Квантование сигнала по уровню

АИМ сигнал является дискретным по времени, но непрерывным по уровню, так как амплитуда отсчетов может принимать бесконечное множество значений. Операции квантования по уровню и кодирования, как правило, осуществляются в одном устройстве, называемом аналого-циф­ровым преобразователем (АЦП) или кодером.

Значение зависит от вида передаваемого сигнала и требований к качеству передачи. Помимо общего числа уровней квантования квантующее устройство ха­рактеризуется шагом квантования и напряжением ог­раничения.

Шагом квантования называется разность между двумя соседними разрешенными уровнями, а определяет максимальное значение амплитуды отсчета, подвергаемого квантова­нию. Очевидно, что Если шаг кванто­вания во всем диапазоне изменений амплитуды сигналов остается постоянным, т.е. то квантование называется равно­мерным.

Рис. 5.10. Принципы равномерного (а) и неравномерного (б) кван­тования

На рис. 5.10 истинное значение .амплитуды каждого АИМ от­счета (до операции квантования) указано стрелкой. Как видно из рисунка, вне зависимости от амплитуды отсчета Можно показать, что средняя мощность шумов квантования при равномерном квантовании

При уменьшении в 2 раза мощность шумов квантования уменьшается в 4 раза, а защищенность возрастает на 6 дБ (см. рис. 5.12).

Число уровней квантования однозначно связано с разряд­ностью кода , необходимой для кодирования квантованных АИМ отсчетов. При использовании двоичных кодов . Оценим необходимое число разрядов при использовании равномерного квантования.

Для двуполярных сигналов

Если требуется обеспечить защищенность от шумов кванто­вания во всем Динамическом диапазоне сигнала не менее чем. = 30 дБ, то оказывается, что потребуется = 12 ( =4096). При этом защищенность для сигналов с максимальной амплитудой, (сильных) будет более чем на 30 дБ превышать

Большое число разрядов в коде ( =12) при равномерном квантовании приводит к усложнению аппаратуры и неоправдан­ному увеличению тактовой частоты. Устранить указанный суще­ственный недостаток можно, осуществляя неравномерное квантование, которое используется в современных ЦСП. Сущность неравномерного квантования заключается в следующем. Для сла­бых сигналов шаг квантования выбирается минимальным и посте­пенно увеличивается, достигая максимальных значений для силь­ных сигналов (рис. 5.10,6). На рис. 5.11,6 приведена амплитудная характеристика квантователя при неравномерном квантовании. При этом для слабых сигналов уменьшается, а для сильных — возрастает, что приводит к увеличению для слабых сигналов и снижению — для сильных, которые имели большой запас по помехозащищенности (см. рис. 5.12).

Рис. 5.14. Зависимость = Рис. 5.15. Амплитудные характери-

= при неравномерном квантовании стики компандеров

В результате удается снизить разрядность кода до =8 ( =256), обеспечив при этом выполнение требований к защищенности от шумов кван­тования в широком динамическом диапазоне сигнала D_c, состав­ляющем около 40 дБ (рис. 5.14).

В современных ЦСП находят применение две логарифмические характеристики компандирования (типов Ли ), которые удобно изображать и описывать в нормированном виде , где =

где А = 87,6 и =255 — параметры компрессии.

Характеристика компандирования типа А используется в ЦСП, соответствующих европейской иерархии, а типа — в ЦСП, соот­ветствующих североамериканской иерархии.