Практическое занятие(семинар) №3.
по теме «Нелинейное кодирование и декодирование сигналов»
Цель занятия:
1. Углубить и закрепить теоретические знания полученных на лекционных занятиях и в ходе самостоятельной работы по изучению рекомендованной литературы.
2. Изучить принципы нелинейного кодирования и декодирования различных сигналов и провести сравнительный анализ различных схем кодеров и декодеров, их достоинства и недостатки.
3. Изучить принцип работы нелинейного кодека с использованием характеристики компрессии типа А=87,6/13 и провести анализ алгоритма работы нелиней-ного кодера взвешивающего типа в каждой из восьми тактов.
Учебные вопросы практического(семинарского) занятия:
1. Сегментированная А-характеристика компрессии:
- Порядок формирование сегментов;
- Определение шага квантования сегментов;
- Кодирование.
2. Структура кодовой комбинации на выходе кодера (PXYZABCD)
3. Упрощенная структурная схема нелинейного кодера взвешивающего типа:
- Состав и назначение элементов схемы;
- Принцип работы.
4. Основные этапы формирования основных сигналов:
- Формирование знакового сигнала ( Р-1-й такт);
- Формирование кода номера сегмента (XYZ-такты 2-4);
- Формирование кода номера шага внутри сегмента (ABCD-такты 5-9).
5. Принцип цифрового компандирование и нелинейное декодирование.
Краткие методические указания к практическому(сем) занятию №2.
Семинарское занятие охватывает вопросы построения цифровых систем передачи информации. Для дальнейшего лучшего освоения учебного плана данное занятие имеет важное практическое значение. Т. к. здесь студенты ознакомиться общими требованиями предъявляемые к подготовке и проведения.
Учебные вопросы рассматривается, согласно плана семинара. При обсуждении вопросов желательно активно привлекать студентов для обсуждении вопросов, обращая внимание на техническую речь, умение аргументировать свое мнение.
1. Первый вопрос включает в себе особенности построение сегментированной А-характеристика компрессии, порядок формирование сегментов; определение шага квантования сегментов и кодирование. Охарактеризовать каждый из пунктов и отметить особенности нелинейного кодирование и провенсти сравнительный анализ с линейным кодированием. Проанализировать сегментированной А-характеристики компрессии.
2. Второй вопрос необходимо начинатьс с анализа структуры кодовой комбинации и проанализировать значения составляющих. Нарисовать характеристику и раскрыть обозначение характеристики компрессии типа А=87,6/13.
Третий вопрос включает в себе анализ и принцип работы упрощенной схемы нелинейного кодера взвешивающего типа. Нарисовать схему на рис. 2.2 и обяснить принцип кодирования с использованием принятой структуры кодовой комбинации.
Четветый вопрос рассматривается как основа понимания принципа работы нелинейного кодирования. Далее обсудить пошаговое опрределение значении элементов восьмиразрядной кодовой комбинации. При этом особое внимание обратить особенности формирования кода номера сегмента (шаги 2-4) и кода номера шага внутри сегмента (шаги 5-8). Обсуждение вопроса завершить решением примера по нелинейному кодированию заданного отсчета АИМ сигнала. Для закрепления принципа нелинейного кодирования необходимо дать задания каждому студенту свой вариант АИМ сигнала согласно таблице 1.
В заключительной части семинара обсудить принцип цифрового компандирования и нелинейное декодирование.
Подвести итог занятия. Отметить качество подготовки студентов к занятию. Отметить наиболее активных студентов. Обьявить и прокомментировать оценки и выставить оценки в журнал. Указать недостатки студентов по подготовке к семинару и дать рекомендации по их устранению к следующему семинару.
1. Основная литература
1.Цифровые системы передачи , , Москва, Горячая линия-Телеком. 2007 351с.
2. Цифровые и аналоговые системы передачи , Москва, Горячая линия-Телеком 2002 232с.
2. Дополнительная литература
1. Многоканальные системы передачи Москва, Новое знание 2002 750с.
2. Многоканальные системы передачи , , и др. Москва, Радио и связь 1996 559с.
3. К Конспект лекции по МСПИ-2 сайт КазНУ 2014.
4. Методические указания к практическим (семинарским) занятиям №3 по дисциплине
«Многоканальные системы передачи информации-2»
Краткие теоретические вопросы для подготовки к семинару №3:
1. Сегментированная А-характеристика компрессии:
- Порядок формирование сегментов;
- Определение шага квантования сегментов;
- Кодирование.
Варианты исходных данных для самостоятельного решения
№ вар. | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 | 10 |
Уровень АИМ сигн. | 612 δ0 | 626 δ0 | 638 δ0 | 644 δ0 | 655δ0 | 669 δ0 | 679 δ0 | 685 δ0 | 689 δ0 | 696 δ0 |
№ вар. | 11 | 12 | 13 | 14 | 15 | 16 | 17 | 18 | 19 | 20 |
Уровень АИМ сигн. | 716 δ0 | 728 δ0 | 737 δ0 | 745 δ0 | 755δ0 | 767 δ0 | 776 δ0 | 786 δ0 | 791 δ0 | 796 δ0 |
№ вар. | 21 | 22 | 23 | 24 | 25 | 26 | 27 | 28 | 29 | 30 |
Уровень АИМ сигн. | 815 δ0 | 824 δ0 | 838 δ0 | 842 δ0 | 857δ0 | 868 δ0 | 875 δ0 | 884 δ0 | 889 δ0 | 912 δ0 |
В современных ЦСП используются нелинейные кодеки, для удобства реализации, которых, на цифровых в схемах целесообразно отказаться от плавной характеристики компрессии и заменить ее сегментированной характеристикой, представляющей собой кусочно-ломаную аппроксимацию плавной характеристики компрессии.
На рис. 2.1 приведена сегментированная А-характеристика компрессии для положительных сигналов. Формально общее число сегментов на полной характеристике составляет 16, однако четыре центральных сегмента фактически образуют один сегмент, вследствие чего фактическое число сегментов равно 13.
Поэтому такую характеристику называют характеристикой компрессии типа A=87,6/13. Каждый из сегментов характеристики содержит 16 шагов квантования, а их общее число равно 256. При этом принята следующая нумерация сегментов Nc и шагов квантования Nш внутри каждого сегмента: Nc=0,1,2,... ,7 и Nш =0, 1, 2,..., 15.
Внутри каждого сегмента шаг квантования оказывается постоянным, т. е. осуще-вляется равномерное квантование, а при переходе к сегменту с большим порядковым номером шаг квантования увеличивается в 2 раза, так как наклон сегмента уменьшается в двое.
Самый маленький шаг квантования δ0 соответствует двум первым сегментам Nc =0,1 и оказывается равным δ0=Uогр/(128*16=2-11Uогр.
Таким образом, максимальный шаг квантования δ7=26δ0, т. е. в 64 раза превышает минимальный шаг. При переходе к второму сегменту шаг квантования увеличивается в 2 раза, т. е. становится равным 2 δ0, вследствие чего Аз. кв. резко уменьшается, а затем в пределах данного сегмента возрастает с ростом рс, поскольку внутри сегмента осуществляется, равномерное квантование. Такой характер изменения Аз. кв. наблюдается и при переходе ко всем последующим сегментам.
Рис. 2.1. Характеристика компандирования типа А = 87,6/13
Структура кодовой комбинации, формируемой на выходе кодера с характеристикой А = 87,6/13, имеет вид PXYZABCD,
где Р — знаковый символ (1—для положительных сигналов, 0 — для отрицательных);
XYZ — символы кода номера сегмента Nc.
ABCD — символы кода номера шага внутри сегмента Nш.
Если, например, положительный отсчет на входе кодера имеет амплитуду, соответствующую девятому шагу квантования в шестом сегменте, то на выходе кодера будет сформирована комбинация 11101001 (P=l, XYZ=110), так как Nc=6, ABCD = 1001, так как Nш=9).
В табл. 2.1 приведены основные параметры, характеризующие нелинейное кодирование с использованием характеристики А = 87,6/13.
2. Упрощенная структурная схема нелинейного кодера взвешивающего типа:
Схемы и принцип действия нелинейных кодеков взвешивающего типа в основ-ном те же, что и у линейных кодеков. Наибольшее отличие заключается в последова-тельности включения эталонных источников в процессе кодирования исходного сигнала.
На рис. 2.2 представлена упрощенная структурная схема нелинейного кодера взвешивающего типа, содержащая схему сравнения (СС), схему переключения и суммирования эталонов (СПСЭ), две схемы формирования эталонных сигналов (ФЭ1 и ФЭ2) для положительных и отрицательных отсче-тов, управляющую логическую схему (УЛС).
Рис. 2.3. Зависимость
Рис. 2.2. Нелинейный кодер взвешивающего типа
3. Структура кодовой комбинации на выходе кодера (PXYZABCD)
4. Основные этапы формирования основных сигналов:
- Формирование знакового сигнала ( Р-1-й такт);
- Формирование кода номера сегмента (XYZ-такты 2-4);
- Формирование кода номера шага внутри сегмента (ABCD-такты 5-9).
Кодирование осуществляется в течение восьми тактов, в каждом из которых формируется один из символов кодовой комбинации. При этом можно выделить три следующих этапа:
1) формирование знакового символа Р (такт 1);
2) формирование. кода номера сегмента XYZ (такты 2—4);
3) формирование кода номера шага внутри сегмента ABCD (такты 5—8).
В первом такте определяется знак поступившего на вход кодера очередного о. тсчета. Если отсчет положительный, то формируется Р=1 и к схеме подключается ФЭ1, а в противном случае формируется Р=0 и к схеме подклюю-чается ФЭ2.
Во втором такте УЛС с помощью СПСЭ обеспечивает подачу на вход СС эталонного сигнала Uэт=128 δ0, соответствующего нижней границе четвер-того сегмента. Если амплитуда отсчета Uаим≥Uэт=128 δ0, то принимается решение, что отсчет попадает в один из четырех старших сегментов (Nc=4 ...7), формируется очередной символ Х=1, который по цепи обратной связи поступает на вход УЛС. Если же Uаим<Uэт=128 δ0, то принимается решение, что отсчет попадает в один из четырех младших сегментов (Nc=0...3), и формируется символ Х = 0, который по цепи обратной связи поступает на вход УЛС.
Формирование кода номера сегмента осуществляется следующим образом (рис. 2.1)
Рис. 5.29. Алгоритм формирования кода номера 
сегмента
В третьем такте формируется третий символ комбинации (Y). В зависимости от значения предыдущего символа (X) уточняется номер сегмента, в который попадает кодируемый отсчет. Если Х=1, то УЛС с помощью СПСЭ обеспечивает подачу на вход СС эталонного напряжения Uэт=512δ0, соответствующего нижней границе шестого сегмента (см. табл. 5.1). Если Uаим≥Uэт=512δ0, то принимается решение, что отсчет попадает в один из двух старших сегментов (Nc=6 или Nc=7), и формируется очередной символ Y=l, который по цепи обратной связи поступает на вход УЛС. Если Uаим<Uэт=512δ0, то принимается решение, что отсчет попадает в четвертый или пятый сегмент, и формируется Y=0. Если Х=0, то УЛС с помощью СПСЭ обеспечивает подачу на вход СС эталонного напряжения Uэт=32δ0, соответствующего нижней границе второго сегмента.
Если Uаим≥Uэт=32δ0, то принимается решение, что отсчет попадает во второй и третий сегменты, и формируется Y=l. Если Uаим<Uэт=32δ0, то принимается решение, что отсчет попадает в один из двух младших сегментов, и формируется
Y = 0.
В четвертом такте кодирования формируется символ Z, т. е. последний символ в коде номера сегмента. В зависимости от значений предыдущих символов (XY) окончательно устанавливается номер сегмента, соответствующего данному отсчету.
Так, если Х=1 и Y=0, то включается эталонное напряжение Uэт=256δ0, соответствующее нижней границе пятого сегмента. Если Uаим≥Uэт=256δ0, то принимается решение, что отсчет попадает в пятый сегмент, формируется символ Z=l и эталонное напряжение Uэт=256δ0 остается включенным до конца процесса кодирования данного отсчета.
Если Uаим<Uэт=256δ0, то принимается решение, что отсчет попадает в четвертый сегмент, формируется Z=0 и до конца процесса кодирования включается Uэт=128 δ0, соответствующее нижней границе четвертого сегмента.
В результате после четырех тактов кодирования сформируются четыре символа комбинации (PXYZ) и к СС подключится одно из восьми эталонных напряжений, соответствующих нижней границе сегмента, в который попадает кодируемый отсчет.
В оставшихся четырех тактах последовательно формируются символы ABCD кодовой комбинации, значение которых зависит от номера шага квантования внутри сегмента, соответствующего амплитуде кодируемого отсчета. Поскольку внутри любого сегмента осуществляется равномерное квантование, то процесс кодирования реализуется, как и в линейных кодерах взвешивающего типа, с помощью последовательного включения эталонных напряжений, соответствующих данному сегменту (см. табл. 2.1).
Пример:
Если на вход кодера поступил положительный отсчет с амплитудой Uаим =672δ0, то после первых четырех тактов сформируются символы PXYZ= 1110 и к СС подключится эталонное напряжение Uэт=512δ0, соответствующее нижней границе шестого сегмента.
В пятом такте к этому эталонному сигналу добавится максимальное эталонное напряжение Uэт=256δ0, соответствующее старшему символу (А) в коде номера шага квантования для шестого сегмента. Так как Uаим=672δ0< Uэт=512δ0+256δ0, то формируется символ А=0 и вместо Uэт=256δ0 в шестом такте подключается эталонное напряжение следующего разряда Uэт=128 δ0. Поскольку, Uаим=672δ0>Uэт=512δ0+128δ0, то на выходе СС формируется символ В=1, эталонное напряжение не изменяется и в следующем седьмом такте подключается эталонное напряжение очередного разряда Uэт=64δ0.
Так как Uаим=672δ0< Uэт=512 δ0+128δ0 +64 δ0,, формируется символ С = 0 и эталонное напряжение данного разряда Uэт=64δ0 отключается.
В последнем такте подключается эталонное напряжение младшего символа (D) Uэт=32δ0. Поскольку Uаим=672δ0=Uэт=512δ0+128δ0+32 δ0, формируется сим-вол D=1 и процесс кодирования данного отсчета заканчивается. Таким образом, на выходе кодера будет сформирована кодовая комбинация 11100101.
Вывод:
В процессе кодирования могут использоваться 11 эталонных сигналов, однако к моменту завершения процесса кодирования ФЭ2 любого отсчета ока-жутся включенными не более пяти эталонных сигналов (один из них соответ-ствует нижней границе сегмента, не более четырех — эталонным сигналам в пределах соответствующего сегмента).
В рассмотренном случае окажутся включенными только три эталонных сигнала (512δ0,128 δ0 и 32 δ0). В общем случае неизбежно будет возникать ошибка квантования Uош.кв, максимальное значение которой равно половине шага квантования в пределах соот-ветствующего сегмента, т. е. [Uош.кв]≤0,5δ0 для нулевого и первого сегментов и Uош.кв]≤32δ0 для седьмого сегмента.
Схемы и принцип действия нелинейных кодеков взвешивающего типа в основном те же, что и у линейных кодеков. Наибольшее отличие заключается в последовательности включения эталонных источников в процессе кодирования исходного сигнала.
Для кодирования сигнала одной полярности в формирователе эталонных сигналов кодера необходимо формировать 11 эталонных сигналов (подчеркнуты в табл. 2.1).
Таблица 2.1
Эталонное напряжение нижней границы сегмента | Эталонное напряжение при кодировании в пределах сегмента | |||
δί | 2δί | 4δί | 8δί | |
0 | 1 δ0 | 2 δ0 | 4 δ0 | 8 δ0 |
16 δ0 | 1 δ0 | 2 δ0 | 8 δ0 | 16 δ0 |
32 δ0 | 2 δ0 | 4 δ0 | 16 δ0 | 32 δ0 |
64 δ0 | 4 δ0 | 8 δ0 | 32 δ0 | 64 δ0 |
128 δ0 | 8 δ0 | 16 δ0 | 64 δ0 | 128δ0 |
256 δ0 | 16 δ0 | 32 δ0 | 128δ0 | 128δ0 |
512 δ0 | 32 δ0 | 64 δ0 | 128δ0 | 256δ0 |
1024 δ0 | 64 δ0 | 128δ0 | 256δ0 | 512δ0 |
На рис. 2,1 представлена упрощенная структурная схема нелинейного кодера взвешивающего типа, содержащая схему сравнения (СС), схему переключения и суммирования эталонов (СПСЭ), две схемы формирования эталонных сигналов (
и 
) для положительных и отрицательных отсчетов, управляющую логическую схему (УЛС).
Кодирование осуществляется в течение восьми тактов, в каждом из которых формируется один из символов кодовой комбинации. При этом можно выделить три следующих этапа:
1) формирование знакового символа Р (такт 1);
2) формирование. кода номера сегмента XYZ (такты 2—4);
3) формирование кода номера шага внутри сегмента ABCD (такты 5—8).
В первом такте определяется знак поступившего на вход кодера очередного о. тсчета. Если отсчет положительный, то формируется Р=1 и к схеме подключается ФЭ1, а в противном случае формируется Р=0 и к схеме подключается ФЭ2.
Формирование кода номера сегмента осуществляется следующим образом (рис. 2.1).
Во втором такте УЛС с помощью СПСЭ обеспечивает подачу на вход СС эталонного сигнала Uэт=128 δ0, соответствующего нижней границе четвер-того сегмента (см. табл. 2.1). Если амплитуда отсчета Uаим≥Uэт=128 δ0, то прини-мается решение, что отсчет попадает в один из четырех старших сегментов (Nc=4 ...7), формируется очередной символ Х=1, который по цепи обратной связи поступает на вход УЛС. Если же Uаим<Uэт=128 δ0, то принимается решение, что отсчет попадает в один из четырех младших сегментов (Nc=0...3), и формируется символ Х = 0, который по цепи обратной связи поступает на вход УЛС.
В третьем такте формируется третий символ комбинации (Y). В зависимости от значения предыдущего символа (X) уточняется номер сегмента, в который попадает кодируемый отсчет. Если Х=1, то УЛС с помощью СПСЭ обеспечивает подачу на вход СС эталонного напряжения Uэт=512δ0, соответствующего нижней границе шестого сегмента (см. табл. 5.1). Если Uаим≥Uэт=512δ0, то принимается решение, что отсчет попадает в один из двух старших сегментов (Nc=6 или Nc=7), и формируется очередной символ Y=l, который по цепи обратной связи поступает на вход УЛС. Если Uаим<Uэт=512δ0, то принимается решение, что отсчет попадает в четвертый или пятый сегмент, и формируется Y=0. Если Х=0, то УЛС с помощью СПСЭ обеспечивает подачу на вход СС эталонного напряжения Uэт=32δ0, соответствующего нижней границе второго сегмента.
Если Uаим≥Uэт=32δ0, то принимается решение, что отсчет попадает во второй и третий сегменты, и формируется Y=l. Если Uаим<Uэт=32δ0, то принимается решение, что отсчет попадает в один из двух младших сегментов, и формируется
В четвертом такте кодирования формируется символ Z, т. е. последний символ в коде номера сегмента. В зависимости от значений предыдущих символов (XY) окончательно устанавливается номер сегмента, соответствующего данному отсчету.
Так, если Х=1 и Y=0, то включается эталонное напряжение Uэт=256δ0, соответствующее нижней границе пятого сегмента. Если Uаим≥Uэт=256δ0, то принимается решение, что отсчет попадает в пятый сегмент, формируется символ Z=l и эталонное напряжение Uэт=256δ0 остается включенным до конца процесса кодирования данного отсчета.
Если Uаим<Uэт=256δ0, то принимается решение, что отсчет попадает в четвертый сегмент, формируется Z=0 и до конца процесса кодирования включается Uэт=128 δ0, соответствующее нижней границе четвертого сегмента.
В результате после четырех тактов кодирования сформируются четыре символа комбинации (PXYZ) и к СС подключится одно из восьми эталонных напряжений, соответствующих нижней границе сегмента, в который попадает кодируемый отсчет.
В оставшихся четырех тактах последовательно формируются символы ABCD кодовой комбинации, значение которых зависит от номера шага квантования внутри сегмента, соответствующего амплитуде кодируемого отсчета. Поскольку внутри любого сегмента осуществляется равномерное квантование, то процесс кодирования реализуется, как и в линейных кодерах взвешивающего типа, с помощью последовательного включения эталонных напряжений, соответствующих данному сегменту (см. табл. 2.1).
Пример:
Если на вход кодера поступил положительный отсчет с амплитудой Uаим =672δ0, то после первых четырех тактов сформируются символы PXYZ= 1110 и к СС подключится эталонное напряжение Uэт=512δ0, соответствующее нижней границе шестого сегмента.
В пятом такте к этому эталонному сигналу добавится максимальное эталонное напряжение Uэт=256δ0, соответствующее старшему символу (А) в коде номера шага квантования для шестого сегмента. Так как Uаим=672δ0< Uэт=512 δ0+256 δ0, то формируется символ А=0 и вместо Uэт=256δ0 в шестом такте подключается эталонное напряжение следующего разряда Uэт=128 δ0. Поскольку, Uаим=672δ0>Uэт=512δ0+128δ0, то на выходе СС форми-руется символ В=1, эталонное напряжение не изменяется и в следующем седьмом такте подключается эталонное напряжение очередного разряда Uэт=64δ0.
Так как Uаим=672δ0< Uэт=512 δ0+128δ0 64 δ0,, формируется символ С = 0 и эталонное напряжение данного разряда Uэт=64δ0 отключается.
В последнем такте подключается эталонное напряжение младшего символа (D) Uэт=32δ0. Поскольку Uаим=672δ0=Uэт=512δ0+128δ0+32 δ0, формируется сим-вол D=1 и процесс кодирования данного отсчета заканчивается. Таким образом, на выходе кодера будет сформирована кодовая комбинация 11100101.
Вывод:
В процессе кодирования могут использоваться 11 эталонных сигналов, однако к моменту завершения процесса кодирования ФЭ2 любого отсчета ока-жутся включенными не более пяти эталонных сигналов (один из них соответ-ствует нижней границе сегмента, не более четырех — эталонным сигналам в пределах соответствующего сегмента).
В рассмотренном случае окажутся включенными только три эталонных сигнала (512δ0,128 δ0 и 32 δ0). В общем случае неизбежно будет возникать ошибка квантования Uош.кв, максимальное значение которой равно половине шага квантова-ния в пределах соответствующего сегмента, т. е. [Uош.кв]≤0,5δ0 для нулевого и первого сегментов и Uош.кв]≤32δ0 для седьмого сегмента/
