Компандирование

Принцип командирования заключается в том, что диапазон значений амплитуды от максимального до минимального разбивается на сегменты. Те из них, которые соответству­ют меньшим значениям сигнала, квантуются более мелкими квантами, а для больших значе­ний выбираются большие кванты, величина которых возрастает с номером сегмента.

Используются два закона неравномерного кодирования: ц-компандирование и А-компандирование. Они имеют некоторые отличия, которые будут рассмотрены позднее. Нач­нем с компандирования по закону А.

Компандирование по закону А (13-сегментное кодирование)

При этом законе весь диапазон амплитуд измеряется с помощью 4096 квантов (в данном случае они выполняют функции единиц измерения амплитуды). Весь диапазон амплитуд раз­бивается на 8 сегментов, включая нулевой (0,..., 7 или в двоичной системе 000,..., 111). В ка­ждом сегменте для измерения применяются 16 шагов квантования различной величины (в дво­ичной системе они нумеруются от 0000 до 1111). При переходе от сегмента к сегменту величи­на шага квантования внутри сегмента увеличивается в 2 раза. Исключение составляют первые два сегмента, в которых шаги квантования равны 2. Если шаг квантования в нулевом и первом сегменте принять за 2 кванта, то во втором сегменте этот шаг составляет 4 кванта, в третьем 8 и последнем, восьмом 27 = 128 квантов. С уменьшением шага точность квантования возрастает в два раза. Соответственно, уменьшается абсолютное значение ошибки квантования (напомним, что она равна половине шага квантования). Относительная ошибка на всех шагах приблизитель­но одинакова и определяется разбросом амплитуд конкретного сигнала в данном сегменте.

Число шагов квантования в каждом сегменте составляет 16. Величина шагов, как указы­валось, разная. Код, передаваемый в линию, содержит в 1-м разряде знак значения сигнала (положительное — отрицательное), следующие 3 разряда — номер одного из восьми сегмен­тов, и 4 разряда — номер шага внутри сегмента. Таким образом, вместо передачи 13-разряд­ных комбинаций, образуемых на входе при 8192 квантах, в линию передаются 8 разрядов. Исходя из сказанного выше, структура байта, передаваемого на линию, имеет вид, пред­ставленный

Рис. 23. Структура байта, передаваемого в линию при компандировании по закону А

Описанную процедуру называют сжатием диапазона передаваемой мощности (компрес­сия). На приемном конце информация приблизительно восстанавливается (расширяется — экспандируется). Поэтому эту операцию (обычно выполняемую специальным диодом с нелиней­ной характеристикой), называют компандированием (компрессия — экспандирование).

В настоящее время компрессия выполняется внутри аналого-цифрового преобразовате­ля (кодера), а экспандирование — декодера. Оба прибора объединяются в один элемент, на­зываемый кодеком.

Согласно принятому правилу компрессии, каждый сегмент содержит 16 шагов кванто­вания, которые вместе с номером сегмента позволяют установить значения дискреты с точ­ностью, определяемой номером сегмента.

Первый сегмент состоит как бы из двух частей: нулевой подсегмент с номером 000 ко­дирует отрицательную часть первого сегмента, а 001 — положительную. Остальные 6 сег­ментов будут сопровождаться знаком в первом разряде, поэтому их нумерация будет зави­сеть только от величины дискрет. Таким образом, для нумерации сегментов требуется три бита (значения номеров от 000 до 111).

При 13-сегментном кодировании кодек передает 12-разрядную комбинцию. Этого числа разрядов вполне хватает, чтобы закодировать сигнал с максимальным значением 4096 дис­крет. При этом номер сегмента можно определить по положению первой единицы в этой двоичной комбинации.

Как известно, двоичный весовой код переводится в десятичный с помощью весов, при­сваиваемых разрядам.

N = а1211+a2210+... + а1121+а1220 = a12048 + a21024 +... + a112 + al2.

Начальные точки сегментов равны 0, 32, 64, 128, 256, 512, 1024, 2048.

Поэтому, согласно весовому уравнению, все коды последнего сегмента (7-го, с учетом отсчета от нуля) будут начинаться с 1 (единицы в старшем 12-м разряде с учетом отсчета от нуля), т.е. в общем виде 1 ххх хххх хххх. Все коды 6-го сегмента будут иметь старший нуле­вой разряд и значение 1 в одиннадцатом разряде и т.д., т.е. 01хх хххх хххх. Первый сегмент будет иметь все нули в старших разрядах и единицу в шестом. Наконец, нулевой сегмент будет иметь не менее семи нулей до первого разряда, обозначающего значения кванта. По­этому правило определения номера сегмента следующее: его номер N определяется как

N = 7 - п, где п — номер первого единичного разряда справа в 12-разрядной двоичной комбинации.

В табл. 1.2 приводятся линейные коды и соответствующие им коды сегментов.

Таблица 1.2. Линейные коды и соответствующие им коды сегментов

Кодовая линейная комбинация	Десятичный номер сегмента	Двоичный номер сегмента
0000000xxxxx
0000001xxxxx
000001xxxxxx
00001xxxxxxx
0001xxxxxxxx
001xxxxxxxxx
01xxxxxxxxxx
1xxxxxxxxxxx

Рассмотрим значение последних разрядов 12-разрядной комбинации. Они определяют шаг квантования к, который может быть равен 2, 4, 8, 16, 32, 64, 128. Он связан с номером сегмента:

к = 2С,

где С— номер сегмента (1, 2, 3,..., 7).

Напомним, что у двух первых сегментов одинаковый шаг — 2.

Точность шага квантования позволяет определить число последних разрядов, которые можно не передавать в линию, поскольку в данном диапазоне они не влияют на величину дискреты. Например, при шаге квантования к = 4 сигналы величиной от 64 до 68 дискрет имеют одно и то же значение, т.е. последние два разряда могут игнорироваться. Учитывая это, с увеличением номера сегмента уменьшается число передаваемых последних бит, как это показано в табл. 1.3. На приемном конце принятая комбинация округляется до полови­ны шага. В таблице латинские буквы w, х, у, z обозначают номер одного из 16-ти шагов квантования в данном сегменте. Прочерки в конце указывают на то, что выбранный шаг квантования не учитывает эти разряды и они игнорируется. В правой части таблицы приво­дятся 7-разрядные комбинации, передаваемые в канал.

Таблица 1.3. Линейные комбинации, передаваемые в канал согласно закону А

Кодовая линейная комбинация	Комбинация, передаваемая в канал
0000000wxyz-	000 wxyz
0000001 wxyz-	001wxyz
000001 wxyz--	010wxyz
00001 wxyz---	011wxyz
000lwxyz	100wxyz
00lwxyz	101 wxyz
0lwxyz	110 wxyz
lwxyz	111 wxyz

На приемном конце принятая комбинация округляется до половины шага квантования, что равно добавлению единичного значения предыдущего сегмента вместо непереданного разряда. Непереданные разряды дополняются нулями, число которых определяется в соот­ветствии с номером сегмента. Нули в сегментах добавляются следующим образом:

в нулевом сегменте — ни одного нуля;

в первом — ни одного нуля (одинаковая точность);

во втором — один;

в третьем — два и т.д.

Восстановление последовательностей на приемном конце (экспандирование) показано в табл. 1.4.

В табл. 1.5 приводятся конкретные значения кодирования для сегментной характеристи­ки с законом А [8]. Надо отметить, что указанный диапазон входных амплитуд дублируется в конечных точках. Поэтому обычно шаг квантования выбирается так, чтобы невозможно было получить значение отсчета, точно равное граничному значению.

Таблица 1.4. Восстановление компенсированных комбинаций на приемном конце согласно закону А

Кодовые комбинации, полученные при компрессировании	Кодовые комбинации линейного выхода
000 wxyz	0000000 wxyzl
001wxyz	0000001 wxyz 1
010 wxyz	00000lwxyzl0
011 wxyz	00001 wxyz 100
100 wxyz	0001 wxyz 1000
101wxyz	001 wxyz 10000
110 wxyz	01 wxyzl00000
111 wxyz	1 wxyz1000000

Таблица 1.5. Кодирование сегментов согласно закону А

Диапазон входных амплитуд	Размер шага	Код сегмента	Код шага* квантования	Амплитуда на выходе декодера
0-2
2-4
30-32
32-34
62-64
64-68
124-128
128-136
248-256
256-272
496-512
512-544
992-1024
1024-1088
1984-2048
2048-2176
3968-4096
Все биты инвертируются через один разряд.

Дата добавления: 2014-01-13