весе разрядов пропадание полного импульса с большим
весом приводит к большим искажениям.
Удобным графическим изображением кодов являются кодовые табли-
цы, характеризующие связь между числом уровней квантования и соот-
ветствующими кодовыми комбинациями рис.(6). Каждая строка табл.(1)
определяет вид кодовой комбинации, соответствующей числу шагов
квантования и полярности импульса квантованного АИМ сигнала.
-6
-5
-4
-3
-2
-1
0
+0
+1
+2
+3
+4
+5
+6
рис. 6. Кодовая таблица симметричного двоичного кода.
Заштрихованная клетка соответствует 1 в данном разряде, не заштрихо-
ванная - 0.
Двоичные коды по времени их появления разделяют на параллельные,
если сигналы кодовой группы появляются одновременно, и последова-
тельные, если сигналы кодовой группы появляются последовательно во
времени, разряд за разрядом.
6.2 ОСОБЕННОСТИ ЭТАПОВ КОДИРОВАНИЯ ПРИ НЕЛИНЕЙ-
НОЙ ХАРАКТЕРИСТИКИ КВАНТОВАНИЯ.
В случае сегментной характеристики компрессии типа А-
87,6
для кодирования абсолютных величин отсчетов необходимо 11 эталонов
с условными весами 2 ,2 ,2 ,…,2 у.е., или 1,2,4,…,1024 у.е. При не-
линейном кодировании для обеспечения защищенности Акв ? 25 дБ тре-
буется 128 положительных и 128 отрицательных уровней, а кодовая
группа 8 - разрядная.
Кодирование осуществляется за восемь тактов и включает три ос-
новных этапа: 1 - определение и кодирование полярности входного сиг-
нала, 2 - определение и кодирование номера сегмента узла, в котором
заключен кодируемый отсчет, 3 - определение и кодирование номера
уровня квантования сегмента, в зоне которого заключена амплитуда ко-
дируемого отсчета. Первый этап осуществляется за 1-й такт, второй
этап за
2…4-й такты, третий этап за 5…8-й такты кодирования.
На первом этапе определяется знак разности между амплитудами
токов кодируемого сигнала ( отсчета ) Iс и суммой эталонных токов Iэт,
Iс - Iэт. Если в момент такта кодирования эта разность положительная,
т.е. Iс > Iэт то на выходе компаратора формируется 0( пробел ), в про-
тивном случае т.е. при Ic < Iэт формируется 1( импульс ).
На втором этапе определяется и кодируется узел характеристики,
определяющей начало сегмента, в котором находится амплитуда коди-
руемого отсчета ( 0-если в С1 и т.д. ). Для этого выбирается алгоритм
работы, обеспечивающий определение узла характеристики за три такта
кодирования. В первом такте кодирования амплитуда отсчета Iс сравни-
вается с Iэт4. Если Ic > Iэт4, это означает нахождения Iс в 5-8-м сег-
ментах характеристики, и вместо тока Iэт4 включается Iэт6. Если при
Ic < Iэт4
это означает, что Iс в 1…4-м сегментах, и вместо Iэт4 включается Iэт2.
Далее в зависимости от результата сравнения на втором этапе кодиро-
вания если Ic > Iэт6, включается Iэт7, или если Iс < Iэт6 включается
Iэт5. Результаты сравнения в третьем такте кодирования позволяют
окончательно выбрать номер узла характеристики, определяющей начало
сегмента. Результат представляется двоичной кодовой комбинацией, за-
нимающей 2…4-й разряды кодовой группы. Кодовые комбинации номе-
ра сегмента в табл.( 1 ).
На третьем этапе определяется и кодируется номер уровня кванто-
вания внутри выбранного сегмента, в зоне которого находится амплиту-
да кодируемого отсчета. Третий этап осуществляется за четыре такта
методом линейного кодирования. При кодировании в дополнение к ос-
новному эталону, определяющему начало сегмента, подключаются допол-
нительные эталоны с весами 8?с, 4?с, 2?с, ?с. В результате сравнения
определяется номер уровня квантования, в зоне которого находится ам-
плитуда отсчета.
В результате выполнения указанных операций получается 8-
разрядная кодовая комбинация двоичных символов, 1-й разряд указыва-
ет полярность кодируемого отсчета; 2…4-й номера сегмента узла харак-
теристики компрессии; 5…8-й номер шага квантования внутри этого
сегмента, в зоне которого заключена амплитуда кодируемого отсчета.
6..3 СТРУКТУРНАЯ СХЕМА КОДЕРА СИСТЕМЫ ИКМ-120.
Кодер предназначен для нелинейного аналого-цифрового преобра-
зования сигнала в восьмиразрядные кодовые комбинации.
В кодере осуществляется закон компандирования, соответствующей
характеристике А=87,6 с тринадцатью сегментами.
Аналого-цифровое преобразование имеет следующие параметры:
- число разрядов - 8
- число уровней квантования - 256
- частота дискретизации - 8 Кгц.
Аналого-цифровое преобразование в кодере включает в себя инверсию
четных разрядов.
Уровень перегрузки кодирующего устройства соответствует уровню си-
нусоидального входного сигнала, превышающего номинальный уровень
на 3,14 дБ.
В основу построения кодера положен метод поразрядного уравно-
вешивания. Сигнал отсчета АИМ-2 многократно сравнивается с эталон-
ными сигналами, которые включаются таким образом, что разность ам-
плитуд этих сигналов в конце цикла кодирования не превышала одного
шага квантования.
Структурная схема кодера представлена на рис.(9) и содержит
следующие узлы:
- амплитудно-импульсный модулятор АИМ-2.
- компаратор.
- формирователь эталонных сигналов, включающий в себя два одина-
ковых преобразователя тока (ПТ) и преобразователь код-ток (ПТК).
- дешифратор.
- регистр управления.
- формирователь выходного сигнала кодера.
- устройство коррекции "нуля" кодера.
- схема ввода сигналов контроля и коррекции "нуля" кодера.
- логика реверса.
Описание работы структурной схемы кодера:
Входной сигнал поступает на вход модулятора АИМ-2, где осуществ-
ляется дискретизация во времени. На выходе АИМ-2 формируются по-
следовательности импульсов с плоской вершиной и амплитудами, про-
порциональными величине входных сигналов в момент дискретизации.
Сигнал АИМ-2 поступает на компоратор, где происходит сравне-
ние его с эталонами, формируемыми ФЭС.
На выходе компаратора формируются сигналы результата сравне-
ния "Обр. связь А" и "Обр. связь В", которые через схему согласова-
ния поступают на регистр управления.
Регистр управления и дешифратор формируют сигналы управления
формирователя эталонных сигналов (ФЭС).
Устройство коррекции "нуля" кодера обеспечивает симметрию
квантующей характеристики кодера относительно "Нулевого" значения
входного сигнала.
Основной особенностью данного кодера является то, что в форми-
рователе эталонных сигналов используется 5 эталонных генераторов
тока (с условным весом 2 ,2 ,2 ,2 ,2 ).
Работа кодера поясняется временными диаграммами рис.(10). В
момент времени tо производится определение полярности входного сиг-
нала. Компаратор формирует импульсы на одном из выходов "Обр.
связь А" и "Обр. связь В" и в зависимости от знака d или d , форми-
руемого из этих сигналов, логика реверса подключает выходы дешифра-
тора к одному из преобразователей тока. Одновременно в момент вре-
мени tо начинается поиск сегмента характеристики компрессии, в пре-
делах которого находится амплитуда данного отсчета сигнала. При этом
в ПТК включается старший эталон, и ключ S4 в преобразователе тока.
На выходе матрицы имеем эталонный ток Iэт=128 у.е. (т.к. ток от ис-
точника I=2048у.е. проходит через S4 и компрессируется в матрице в 8
раз). Затем в следующий момент времени по решению компаратора в
дешифраторе вырабатывается сигнал, который выключает ключ S4 и
вклчает ключ S2 или S6. Поиск сегмента длится в течение трех тактов
кодирования. В результате в преобразователе тока остается включенным
только один ключ. Алгоритм поиска сегмента показан на рис.(11).
АИМ-2
сроб
Р7
Р8
Р1
Р2
Р3
Р4
Р5
Р6
t0 t1 t2 t3 t4 t5 t6 t7
в
d1 d2 d3 d4 d5 d6 d7
рис. 10. Временные диаграммы работы кодера.
Но- пьедестал сегмента пьедестал
мер ( у.е. ) ( у.е. )
сег. 2048
72 210 000
1024
6 2 9 001
512
5 2 010
256
4 2 011
128
3
64 2 100
2
32 2 101
1
16 2 110
0
0 t 111
t0 t1 t2 t3 код номе –
ра.
определение сегмента
полярности определение сегмента (обратный)
рис. 11. Алгоритм поиска сегмента.