Компрессия в ЦСП

Компрессия в ЦСП.

Лекция №7

МЕТОДИЧЕСКАЯ РАЗРАБОТКА

для проведения лекции №7 по дисциплине

«Проетирование ЦСП»

Тема: СТРУКТУРНАЯ СХЕМА ОКОНЕЧНОЙ СТАНЦИИ ЦСП.

Цель лекции:

1. Дать представление о принципах построения станций ЦСП.

Учебные вопросы лекции:

2. Структурная схема оконечной станции ЦСП.

Материальное обеспечение лекции:

1. Текст лекции.

2. Презентация.

3. Медиакомплект.

Литература:

1. В.В. Крухмалев, В.Н. Гордиенко, А.Д. Моченов

Цифровые системы передачи: учебное пособие для вузов/под ред. А.Д. Моченова. – М.: Горячая линия – Телеком 2007г. с. 34-45; 73-77.

В настоящее время равномерное квантование практически не используется из-за низкой защищенности слабых сигналов. Неравномерное квантование позволяет значительно расширить динамический диапазон канала и увеличить защищенность от шумов квантования. Эта операция реализуется в кодеках.

а) U _{вых к} б) U _{вых э}     d _вых                 d _н2 d _н3 d _н3 d _н1 Амплитудные характеристики компрессора и экспандера

Кодеком называют систему кодер - декодер, определяющую в ЦСП соотношение между качеством передачи сигнала и скоростью цифрового потока. Стандартную импулъсно-кодовую модуляцию (ИКМ) называют ИКМ-64, ибо цифровой поток имеет скорость f_d·m= 8 (кГц) ·8 (разрядов) = =64 кбит/с. Из трёх распространённых в мире версий ИКМ-64 (см. табл.1) далее речь пойдёт только о европейской, регламентированной Рек. G.711 и G.712 МСЭ-Э.

Согласование динамических диапазонов канала и сигнала производят с помощью компрессии сигнала; поскольку кодер является групповым устройством, компрессия должна быть безынерционной (мгновенной).

Мгновенный компрессор представляет собой усилитель с нелинейной амплитудной характеристикой U_вых(U_вх), его дифференциальный коэффициент усиления К в точке U_вх равен

(1)

Для североамериканских ЦСПэта характеристика апроксимируется уравнением вида:

Она называется логарифмической, а m - параметр, характеризующий степень компрессии (сжатия) динамического диапазона входного сигнала. Ее вид для различных значений m приведен на

рисунке 1. Принято m =225.

U _вых U _вых m = 100   m = 225 m =0 U _вх U _вх 0     Рисунок 1.     Рис. 1.18 Неравномерная шкала Рис. 1.19. Характеристика m - компрессии квантования

Для европейской иерархии ЦСП вид зависимости U_вых(U_вх) определён квазилогарифмическим законом командирования

(2)

y 1           0 х ₁ 1 х   Рисунок 2. А – закон компандирования

называемым по входящему в него параметру А компрессии А -законом. При А=1 имеем линейную амплитудную характеристику; чем больше значение параметра А>1, тем выше степень компрессии.

От аналоговых компандеров (компрессоров + экспандеров) пере­шли к цифровой обработке сигнала, приняв сегментированный А -закон, шкала непрерывного U_вх и квантованного U_вых напряжений представлена на рисунке. Знак кодируется отдельно от модуля отсчёта (симметричный код), поэтому показана только положительная полуось.

Значение напряжения ограниченияU_огр получают, исходя из следую­щего. Регламентирован уровень ограничения р_огр гармонического испыта­тельного колебания в ТНОУ, равный +3,14 дБмо. Очевидно, напряжение ограничения равно амплитуде этого гармонического колебания, то есть превышает его эффективное напряжение U_эфф в раз:

U_огр = U_эфф = · U_о · = · · =1,57 В₀

Где = = =0,707 В₀ - опорное напряжение.

Диапазон изменения U_вых от U_огр до нуля разбит на 8 сегментов, по­лучаемых последовательным семикратным делением левой части отрезка пополам. Каждый сегмент равномерно разделён на 16 шагов квантования. Для определения номера шага квантования, соответствующего U_вx, не­обходимы 1(знак)+3(номер сегмента)+4(номер шага квантования)=8 раз­рядов; общее число шагов квантования составляет 2⁸ = 256.

Отметим, что шаги квантования четырёх центральных сегментов одинаковы, поэтому А -закон называют тринадцатисегментным (16-4+1=13).Величина шага квантования на 7-м сегменте равна U_огр/2/16= U_огр/32. На каждом следующем сегменте, кроме нулевого, она уменьшается вдвое, составляя в центральном сегменте U_огр ·2¹¹ В_о.

Значения напряжений (в единицах В_о), соответствующих нижней U_нi и верхней U_вi границам i -го сегмента и шагов квантования Δ_i, а также мощности шумов квантования P_квi в нВто приведены в таблице. Для удобства расчётов учтено, что U_огр практически точно равно π/2.

Отметим, что если бы квантование было равномерным, то шаг квантования составлял бы

2^-(8-l)=2^-7=1/128 долю U_огр, то есть был бы в 2^-7/2^-11=16 раз больше.

Это означает, что дифференциальное усиление К эквивалентным аналоговым компрессором бесконечно малого сигнала равнялось бы 16. Определим, какому значению параметра А соответствует шкала рисунка. Для этого применим определение (1) к (2) при | U_вх | →0:

Решение нелинейного уравнения даёт значение А=87,5566 ≈ 87,6. Поэтому изложенные правила кодирования кратко называют законом компандирования А=87,6/13.

Рассмотрим пример прохождения через кодек с законом компандирования А=87,6/13 отсчёта с абсолютным значением напряжения U_вх, равным 67,3 мВо.

На передаче отсчёт окажется в пределах 3-го сегмента с U_нi = 49,1 В_о и U_вi = 98,2 В_о. Номер уровня квантования равен разности напряжения от­счёта и напряжения нижней границы сегмента U_вх0- U_нi = 67,3 - 49,1=18,2 В_о, деленной на величину шага квантования на 3-м сегменте Е[18,2/3,07]= [5,9]=5, где E[x] - функция Entier выделения целой части числа.

Таким образом, будет передана кодовая комбинация вида ± 011 101, содержащая знак числа (±) и десятичные числа 3 и 5 в двоичном представлении.

На приеме будет вычислен уровень квантования как сумма напряжений нижней границы сегмента, сложенная с произведением напряжения шага квантования на номер уровня квантования в сегменте плюс половина: 49,1 +3,07 (5+0,5)=66,0 В_о. Ошибка квантования в данном случае составила 67,3-66,0=1,3 В_о, что составляет 1,3/3,07=0,4 от шага квантования.

Заметим, что прибавление полушага квантования на приёме переводит операцию отбрасывания дробной части числа Е[х] в операцию округления до ближайшего целого; при отбрасывании ошибка составила бы 0,9 шага квантования.

Основным показателем качества кодека ЦСП является зависимость А_кв(р_вх) защищённости сигнала с уровнем на входе кодера р_вх, дБмО, от шумов квантования на выходе декодера А_кв, дБ, регламентированная Рек. G.712 для испытательных сигналов - гармонического колебания и белого шума в виде шаблонов. Ход теоретических характеристик идеального кодека показан кривыми 2; характеристики реальных кодеков должны проходить между кривыми 1 и 2.

Пусть на вход кодера подано гармоническое колебание U_вх(t) с уровнем р_вх= + 3,14 дБмО, и его амплитуда U_A равна U_огр, см. шкалу. Отсчёты с U_вх(t) > U_огр/2 попадают на 7-й сегмент, где кодируются с равномерным шагом квантования Δ₇, равным U_огр/32 =π/64 В_о; остальные отсчёты кодируются с меньшими шагами квантования на сегментах 6...0.

Оценивая защищённость снизу, то есть при равномерном квантовании с шагом Δ₇,получим

При уменьшении р_вх сначала защищённость снижается из-за уменьшения Р_с, затем повышается, поскольку всё больше отсчётов попадает на сегмент с меньшими шагами квантования. Как видно из а, при гармоническом испытательном сигнале ход кривой 2 аналогичен для 7-го...2-го сегментов. На первом и нулевом сегментах имеют место равномерное квантование и линейный ход характеристики. При шумовом испытательном сигнале неравномерность условий на сегментах сглаживается, но явление ограничения начинает сказываться при меньших р_вх (кривая 2 на рис.б).

Дата добавления: 2014-01-15