Способы организации кодека при неравномерном квантовании

Как было показано ранее при равномерном квантовании защищенность от шумов квантования будет минимальным для слабых сигналов и увеличивалась прямо пропорционально повышению уровня сигнала.

Для выравнивания этой величины при изменении сигнала в широких пределах, а также для минимизации типа разрядов в кодовой группе применяют неравномерное квантование..

В этом случае шаг квантования имеет минимальное значение для слабого сигнала и адаптируется для сильных сигналов (с мощным уровнем). Это более эффективный способ снижения мощности шумов квантования. Известно, что плотность распределения вероятности мгновенных речевых сигналов, убывает энергия с ростом интенсивности и сигнала, этот факт используется в адаптированных кодеках.

При фиксированном количестве уровней квантования точность цифровой передачи повысится в среднем, если сигнал, вероятность появления которого велика, квантовать с меньшим шагом, а маловероятностный сигнал квантовать с большим шагом, тогда уровень сигнала определяет зависимость текущего шага квантования.

В результате квантование должно быть неравномерным, а используют кодеры – нелинейны. При этом уменьшается число разрядов кодовой группы при неизменном количестве передачи.

В основном используют три варианта построения нелинейных кодеров, работающим по принципу:

1. сжатие динамического диапазона передаваемого кодирующим с линейной шкалой квантования и последующим его расширения после декодирования с помощью компандеров мгновенного действия.

2.

Принцип: цифровое компандирование.

 

Компрессия– сжатие, а наоборот - экспандирование. А все вместе компандирование.

 

 

 

 

3. построение с помощью нелинейного кодирования и декодирования

 

U(t)

1. НФП - нелинейный функциональный преобразователь, который обеспечивает изменение динамического диапазона сигнала в соответствии с заданной характеристикой

 

 

Введем обозначение x и y

 

нормированное к

Совместные действия компрессора и линейного квантователя равносильно действию нелинейного квантователя.

Недостаток: нелинейные преобразователи и должны быть мгновенного действия, т.е. мгновенно реагировать на каждую отчетную выборку АИМ, сигнала, независимо от предлагаемой выборки. В результате на обратной стороне экскандер должен иметь плоскую взаимообратную характеристику. Технически реализовать это сложно, поэтому на практике более широко используют следующие два способа:

 

n(t)

2. НЦП – нелинейный цифровой преобразователь.

 

 

 

 

 

На ЦПП преобразуют кодовую комбинацию текущего отсчета в кодовую комбинацию N.

Алгоритмически реализуется нелинейная шкала преобразования, согласно которому видно, что меняется в меньших пределах и для его отображения требуется меньшее число разрывов кодовой комбинации. Это позволяет уменьшить тактов f. Из-за цифровой реализации и алгоритма, с взаимообратной характеристикой, построить значительно легче, т.к. нелинейная операция с цифровыми проводить проще и они могут быть легко перестроены по любому нелинейному закону. Поэтому данный переход является универсальным для построения цифровой системы передачи.

 

3. Нелинейное кодирование

В данном случае кодер непосредственно преобразует по нелинейному закону амплитуды выборочных значений U(t), формируя на выходе кодов комбинации двоичных чисел N.

Нелинейный кодер реализуется в виде устройства содержащего нелинейный кодер в цепи ОС. На обратной (приемной) стороне происходит обратное преобразование. Такой способ принят в системе передачи с ИКМ 30.

Все три способа обеспечивают выравнивание характеристики защищенности от шумов квантования для заданного входного сигнала.

Второй и третий способ обеспечивают лучшую стабильность характеристик канала передачи.

 

Законы компандирования

Так как в рассмотренном устройстве решается основная задача, связанная с выравнивание и характеристики защищенности от шумов квантования и уменьшения число в разрядности кодов комбинации.

Основная трудность представляет поиск специальных характеристик, компандирования, обеспечивающих передачу преобразующих сигналов с минимальными погрешностями. Речь идет об амплитудных характеристиках в кодерах, так как нелинейно спроектировать оптимизированное устройство не удается, используют квазиоптимизирующие характеристики компрессии динамического диапазона сигнала. Эти характеристики должны обеспечить с одной стороны, равномерную зависимость

действительное напряжение и другие стороны должно быть максимальным это отношение. Доказано, что таким требованием удовлетворяет квазилогарифмические законы компрессии, среди которых наибольшую популярность приобрели законы.

Рассмотрим типовую амплитудную нелинейную характеристику компрессора, в которых шаг квантования зависит от входного сигнала.

 

 

 

Соответственно этот переменный шаг квантования определяется крутизной амплитудной характеристики.

шаг при неравномерном квантовании

равномерное квантование

 

Для того, чтобы обеспечить постоянство величины шумов квантования нужно чтобы произведение было бесконечно постоянным

 

Решая последнее уравнение, получаем, что характеристика компрессора является логарифмической.

Получим выражение для закона компандирования

 

 

 

Данная характеристика увязывает водные характеристики кодера от действительного U и позволяет получить одинаковую защищенность от шумов квантования при большом длинном диапазоне входных сигналов.

Параметр = 100……1000

 

.

Из данного графика следует, что в пределах малых U сигналов крутизна амплитудной характеристики практически остается постоянной, т.е. шаг квантирования в этих пределах остается почти постоянным.

Поэтому выигрыш в помехозащищенности для слабых сигналов определяется отношением шага равномерного квантирования к шагу неравномерного квантирования при стремлении 0

При больших значениях параметра происходит резкое изменение функции , что не позволяет технически создать компрессор с такой характеристикой. В этом случае применим закон компандирования.

Характеристика этого закона состоит из двух участков: линейного и нелинейного. Сам закон описывается парой выражений:

 

стыковки двух характеристик, где произведение равно друг другу

 

Если получим близкие по форме законы компандирования

Зарисуем характеристику.

закон применяется в ЦСП ИКМ ЗО в виде 13 сегментной аппроксимации квазилогарифмичские характеристики компрессора

 

 

Всего 14 сегментов. Центральный сегмент рассматривается как единый сегмент, отсюда следует, что характеристика стала 13-ти сегментной.

- порог ограничения кодера.

амплитудная характеристика кодера разделена на 16 равных сегментов, в пределах каждого сегмента размещается 16шагов квантирования и при восьми разрядном нелинейном кодировании.

Первый разряд имеет шифрованного о полярности отсчета входного сигнала, три следующие разряда отображают N сегментов в который попал текущий отсчет и следующий четвертый разряд отображает N шага квантования в этом сегменте. Шаг квантования от сегмента к сегменту измениться и в зависимости от N сегмента определяется выражением:

 

 

Амплитудная характеристика декодера бывает взаимообратной