Скляр Б. Цифровая связь (2003) (1151859), страница 23
Текст из файла (страница 23)
Для большинства каналов речевой связи доминируют очень низкие тона; 50% времени напряжение, характеризующее энергию обнаруженной речи„составляет менее четверти среднеквадратиче- 2.7. Квантование с постоянным и переменным шагом 109 значение в децибелах =1018 —. Рз 1з (2.21) В устройстве с равномерным квантованием слабые сигналы будут иметь на 40дБ худшее отношение сигнал/шум, чем сильные сигналы. В стандартной телефонной связи для обработки большого диапазона возможных входных уровней сигналов используется не обычное устройство с равномерным квантованием, а устройство с логарифмическим сжатием. При этом отношение сигнал/шум на выходе не зависит от распределения уровней сигнала на входе.
1,о 0,9 и8 ий О',. о,е з е О 5 Я О,л с й о,з ь о 0,2 о,! Я.е 0 0 5 ! 0 ! 5 2,0 2 5 З,О 3,5 4,0 Амплитуда речевого сигнала относительно среднекватчтатического значения таких амплитуд Рис. 212 Стотистичсскок рослрсдгленис аннлитуд речи одного лицо ского значения. Значения с большими амплитудами встречаются относительно редко; только 15% времени напряжение превышает среднеквадратическое значение. Из уравнения (2.18,б) видно, что шум квантования зависит от шага (размера интервала квантования). Если шаг квантования постоянен, квантование является равномерным (квантованием с постоянным нгагом).
При передаче речи подобная система будет не- экономной; многие уровни квантования будут использоваться довольно редко. В системе, использующей равномерное квантование, шум квантования будет одинаковым для всех амплитуд сигнала. Следовательно, при таком квантовании отношение сигнал/шум будет хуже для сигналов низких уровней, чем для сигналов высоких уровней.
Неравномерное квантование может обеспечить лучшее квантование слабых сигналов и грубое квантование сильных сигналов. Значит, в этом случае шум квантования может быть пропорциональным сигналу. Результатом является повышение общего отношения сигнал/шум — уменьшение шума для доминирующих слабых сигналов за счет повышения шума для редко встречающихся сильных сигналов. На рис.
2 18 сравнивается квантование слабого и сильного сигналов при равномерном и неравномерном квантовании. Ступенчатые сигналы представляют собой аппроксимации аналоговых сигналов (после введения искажения вследствие квантования). Улучшение отношения сигнал/шум для слабого сигнала, которое дает неравномерное квантование, должно быть очевидным. Неравномерное квантование может использоваться при фиксации отношения сигнал/шум для всех сигналов входного диапазона. Для сигналов речевого диапазона, динамический диапазон типичного входного сигнала составляет 40 дБ, где значение в децибелах определяется через отношение мощности Р, к мощности Р;.
Нерееномерноекеентоееяие рееномерпоекеентоеение Рие. Д!8. Равномерное и неравномерное квантование еигнавав 2.7.2. Неравномерное квантование 2.7.3. Характеристики компандирования В ранних системах РСМ функции сжатия были гладкими логарифмическими. Боль- шинство современных систем использует кусочно-линейную аппроксимацию функ- ции логарифмического сжатия. В Северной Америке р-уровневая характеристика уст- ройства сжатия описывается следуюгцим законом: 1п[1+ р(Фх )[ у= у „кап х, (2.22) 2.7. Квантование с постоянным и переменным шагом Одним из способов получения неравномерного квантования является использование устройства с неравномерным квантованием с характеристикой, показанной на рис.
2.19, а. Гораздо чаще неравномерное квантование реализуется следующим образом: вначале исходный сигнал деформируется с помощью устройства, имеющего логарифмическую характеристику сжатия, показанную на рис. 2.19, б, а потом используется устройство квантования с равномерным шагом. Для сигналов малой амплитуды характеристика сжатия имеет более крутой фронт, чем для сигналов большой амплитуды.
Следовательно, изменение данного сигнала при малых амплитудах затронет большее число равномерно размещенных уровней квантования, чем то же изменение при больших амплитудах. Характеристика сжатия эффективно меняет распределение амплитуд входного сигнала, так что на выходе системы сжатия уже не существует превосходства сигналов малых амплитуд. После сжатия деформированный сигнал подается на вход равномерного (линейного) устройства квантования с характеристикой, показанной на рис, 2.19, в. После приема сигнал пропускается через устройство с характеристикой, обратной к показанной на рис.
2.19, б и называемой Расширением, так что общая передача не является деформированной. Описанная пара этапов обработки сигнала (сжатие и расширение) в совокупности обычно именуется компандированием. где +1 при х >0 зйа х = — 1 при х<0 р — положительная константа, х и у — напряжения на входе и выходе, а х и у максимальные положительные амплитуды напряжений на входе и выходе. Характеристика устройства сжатия показана на рис. 2.20, а для нескольких значений р. В Северной Америке стандартным значением для р является 255. Отметим, что р = 0 соответствует линейному усилению (равномерному квантованию). Выход Вход а) Выход Выход Вход 6) 1,0 1,0 0,8 0,6 0,4 0,2 В Европе для описания характеристики устройства сжатия используется несколько иной закон: 112 я т о н з Ш Рис. 2Р9 Прииеры характеристик: а) характеристика нерав- нонерносо устройство квантования; б) характеристика сжа- тия; е) .«арактеристика равномерного устройства квантования 0,6 Ы а ".
0,6 а 0,4 0,2 0 0,2 0,4 0,6 0,6 1,0 0 0,2 0,4 0,6 0,6 1,0 Вход,)х)/х»»ы Вход, ) х ) /х»»»» а) 6) Рис. 220, Характеристики устройств сжатия: а) для различ- ных значений)с) б) бог различных значений А Глава 2. Форматирование и низкочастотная модуляция АЦх//х 1+ !а А 1+!п(А(!х!/х „)) у пах 1„А ~Ю О« —— И 1 х „А 1 !х) — « — 1 А х (2.23) Здесь А — положительная константа, а х и у определены так же, как и в формуле (2.22).
На рис. 2.20, б изображены характеристики устройств сжатия для нескольких значений А. Стандартным значением для А является величина 87,6. (Обсуждение темы равномер- ного и неравномерного квантования продолжается в главе 13, раздел 13.2.) 2.8. Низкочастотная передача 2.8.1. Представление двоичных цифр в форме сигналов 2.8.2. Типы сигналов РСМ При применении импульсной модуляции к двоичному символу получаем двоичный сигнал, называемый сигналом с имлульско-кодовой модуляцией (рцве-соде пюбц!абоп— РСМ). Существует несколько типов РСМ-модулированных сигналов; они изображены на рис.
2.22 и будут описаны ниже. В приложениях телефонной связи зти сигнапы часто именуются кодами канала (1!пе соде). 2.8. Низкочастотная передача В разделе 2.6 показывалось, как аналоговые сигналы преобразовываются в двоичные цифры посредством использования РСМ. В результате этого не получается ничего "физического", только цифры.
Цифры — зто просто абстракция, способ описания информации, содержащейся в сообщении. Следовательно, нам необходимо иметь чтото физическое, что будет представлять цифры или "являться носителем" цифр. Чтобы передать двоичные цифры по низкочастотному каналу, будем представлять их электрическими импульсами. Подобное представление изображено на рис.
2.2!. На рис. 2.21, а показаны разделенные во времени интервалы передачи кодовых слов, причем каждое кодовое слово является 4-битовым представлением квантованной выборки. На рис. 2.21, б каждая двоичная единица представляется импульсом, а каждый двоичный нуль — отсутствием импульса. Таким образом, последовательность электрических импульсов, представленная на рис.
2.21, б, может использоваться для передачи информации двоичного потока РСМ, а значит информации, закодированной в квантованных выборках сообщения. Задача приемника — определить в каждый момент приема бита, имеется ли импульс в канале передачи. В разделе 2.9 будет показано, что вероятность точного определения наличия импульса является функцией энергии принятого импульса (или площади под графиком импульса). Следовательно, ширину импульса Т'(рис. 2.21, б) выгодно делать как можно больше. Если увеличить ширину импульса до максимально возможного значения (равного времени передачи бита 7), то получится сигнал, показанный на рис.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
