Квантування рівномірне й нерівномірне.

Квантування сигналу за рівнем.

При дискретизації безперервного сигналу по амплітуді (рис. 9.1) передаються тільки певні заздалегідь обрані його амплітудні значення, що відрізняються друг від друга на постійну величину, що називають кроком квантування за рівнем. Як видно, квантований по амплітуді сигнал відрізняється від вихідного безперервного сигналу тим, що приводить до помилки квантування, обумовленою різницею між первісним і квантованим за рівнем сигналами.

Рисунок 9.1

Цей процес аналогічний процедурі округлення чисел. Різниця між двома сусідніми дозволеними для передачі рівнями називається кроком квантування ∆. Якщо амплітуда відліку сигналу в межах двох сусідніх дозволених значень перевищує половину кроку квантування ∆/2, її значення збільшується в більшу сторону, якщо менше половини кроку квантування — у меншу сторону. Таке округлення супроводжується погрішністю. Різниця між щирим значенням відліку сигналу і його квантованным значенням називається помилкою, або шумом квантування (заштриховані ділянки на рис. 9.1),що визначається як ξ кв(t)=UАІМ(t) - Uкв(t)

Зробивши «нумерацію» рівнів квантування, можна передавати не самі рівні, а їхнього значення по шкалі рівнів у двійковому коді.

Рівномірне квантування. Квантування називається рівномірним у тому випадку, якщо крок квантування в припустимих межах можливих амплітудних значень сигналу залишається постійним?= const.

На рис. 10.1а наведена амплітудна характеристика квантуючого пристрою

Uвых=f(Uвх) рівномірним кроком квантування. Амплітудна характеристика має дві характерних ділянки: зону квантування й зону обмеження. Для першої ділянки характерно саме квантування вхідних сигналів, і їхня величина Uвх визначається межею U_{0 ≤} U_{BX ≤} Uo.

Рисунок 10.1а Рисунок 10.1б

У деякі моменти часу вхідний сигнал може перевищити значення U₀,

т. е. | Uвх | > | Uо |. У цьому випадку відбудеться обмеження максимальних миттєвих значень сигналу. Відповідно до цього крім шумів квантування розрізняють ще й шуми обмеження, які викликаються обмеженням максимальних миттєвих значень сигналу. Звичайно рівень сигналу на вході каналів систем ІКМ вибирається так, щоб з урахуванням статистичних характеристик сигналу ймовірність перевищення | Umax | > | Uо | була досить малої, що тому визначають у системах ІКМ є шуми квантування, а не шуми обмеження.

Середня потужність шумів квантування при рівномірному кроці Рш. кв = ∆^2/12,

де: ∆- крок квантування.

При рівномірному квантуванні відносна помилка квантування залежить від величини відліку вхідного сигналу. Як показано на рис. 10.1б, для першого відліку сигналу максимальна помилка квантування становить1/8, а для другого -1/2. Тому недоліком рівномірного квантування є те, що відносне значення помилки квантування велике для слабких сигналів і зменшується зі збільшенням рівня сигналу. Для вибору числа рівнів рівномірного квантування необхідно знати, як змінюється середня потужність абонентських сигналів на вході системи передачі.

Відомо, що середня потужність телефонного сигналу є випадковою величиною й змінюється із часом як для одного абонента, так і при зміні абонентів через різну довжину (довжини) абонентських ліній.

При визначенні числа рівнів квантування потрібно орієнтуватися на припустиму помилку квантування для найбільш вилучених абонентів, телефонні сигнали яких мають найменшу середню потужність. Звичайно вважають, що для виконання прийнятої норми по відношенню сигнал-шум квантування для 99,7 % всіх абонентів необхідне число рівнів при рівномірному квантуванні повинне бути Мкв = 512...2048, що вимагає дев'яти-десяти розрядів кодової групи.

Таким чином, розкид середніх потужностей абонентських сигналів приводить до істотного збільшення числа рівнів рівномірного квантування, що істотно ускладнює апаратури й, приводить до значного збільшення швидкості цифрового потоку групового цифрового сигналу. При цьому обсяг переданої інформації не збільшується.

Зазначені недоліки рівномірного квантування можуть бути усунуті:

забезпеченням автоматичного регулювання рівнів середньої потужності абонентських сигналів у кожному з каналів з метою відомості до мінімуму їхнього розкиду, що істотно ускладнить апаратури;

нерівномірним квантуванням.

Нерівномірне квантування. Для вирівнювання відносної помилки квантування при зміні середньої потужності абонентського сигналу в широких межах і відповідно зменшення числа кроків квантування застосовують нерівномірне (нелінійне) квантування.

При нерівномірному квантуванні крок квантування змінюється в припустимих межах амплітудних значень квантуючих сигналів (рис. 10.2 а), зростаючи зі збільшенням рівня сигналу. Абсолютна помилка квантування зростає зі збільшенням рівня сигналів (відлік 1), але її відносне значення, тобто відношення сигнал-помилка квантування, не змінюється.

Рисунок 10.2а Рисунок 10.2б

Використання нерівномірного квантування дозволяє вирівняти відношення сигнал-помилка квантування у всьому діапазоні середніх потужностей вхідних абонентських сигналів, а отже, скоротити число кроків квантування в 2...4 рази в порівнянні з рівномірним квантуванням до Мкв = 128...256, що вимагає семи-восьми розрядів кодової групи.

Нерівномірна (нелінійна) амплітудна характеристика (рис. 10.2 б) квантуючого пристрої може бути реалізована декількома способами:

стиском динамічного діапазону вхідних сигналів перед кодуванням за допомогою компресорів і наступним його розширенням після декодування экспандерами (аналогове компандування);

цифровим компандуванням;

нелінійним кодуванням і декодуванням.

Дата добавления: 2015-05-26