Кодеры и декодеры с линейной шкалой квантования

Кодеры цифровых систем передачи с ИКМ-ВРК предназначены для преобразования АИМ сигналов после их квантования в цифровую форму. Операции квантования и кодирования в современных ЦСП с ИКМ-ВРК обычно совмещаются. Если квантование осуществляется с постоянным шагом (равномерное), то такие кодеры называются кодерами с линейной шкалой квантования, если же шаг квантования изменяется (нелинейное квантование), то такие кодеры называются кодерами с нелинейной шкалой квантования. В ЦСП с ИКМ применяются кодеры с нелинейной шкалой квантования, но при их построении на первой ступени кодирования используются кодеры с линейной шкалой квантования. Поэтому вначале рассмотрим принципы построения и функционирования кодеров с линейной шкалой квантования.

Различные типы кодеров, использующихся в ЦСП с ИКМ-ВРК, по принципу их действия разделяют на три группы:

- с преобразованием кодируемой величины во временной интервал (кодеры последовательного счета);

- поразрядного сравнения (взвешивающие кодеры);

- с кодовым полем (матричные кодеры).

Кодеры последовательного счета. Структурная схема одного из вариантов кодера последовательного счета приведена на рис. 2.6, а временные диаграммы, поясняющие принцип его работы показаны на рис. 2.7.

Рис. 2.6. Функциональная схема кодера последовательного счета

Квантованный АИМ сигнал (рис. 2.7 - 1) поступает на преобразователь АИМ сигнала в широтно-импульсно-модулированный сигнал АИМ-ШИМ (рис. 2.6, точка 7), где преобразуется в импульсы ШИМ сигнала одинаковой амплитуды, но различной длительности (рис. 2.6, точка 2).

Длительность импульсов ШИМ сигнала τ_шим пропорциональна амплитуде импульсов входного АИМ сигнала (рис. 2.7 - 2). Эти импульсы поступают на схему И, на другой вход которой от генератора тактовых импульсов (ГТИ)

Рис.2.7. Временные диаграммы работы кодера последовательного счета

поступают короткие эталонные импульсы с постоянным периодом следования (рис. 2.6, точка 3 и рис. 2.7 - 3). Пока схема И открыта благодаря воздействию ШИМ импульса, на ее выходе формируется пакет эталонных импульсов (рис. 2.6, точка 4 и рис. 2.1-4).

Длительность пакета пропорциональна длительности ШИМ импульса, а следовательно число импульсов в пакете пропорционально амплитуде квантованного входного АИМ сигнала. Количество импульсов, входящих в пакет, подсчитывается двоичным счетчиком (цепочка последовательно соединенных триггеров Тг1...Тгm, где m - разрядность кодовой комбинации).

Результат счета устанавливается на кодовых выходах счетчика Q1…Qm и выражает двоичный эквивалент кодируемого сигнала в параллельном коде, который с помощью формирователя кода преобразуется в последовательный код (рис. 2.6, точка 6 и рис. 2.7 - б). Импульсы сброса от ГТИ (рис. 2.6, точка 5 и рис. 2.7 - 5) поступают на вход двоичного счетчика и возвращают его в исходное состояние после формирования каждой кодовой комбинации. В кодере такого типа погрешности кодирования вызываются нестабильностью частоты ГТИ, нелинейностью преобразования АИМ-ШИМ, ошибками работы двоичного счетчика и конечной разрешающей способностью схемы И.

Кодеры поразрядного сравнения, или взвешивающие кодеры, нашли самое широкое применение в ЦСП с ИКМ-ВРК. Структурная схема такого кодера и временные диаграммы, поясняющие общие принципы его работы, приведены на рис. 2.8,а и 2.8,б соответственно.

Кодирование в такой схеме аналогично процессу взвешивания тяжести при помощи набора гирь на чашках весов. После помещения взвешиваемого предмета на чашку весов устанавливают гирю наибольшего веса, по результату первой операции взвешивания принимают решение: если взвешиваемый предмет тяжелее гири, то ее оставляют на весах и дополнительно устанавливают на чашку гирю меньшего веса; а если взвешиваемый предмет легче гири, то перед установкой второй гири первую снимают и т.д. до полного уравновешивания предмета набором гирь.

В схеме рис. 2.8, а происходит последовательное сравнение кодируемого сигнала с рядом эталонных сигналов, равных 2^m-i*δ₀ где m - число разрядов в кодовой комбинации, i - номер разряда, δ₀ - шаг равномерного квантования. Кодируемый отсчет АИМ сигнала Uотс поступает на схему сравнения СС₁ 1-го каскада, где он сравнивается с эталоном наибольшего веса U_ЭТ1. равным

Рис.2.8. Обобщенная структурная схема кодера поразрядного кодирования (а) и временная диаграмма его работы (б)

Если напряжение входного сигнала Uотс больше напряжения U_ЭТ1 то на выходе 1 схемы ССХ появится напряжение, равное 2^m-i*δ₀, которое вычитается из сигнала в схеме вычитания СВ₁ при этом на вход второго каскада кодера подается напряжение Uр1, а на выходе 2 схемы СС₁ формируется первый символ кодовой комбинации. Если напряжение кодируемого отсчета Uотс меньше U_ЭТ1 то он проходит через схему СВ₁ без изменения, так как в этом случае на выходе 1 напряжение отсутствует; на выходе 2 этой же схемы формируется пробел (нуль) кодовой комбинации. Следующие каскады кодера работают аналогичным образом. Число каскадов кодера равно числу разрядов в кодовой комбинации, которое, в свою очередь, связанное числом уровней квантования М соотношением М=2^m. Если, например, кодируемый сигнал квантуется 128 уровнями, то кодер состоит из семи каскадов.

Кодовая комбинация формируется в виде параллельного кода, который для целей передачи преобразуется в последовательный код ИКМ сигнала.

Поясним процесс кодирования числовым примером. Пусть амплитуда отсчета АИМ сигнала U_0TC = 100 δ₀. При 7-разрядном кодировании эталонные напряжения имеют следующие значения: U_эт1 = 64 δ₀, U_эт2 = 32 δ₀, U_эт3 = 16 δ₀, U_эт4 = 8 δ₀, U_эт5 = 4 δ₀, U_эт6= 2 δ₀, U_эт7 = δ₀. Процесс формирования кодовой комбинации представлен на рис. 2.8,б.

Отсчет с амплитудой U_OTC, подлежащий кодированию, устанавливается на входе кодера в момент времени 0...t₀, затем происходит его сравнение с эталоном U_эт1. При этом на кодовом выходе первого каскада будет сформирована 1, а на вход второго каскада кодера поступает разностный сигнал U_pl = U_0TC -U_эт1 = 100 δ₀0 - 64 δ₀ = 36 δ₀.

Аналогичным образом на кодовом выходе второго каскада будет сформирована вторая 1, а на вход третьего каскада поступит разностный сигнал, равный U_р2 = U_p1 -U_эт2 - 36 δ₀ -32 δ₀ = 4 δ₀. Очевидно, на кодовых выходах третьего и четвертого каскадов кодера будут сформированы 0, так как разностный сигнал, равный 4 δ₀, меньше эталонов третьего и четвертого каскадов. Разностный сигнал поступит на схему сравнения пятого каскада, для которого U_эт5 = 4 δ₀о. В этом случае возможны два исхода:

1) на кодовым выходе пятого каскада будет сформирована 1, и процесс поразрядного сравнения и вычитания на этом прекратится, так как разностный сигнал на входах шестого и седьмого каскадов будет равен нулю;

2) на кодовом выходе пятого каскада будет сформирован 0, на вход шестого каскада поступит разностный сигнал, равный 4 δ₀, и на его выходе будет сформирована 1. Аналогично, на вход седьмого каскада поступит разностный сигнал, равный 2 δ₀, и на его кодовом выходе будет также сформирована 1.

В идеальном кодирующем устройстве возможен лишь первый исход, так как такое устройство четко реагирует на соотношение U_pi > U_этi, кодового импульса 1. При этом на выходе кодера будет сформирована кодовая комбинация вида 1100100, соответствующая (64 + 32 + 0 + 0 + 4 + 0 + 0) δ₀= 100 δ₀.

В реальном кодирующем устройстве возможна некоторая неопределенность решения, так как схема, реагирующая на соотношение U_pi > U_этi может быть выполнена лишь с конечной точностью. При втором исходе формируется кодовая группа, соответствующая (64 + 32 + 0 + 0 + 0 + 2 + 1) 80 = 99 δ₀.

Из рассмотренного примера следует, что возможны дополнительные искажения сигналов, обусловленные конечной точностью осуществления процессов сравнения и вычитания, конечной стабильностью и точностью установки эталонных напряжений (токов) и т.п. По аналогии с шумами квантования эти искажения называются шумами кодирования и относятся к классу инструментальных погрешностей.

Рассмотренная схема кодера взвешивающего типа или поразрядного кодирования формирует натуральный двоичный код однополярного сигнала.

Структурная схема кодера, приведенная на рис. 2.8, а, поясняет только принцип поразрядного кодирования. Она может быть видоизменена с целью

Рис. 2.9. Обобщенная структурная схема кодера с декодером в цепи обратной связи

достижения тех или иных технических целей. Так, например, включением на выходе каждой схемы вычитания усилителя с коэффициентом усиления, равным двум, или удлинителя (аттенюатора) с коэффициентом передачи, равным 1/2, кодер может быть построен с использованием одного эталонного напряжения. Введение в схему кодера обратной связи при сохранении числа эталонов, равного m, позволяет уменьшить количество схем сравнения до 1 (рис. 2.9).

Принцип построения линейного кодера с обратной связью для кодирования однополярных положительных сигналов при использовании 7-разрядного кода (m = 7) показан на рис. 2.10.

Кодер состоит из компаратора (К), генератора эталонных токов (ГЭГ), логического устройства (ЛУ), устройства формирования ИКМ сигнала (УФ ИКМ). Последовательный характер процесса кодирования требует сохранения величины отсчета с высокой точностью в течение всего периода кодирования. Поэтому на вход кодера поступает сигнал АИМ-2. Процессы кодирования и формирования выходного сигнала происходят в УФ ИКМ под воздействием управляющих сигналов, поступающих от генераторного оборудования передающей станции (ГО_пер). Формирование эталонных токов осуществляется подключением общего источника опорного напряжения Е к цепочке, сопротивления отдельных ветвей которой связаны друг с другом двоичными соотношениями вида 2^i-1 R, где номер разряда i принимает значения 1, 2, 3,…,m. Подключение источника опорного напряжения к той или иной ветви происходит по командам, вырабатываемым ЛУ и воздействующим на ключи К_л1...К_л7. В исходном состоянии, предшествующем началу первого такта кодирования, все ключи разомкнуты, их сопротивления в идеальном случае бесконечно велики и токи I_эт в ветвях ГЭТ равны нулю. Поступление соответствующей команды с ЛУ вызывает замыкание ключа Кл_i источник опорного напряжения подключается к одному из прецизионных резисторов и формирует эталонный ток I_этi определяемый двоичным соотношением вида 2^m-I δ, который поступает на вход 2 компаратора К.

Компаратор К осуществляет сравнение сигналов на входах 1 и 2. Если напряжение на входе 1 больше или равно напряжению на входе 2, то сигнал на выходе 3 компаратора равен логическому 0, если U_BX1 меньше U_BX2, то на выходе 3 компаратора будет сигнал логической 1. Работой ГЭТ управляет ЛУ, алгоритм работы которого выбирают таким образом, чтобы последовательным включением и выключением эталонов установилось приближенное равенство сигналов на входах 1 и 2 компаратора. В соответствии с принципом взвешивания происходит процесс постепенного уравновешивания кодируемого сигнала суммой эталонов. Работу кодера рассмотрим на примере кодирования АИМ-2 отсчета, равного I_отс = 100 δ. Перед началом кодирования все ключи Кл₁…Кл₇ разомкнуты (рис. 2.10).

Рис. 2.10. Линейный кодер взвешивающего типа для однополярного сигнала

Первый такт. С поступлением отсчета I_отс = 100 δ на вход 1 компаратора К на 7-м выходе ЛУ, управляемого импульсами тактовой частоты ГО_пер, и соответствующем входе УФ ИКМ появляется 1. Ключ К₇ замыкается, и на вход 2 компаратора К поступает эталонный сигнал I_эт7 = 64 δ. Так как I_отс = 100 δ > I_эт7 = 64 δ, то на выходе компаратора К появляется 0. В результате этого ключ К₇ остается в замкнутом состоянии, и на выходе УФ ИКМ появляется 1.

Второй такт. На 6-м выходе ЛУ, управляемого импульсами тактовой частоты ГО_пер, и соответствующем входе УФ ИКМ появляется 1. Ключ К₆ замыкается, и на вход 2 компаратора К подается эталонный сигнал I_эт6 = 32 δ. Таким образом, на входе 2 компаратора формируется сигнал вида I_эт7 + I_эт6= 64 δ + 32 δ = 96 δ. Так как I_отс=100 δ > I_эт7 + I_эт6 = 64 δ + 32 δ = 96 δ, то на выходе компаратора К появляется 0. В результате чего ключ К₆ остается в замкнутом состоянии и на выходе УФ ИКМ появляется 1.

Третий такт. На 5-м выходе ЛУ, управляемого импульсами тактовой частоты ГО_пер, и соответствующем входе УФ ИКМ появляется 1. Ключ К₅ замыкается, и на вход 2 компаратора К подается эталонный сигнал I_эт5 =16 δ. Таким образом, на входе 2 компаратора формируется сигнал вида I_эт7 + I_эт6 + +I_эт5 = 64 δ + 32 δ + 16 δ = 112 δ. Так как I_отс=100 δ < I_эт7 + I_эт6 + +I_эт5 = 64 δ + 32 δ + 16 δ = 112 δ.,то на выходе компаратора К появляется 1. В результате чего ключ К₅ размыкается, эталонный сигнал I_эт5 = 16 δ от входа 2 компаратора отключается, на 5-м выходе ЛУ и на входе УФ ИКМ устанавливается 0, а следовательно, и на выходе кодера появляется 0. На входе 2 компаратора действует сигнал, равный I_эт7 + I_эт6 = 64 δ + 32 δ = 96 δ.

Четвертый такт. На 4-м выходе ЛУ, управляемого импульсами тактовой частоты ГО_пер, и соответствующем входе УФ ИКМ появляется 1. Ключ К₄ замыкается, и на вход 2 компаратора К подается эталонный сигнал I_эт4 = 8 δ. Таким образом, на входе 2 компаратора формируется сигнал вида I_эт7 + I_эт6 + I_эт4 = 64δ + 32δ + 8δ = 104δ. Так как I_отс=100δ < I_эт7 + I_эт6 + I_эт4 = 64δ + 32δ + 8δ = 104δ., то на выходе компаратора К появляется 1. В результате чего ключ К₄ размыкается, эталонный сигнал I_эт4 = 8δ от входа 2 компаратора отключается, на 4-м выходе ЛУ и на входе УФ ИКМ устанавливается 0, а следовательно, и на выходе кодера появляется 0. На входе 2 компаратора действует сигнал, равный I_эт7 + I_эт6= 64δ + 32δ = 96δ.

Пятый такт. На 3-м выходе ЛУ, управляемого импульсами тактовой частоты ГОпер, и соответствующем входе УФ ИКМ появляется 1. Ключ К3 замыкается, и на вход 2 компаратора К подается эталонный сигнал I_эт3 = 4δ. Таким образом, на входе 2 компаратора формируется сигнал I_эт7 + I_эт6+I_эт3 = 64δ + 32δ + 4δ = 100δ. Так как I_отс=100δ = I_эт7 + I _эт6 + I _эт3 = 64 δ + 32 δ + 4 δ, то на выходе компаратора К появляется 0. В результате ключ К5 остается замкнутым и на выходе УФ ИКМ формируется сигнал логической 1. Очевидно, что реализация шестого и седьмого тактов приводит к появлению на выходе кодера 0. Таким образом, по окончании седьмого такта кодирования на выходе кодера формируется кодовая комбинация вида 1100100. После завершения кодирования сигналы, поступающие от ГО_пер, переводят узлы кодера в исходное состояние, подготавливая его к кодированию следующего отсчета.

Большинство первичных сигналов являются двухполярными и, следовательно, для их кодирования необходимо применение соответствующего кодера. Для реализации кодера (рис. 2.11) требуется ГЭГ, формирующий эталонные сигналы для кодирования положительных и отрицательных отсчетов.

При необходимости кодирования 128 положительных и 128 отрицательных уровней потребуется 8-разрядная кодовая комбинация, причем высший разряд (8-й) будет кодировать полярность отсчета. При том же алгоритме работы компаратора, что и при кодировании однополярных сигналов, возникает следующая ситуация. Кодируя отсчет I_отс = 100δ и сравнивая с высшим эталоном I_эт7 = 64δ, получим I_отс - I_эт7 = 100 δ -64 δ >0. Данный эталон остается включенным. Сравнивая теперь I_отс = -100 δ с высшим эталоном I_эт7 = -64 δ, получим I_отс - I_эт7 = -100 δ - (-64 δ) < 0. Эталон при этом выключается. Для устранения указанного недостатка при кодировании отрицательных отсчетов на выходе компаратора К включается инвертор DD₁ значение сигналов на выходе компаратора будут инвертироваться и логическое устройство ЛУ будет принимать решение об оставлении или отключении соответствующего эталона.

Алгоритм работы линейного кодера двухполярных сигналов рассмотрим на примере кодирования отсчета отрицательной полярности I_отс = -100 δ.

Первый такт. Кодируемый отсчет поступает на вход 1 компаратора. Импульс от генераторного оборудования Г0_пер устанавливает на 8-м выходе 1. Ключ Кл⁺ замыкается и подключает положительные эталоны. Ключи положительных и отрицательных эталонов Кл₇...Кл₁ разомкнуты. На входе 2 компаратора ток I_эт = 0.

Поскольку сигнал имеет отрицательную полярность, т. е. I_отс < 0, то на выходе компаратора 3 появляется 1, которая через замкнутый ключ Кл, (выход 4) поступает на ЛУ и переводит 8-й выход в 0. При этом ключ Кл⁺ разомкнётся, а на выходе инвертора DD₂ появится 1, ключ КЛ^-, замкнется и к выходу 2 компаратора подключатся отрицательные эталоны, а ключ Кл подключит к выходу 3 компаратора инвертор DD₁. Следовательно, на 8-м выходе ЛУ остается 0, который и появляется на выходе УФ ИКМ сигнала.

Второй такт. Сигнал с выхода ГО_пер переводит 7-й выход ЛУ в состояние 1. Ключ Кл₇ отрицательных эталонов подключает к входу 2 компаратора эталон I_эт7 = - 64 δ. Так как разность I_отс - I_эт7 = -100 δ - (-64 δ) < 0, то на выходе компаратора формируется 1, а на выходе 4 инвертора DD₁ появляется 0 и эталонный ток I_эт7 = - 64 δ остается включенным.

Рис. 2.11. Линейный кодер взвешивающего типа для двухполярного

сигнала

Третий - восьмой такты будут аналогичными ранее рассмотренным выше этапам кодирования. Последовательность решений компаратора в процессе кодирования отсчета представлена на выходе 4 DD₁ (рис. 2.11) комбинацией символов 10011011.

Здесь левый символ 1 этой комбинации прошел с выхода компаратора до включения инвертора DD₁. По окончании восьмого такта кодирования на выходах ЛУ будет сформирована комбинация 01100100, представляющая в 8-и разрядном симметричном двоичном коде значение амплитуды отсчета -100 δ. Напомним, что символ высшего разряда кодовой комбинации определяет полярность отсчета.

Матричные кодеры. Принцип работы кодирующих устройств с кодовым полем - матричных кодеров, основан на использовании физической модели кодовой таблицы. Кодовая таблица физически определяет точное взаимное соответствие между номером разрешенного уровня и расположением импульсов и пробелов в кодовой комбинации. Если в кодере взвешивающего типа кодируемый отсчет сравнивается последовательно во времени с набором эталонных сигналов, а в кодере счетного типа происходит сопоставление кодируемого отсчета с эталонным временным интервалом, то в матричном кодере сигнал сопоставляется непосредственно с физической моделью кодовой таблицы - кодовым полем. Кодовое поле может быть выполнено либо в виде набора решающих устройств, либо в виде кодовой матрицы в специализированной электронно-лучевой кодирующей трубке (ЭЛКТ). При поступлении на вход такого кодера АИМ сигнала данной амплитуды приводятся в состояние возбуждения определенные элементы кодового поля (матрицы) и на выходе кодера формируется кодовая группа, которая соответствует определенному квантованному значению отсчета.

Матричные кодеры с решающими устройствами на электронных приборах содержат большое число коммутационных элементов, обладают невысокой точностью кодирования, и потому их можно использовать при кодировании с небольшим (до пяти) числом разрядов. Матричные кодеры на основе ЭЛКТ просты по своей идее, обладают высоким быстродействием и высокой точностью кодирования, но требуют высокой точности фокусировки и юстировки, высокого напряжения, обладают сравнительно большими габаритами, недостаточной надежностью и поэтому не нашли применения в ЦСП.

Декодеры с поразрядным суммированием токов. Процесс декодирования, обратный процессу кодирования, заключается в том, что в специальном устройстве - декодере - путем преобразования кодовых комбинаций вырабатываются импульсы, амплитуда которых пропорциональна квантованным отсчетам передаваемого сигнала. Так же, как и кодирование, декодирование может быть осуществлено различными способами. По аналогии с классификацией кодеров различают счетные, взвешивающие и матричные декодеры. Самое широкое применение в ЦСП на основе ИКМ нашли декодеры взвешивающего типа с поразрядным суммированием токов. Структурная схема линейного декодера такого типа для декодирования двухполярных сигналов приведена на рис. 2.12.

Рис. 2.12. Линейный декодер взвешивающего типа для двухполярного сигнала

Функционирование схемы рассмотрим на следующем примере. Пусть на вход декодера поступает кодовая комбинация вида 01100100, соответствующая двухполярному отсчету. Преобразователь кода ПК входящую кодовую комбинацию в последовательном коде преобразует в параллельный код.

На выходе логического устройства ЛУ формируются сигналы управления, коммутирующие ключи эталонов соответствующих разрядов. В симметричном коде высший разряд определяет полярность отсчета. В рассматриваемой кодовой комбинации высшему разряду соответствует 0. Следовательно, на выходе инвертора DD появляется 1, которая замыкает Кл, коммутирующий отрицательные источники эталонов. Далее замыкаются ключи Кл₇, Кл₆ и Кл₃, в результате чего формируется суммарный ток отрицательной полярности -100 δ. Преобразователь кода ПК и логическое Устройство ЛУ управляются тактовыми импульсами, поступающими от генераторного оборудования приема ГО_пр.

Дата добавления: 2015-08-26