Лекция 8

Тема 7. Структурная схема оконечной станции первичной ОЦТС и основные узлы оборудования

Введение.

В лекции рассматриваются построение тракта передачи КОО и схемы основных узлов: амплитудно - импульсные модуляторы, преобразователи АИМ-1 в АИМ-11,кодеры с равномерной и неравномерной шкалой квантования.

Раздел 7.1 Структурная схема оконечной станции первичной ОЦТС и основные узлы оборудования (продолжение)

Амплитудно-импульсные модуляторы. Амплитудно-импульсные модуляторы осуществляют дискретизацию аналоговых сигналов в тракте передачи. Временные селекторы распределяют на приеме импульсы группового АИМ сигнала по входам низкочастотных окончаний каналов. В качестве таких устройств применяются быстродействующие электронные ключи, управляемые импульсным напряжением, называемым импульсной несущей. Параметры амплитудно-импульсных модуляторов и временных селекторов определяют параметры цифрового канала ТЧ и влияют на уровень шумов в них.

Присутствие импульсов управляющего тока на выходе амплитудно-импульсного модулятора приводит к смещению произвольным образом амплитуды отсчетов, что увеличивает погрешность при квантовании и кодировании и уровень шумов на выходе канала. Мощность остатков управляющих импульсов не должна превышать 0,001 пикового значения мощности сигнала.

Это достигается применением балансных схем модуляторов и временных селекторов. Причем, требования к балансировке могут быть снижены, так как затухание ФНЧ-3,4 в тракте приема на частоте 8 кГц достаточно велико.

К амплитудно-импульсным модуляторам и временным селекторам предъявляют высокие требования по быстродействию и линейности амплитудной характеристики. От их быстродействия зависит уровень переходных помех между каналами, а от линейности амплитудной характеристики – нелинейные искажения.

Амплитудно-импульсные модуляторы.

В качестве электронного ключа может быть использован диодный мост (рис. 8.1).

Рис. 8.1. Диодный мост

Управляет работой диодов напряжение импульсной несущей U_у. Для обеспечения баланса необходимо подобрать диоды с одинаковыми параметрами. На практике используют интегральные сборки, в которых диоды выполнены на одном кристалле и обладают практически одинаковыми параметрами.

Схема электронного ключа на транзисторах (рис. 8.2):

Рисунок 8.2. Схема электронного ключа на транзисторах

Управляющее импульсное напряжение U_у поступает на базы транзисторов одновременно, а токи эмиттерных цепей I_у1, I_у2 в нагрузке протекают в противофазе. Таким образом, если параметры транзисторов одинаковы, то суммарный ток импульсной несущей в нагрузке будет равен 0. В типовой аппаратуре в качестве активных элементов в электронных ключах чаще всего используют интегральные транзисторные сборки.

Преобразователь АИМ1 в АИМ2. Сигналы с выходов электронных ключей тракта передачи объединяются в групповой АИМ сигнал. Причем, амплитуды в течении длительности импульса будут изменяться в соответствии с изменением амплитуды исходного сигнала, т.е. на выходе электронного ключа передачи имеется сигнал – АИМ1. Для устойчивой работы кодеров необходимо преобразование группового сигнала в форму АИМ2, т.е. импульсы должны быть с плоской вершиной и значительной длительностью.

Структурная схема преобразования АИМ1 в АИМ2.

Рис. 8.3. Структурная схема преобразования АИМ1 в АИМ2

В состав схемы входят электронный ключ, накопительный конденсатор С и операционные усилители.

КЛ1 – амплитудно– импульсные модуляторы каналов;

КЛ2 – работают одновременно с КЛ1, подключает на короткое время заряда (t_з).

Накопительный конденсатор С заряжается до амплитуды АИМ сигнала, КЛ1 и КЛ2 – размыкаются.

УС2 – имеет высокоомное входное сопротивление, что обеспечивает постоянное напряжение заряда конденсатора на время кодирования сигнала.

Для подготовки накопительного конденсатора и к следующему отсчету сигнала АИМ1 он разряжается на землю КЛ3.

Кодеры с равномерной и неравномерной шкалой квантования.

В ОЦТС с ИКМ используют три основных метода построения аналого-цифровых преобразователей:

- матричный;

- последовательного счета;

- поразрядного взвешивания.

Матричный кодер.

Образуется кодовое поле, состоящее из пространственно разнесенных элементов, число которых равно числу разрешенных уровней. Кодовое поле может представлять собой набор пороговых устройств (при m£5), либо кодовую маску в специальной электронно-лучевой кодирующей трубке (m=8, 9).

Недостатком матричных АЦП, построенных на обычных элементах, является низкая точность преобразования (т.к. m мало). Необходимость использования специальных электронно-лучевых приборов для повышения точности ограничивает возможность применения таких кодеров.

Кодер счета (рис. 8.4.).

Рис. 8.4. Схема кодера счета

На вход кодера подаются импульсы сигнала АИМ2, которые затем преобразуются в импульсы широтно-импульсной модуляции (ШИМ), длительность которых пропорциональна высоте отсчетов. Модулированные по длительности импульсы подаются на один из входов логической ячейки И, на другой вход которой от генераторного оборудования подается последовательность коротких импульсов. На выходе ячейки И получаются пачки импульсов. Причем, количество импульсов в каждой пачке будет пропорционально длительности импульсов ШИМ и, следовательно, пропорционально высоте отсчетов АИМ сигнала. Максимальное число импульсов в пачке 2^m. Число импульсов в единицу времени N·f_д.

Ячейки двоичного счетчика производят счет импульсов, содержащихся в каждой пачке, формируя двоичную кодовую группу. Скорость работы счетчика может быть определена как N·f_д×2^m. Например, для N=30, f_д=8 кГц, скорость 30·8·10³·2⁸=6·10⁶ имп/с.

Таким образом, по своему принципу действия кодеры счета требуют высокого быстродействия – основной недостаток. Достоинство – простота, надежность и высокая точность работы.

Кодеры взвешивания.

1. Линейный кодер.

В таких кодерах величина отсчета сигнала выражается суммой определенного набора эталонных сигналов

, где

U_этi= DU_k×2^m-I – эталонный сигнал i-го разряда

DU_k – шаг квантования

a_i – кодовый символ i-го разряда.

Структурная схема кодера приведена на рисунке, она содержит число ячеек, равное разрядности кода m.

Рис. 8.5. Кодер поразрядного взвешивания

Каждая ячейка содержит решающее устройство РУ с порогами, равным эталонным напряжениям данного разряда и схему вычитания. В РУ амплитуда импульса сравнивается с эталонным пороговым напряжением данного разряда U_этi. Если U_c>U_эт, на выходе РУ формируется «1», а на схему вычитания подается импульс с амплитудой U_эт, т.е. на следующую ячейку подается сигнал U_i-U_этi. Если же U_c<U_этi, на разрядном выходе РУ будет символ «0», а импульс сигнала пройдет через схему вычитания без изменения амплитуды.

Символы отдельных разрядов кодовой группы формируются последовательно, начиная с символа старшего разряда.

ПРИМЕР. Пусть нужно закодировать с помощью кодера поразрядного взвешивания импульс с амплитудой 100DU_k.

Рис. 8.6. Пример кодирования

Таким образом, на выходе кодера формируется кодовая группа 1100100, имеющая условный вес (64+32+0+0+4+0+0) DU_k=100DU_k.

Требуемое быстродействие ячеек кодера поразрядного взвешивания определяется произведением f_д·N, поэтому гораздо меньше, чем для кодеров счета. Такой кодер может быть построен на одной ячейке. Кодовые символы будут формироваться последовательно с помощью цепи обратной связи. В ЦАП с высокой точностью формируются и суммируются U_этi, соответствующие весам отдельных разрядов.

2^m-1DU_k, 2^m-2DU_k, …2⁰DU_k.

Рис. 8.7. Кодер взвешивания на одной ячейке

В начале кодирования на всех входах ЦАП кроме старшего (первого) устанавливаются нулевые импульсы. При этом ЦАП формирует эталонные напряжения старшего разряда 2^m-1DU_k.

С этим импульсом сравнивается кодируемый отсчет в компараторе. Если U_c>2^m-1DU_k, на выходе компаратора появляется «1». Он же поступает на регистр сдвига по цепи обратной связи и подтверждает правильность подачи импульса на первый выход ЦАП. Если же в начале кодирования окажется U_c<2^m-1DU_k, на выходе кодера формируется сигнал «0», этот символ появиться и на первом входе ЦАП и будет удерживаться на протяжении всего цикла формирования кодовой группы.

Формирование символов (0 или1) следующего разряда производится аналогичным образом. Импульсы от генераторного оборудования ячейки регистра сдвига переводятся в положении, когда на всех входах ЦАП, кроме 2-го будут нулевые импульсы. На входе ЦАП появится импульс с амплитудой 2^m-21DU_k. Процесс формирования кодовой группы будет повторяться до тех пор, пока не будут перепробованы импульсы всех разрядов.

Нелинейный кодер. Как уже говорилось ранее квантование в современных ОЦТС происходит нелинейным способом, т.е. используется нелинейное компандирование.

Более современный способ реализации требуемой характеристики компандирования состоит в управлении с помощью цифровых схем алгоритмом выбора эталонных напряжений при кодировании и декодировании.

Рис. 8.8. Характеристика компандирования 16-ти сегментная

Используется 16-ти сегментная линейно-ломаная аппроксимация характеристики компандирования. Характеристика для одной полярности напряжения аналогового сигнала приведенная на рисунке содержит 8 сегментов. Каждый сегмент имеет 16 уровней равномерного квантования. В I и II сегментах характеристики шаг квантования одинаковый, а в каждом следующем сегменте, начиная с III, величина шага квантования удваивается. Обычно символ кодовой группы первого разряда определяет полярность сигнала «1» - для положительного, «0» - для отрицательного. 2^-й, 3^-й, 4^-й разряды определяют номер сегмента в двоичной форме (от 0 до 7). 5^-й, 6^-й, 7^-й, 8^-й разряды определяют номер уровня в сегменте.

Таблица эталонных значений напряжений для определения номера сегмента, номера уровня квантования внутри сегмента.

Таблица 8.1. Значения эталонных напряжений

Номер сегмента	2-й, 3-й, 4-й разряды	Шаг квантования	Эталонное напряжение при кодировании в пределах сегмента	Эталонное напряжение нижней границы сегмента
I			D	D, 2D, 4D, 8D	0D
II			D	D, 2D, 4D, 8D	16D
III			D	2D, 4D, 8D, 16D	32D
IV			D	4D, 8D, 16D, 32D	64D
V			D	8D, 16D, 32D, 64D	128D
VI			D	16D, 32D, 64D, 128D	256D
VII			D	32D, 64D, 128D, 256D	512D
VIII			D	64D, 128D, 256D, 512D	1024D

Из таблицы видно, что для формирования всех уровней квантования достаточно иметь 11 эталонов (D, 2D, 4D, 8D, 16D, 32D, 64D, 128D, 256D, 512D, 1024D). При кодировании в пределах одного сегмента требуется всего 5 эталонов:

- один для определения нижней границы сегмента;

- четыре для определения шага квантования в пределах сегмента.

Малое число эталонных сигналов, используемых при формировании одного квантованного отсчета, упрощает требования к точности источника эталонных сигналов в целом.

ПРИМЕР. U=352D.

Определим первый разряд. Поскольку отсчет имеет положительную полярность, следовательно, 1.

Далее определяем 2-й, 3-й, 4-й разряды т.е. номер сегмента: 352 находится между 256 и 512, поэтому нижняя граница сегмента 256, таким образом отчет находится в 5 сегменте, которому соответствует кодовая комбинация 101.

После чего необходимо закодировать разницу между 512-256=96 (т.е. получит номер уровня внутри сегмента). Это значение кодируется уже с помощью эталонных напряжений для 5 сегмента 16D, 32D, 64D, 128D. 96=32+64. Следовательно, 5-й, 6-й, 7-й, 8-й разряды 0110.

Таким образом, полученная кодовая комбинация:

Схема нелинейного кодера: Назначение элементов схемы (рис. 4.9):

ЗУ – запоминающее устройство. Запоминает мгновенное значение сигнала и поддерживает его в течение всего времени кодирования.

К – компаратор. Определяет полярность отсчета и знак разности между амплитудой кодируемого отсчета и суммой эталонных напряжений. В зависимости от знака этой разности на выходе компаратора формируется «0» (U_c>U_эт), или «1» (U_c<U_эт).

Рисунок 8.9. Схема нелинейного кодера

ИЭ – источники эталонов, которые имеют 11 ключей, а веса подключаемых эталонных напряжений равны DU₀, 2DU₀, 4DU₀, 8DU₀, 16DU₀, 32DU₀, 64DU₀, 128DU₀, 256DU₀, 512DU₀, 1024DU₀ отрицательной и положительной полярности.

После каждого такта кодирования решение компаратора записывается в цифровой регистр (ЦР).

В зависимости от решения компаратора ЦР выбирает полярности ИЭ и управляет работой цифровой логики (Ц Лог.), которая формирует в блоке выбора и коммутации эталонных напряжений (БКЭ) цепи управления ИЭ, определяя величины эталонов, подключаемых на второй вход компаратора.

Ф – формирователь. Считывает состояния выходов ЦР и преобразует параллельный код в последовательный.

ПРИМЕР.

Необходимо закодировать положительный отсчет с амплитудой U_с=352DU₀.

Этот отсчет через запоминающее устройство подается на первый вход компаратора. Перед началом первого такта кодирования цифровой регистр на первом своем выходе выдает «1», а на всех остальных выходах «0». Это включает источник эталонов положительной полярности, так как кодируется положительный отсчет, то на выходе компаратора – «0» и состояние «1» на первом выходе цифрового регистра сохраняется (логическая операция «сложение по модулю 2» - (1+1)=0; (1+0)=1; (0+0)=1).

1-й символ кодовой комбинации 1.

Далее, в три такта осуществляется поиск сегмента, в котором находится кодируемый отсчет, т.е. находится нижняя граница этого сегмента. Рассмотрим все это с помощью так называемого дерева.

Рисунок 8.10. Алгоритм кодирования

На первом такте сигнал сравнивается с эталонным напряжением нижней границы 4-го сегмента (128D). В зависимости от результата сравнения формируется символ 2-го разряда «0» или «1». Если сформирована «1», то на втором такте сравнивается с нижней границей 6-го сегмента (512D); если же «0» - то с нижней границей второго сегмента (32D). Далее аналогично – с нижней границей седьмого сегмента (1024D) или пятого (256D); либо с нижней границей третьего сегмента (64D) или первого (16D).

В нашем случае:

352>128 ® «1»

352<512 ® «0»

352>256 ® «1»

Следовательно, 2-й, 3-й, 4-й символы кодовой комбинации 101.

На втором выходе цифрового регистра формируется «1» и на второй вход компаратора подается эталонное напряжение нижней границы четвертого сегмента 128D. Так как 325>128D, то на выходе компаратора «0», а на втором выходе цифрового регистра сохраняется «1». На следующем такте появляется «1» на третьем выходе цифрового регистра и формируется эталонное напряжение нижней границы шестого сегмента 512D. Так как 352<512D, то на выходе компаратора «1» и состояние на третьем выходе цифрового регистра меняется на «0». На следующем такте – «1» на четвертом выходе цифрового регистра (нижняя граница пятого сегмента 256D); так как 352>256D, то на четвертом выходе цифрового регистра «1». Таким образом, амплитуда импульса находится в пятом сегменте (цифре пять соответствует кодовая комбинация 101).

Определение и кодирование номера уровня квантования сегмента производится в четыре такта с помощью эталонных напряжений 128D, 64D, 32D, 16D, которые формируются в источнике эталонов и соответствуют пятому сегменту.

5-й символ – на пятом выходе цифрового регистра «1», в источнике эталонов формируется сигнал 256D+128D, так как 352<384D, на выходе компаратора формируется «1» и пятый выход цифрового регистра изменяет свое состояние на «0», напряжение 128D отключается.

6-й символ – на шестом выходе цифрового регистра устанавливается «1», источник эталонов формирует сигнал 256D+64D, который подается на второй вход компаратора, поскольку 352>320D, то на выходе компаратора – «0» и состояние шестого выхода цифрового регистра сохраняется.

7-й символ – на седьмом выходе цифрового регистра устанавливается «1», источник эталонов на второй вход компаратора подает сигнал 256D+64D+32D. Очевидно, что 352=352D, на выходе компаратора появляется «0» и на выходе цифрового регистра остается «1».

8-й символ – на восьмом выходе цифрового регистра «1», на выходе источника эталонов формируется сигнал 256D+64D+32D+16D. Поскольку 352<368D, на выходе компаратора формируется «1» и восьмой выход цифрового регистра обнуляется. Напряжение 16D в источнике эталонов отключается.

Таким образом, 5-й, 6-й, 7-й, 8-й символы кодовой комбинации 0110.

Полностью кодовая комбинация для отсчета 352DU₀: 11010110.

Выводы.

1. В состав оборудования тракта передачи КОО входят АИМ модуляторы, кодеры с нелинейной шкалой квантования, устройства ввода сигналов служебной связи и сигналов синхронизации.

2. Для исключения неопределенности при кодировании АИМ-1 преобразуется в АИМ-11

3. При кодировании сигналов используется нелинейная шкала квантования

Контрольные вопросы.

1. Нарисуйте схему тракта передачи КОО.

2. Перечислите этапы формирования сигнала с ИКМ.

3. С какой целью используется нелинейная шкала квантования?

4. Нарисуйте схему АИМ – модулятора и поясните принцип работы.

5. Нарисуйте схему линейного кодера и поясните принцип его работы.

6. Нарисуйте схему нелинейного кодера и поясните принцип его работы.

Дата добавления: 2014-01-07