Аналого-цифровое преобразование при ИКМ

Принципы аналого-цифрового преобразования на основе ИКМ были предложены в 1940 г. французским инженером А. Ривсом [2]. При ИКМ первичный аналоговый сигнал подвергается преобразованию в цифровую форму с помощью трёх операций: дискретизации во времени, квантования по уровню и кодирования.Таким образом АЦП ИКМ должен содержать дискретизатор, квантователь и кодирующее устройство (рис. 9.2.).

Рис. 9.2. Аналого-цифровой преобразователь ИКМ

Рис. 9.3. Временные диаграммы преобразования непрерывного сигнала в цифровой сигнал ИКМ:

а - дискретизация по времени; б – квантование по уровню;

в - последовательность двоичных импульсов (цифровой сигнал); г- погрешность квантования

Дискретизация непрерывного сигнала сводится к определению его отсчётов и (kТ_д) через интервал дискретизации T_д. В соответствии с теоремой Котельникова частота дискретизации f_д=1/Т_д должна быть не менее чем вдвое больше максимальной частоты спектра непрерывного сигнала. Так, для речевого сигнала выбрана f_д=8кГц ( Т_д= 125 мкс).

В квантователе устанавливаются уровни, разрешённые для передачи. Разницу между двумя ближайшими уровнями называют шагом квантования D. Если шаги квантования одинаковы и не зависят от уровня квантования, то квантование является равномерным.При различных шагах D_i квантование будет неравномерным. При квантовании отсчёты непрерывного сигнала, попадающие в интервал между разрешёнными уровнями, округляются до ближайшего разрешённого уровня. На рис.9.3.б. квантованные отсчёты u_кв(kТ_д) отмечены крестиками. Из-за округления в процессе квантования возникает погрешность квантования

e (kТ_д) = u_кв(kТ_д) - u(kТ_д). (9.1)

Эта погрешность является специфической (неустранимой, но контролируемой) помехой любого АЦП и называется шумом квантования. Шум квантования e (kТ_д) представляет собой случайную последовательность импульсов (рис. 9.3.г), максимальное значение которых не превышает половины шага квантования. Выбрав малый шаг квантования, можно обеспечить эквивалентность по заданному e - критерию исходного и квантованного сообщений (см. [1], §6.3).

Кодер АЦП преобразует квантованные отсчеты в кодовые комбинации, обозначающие соответствующие уровни (рис. 9.3.в). Чаще всего кодирование здесь сводится к записи номера уровня в двоичной системе счисления. Это так называемый натуральный двоичный код. В системах связи с ИКМ применяются и другие двоичные коды (код Грея, симметричный код). Таблица этих кодов для 16 уровней квантования приведена в [2], с.283, рис. 16.4.

В практических системах с ИКМ старший разряд кодовых комбинаций указывает полярность (знак) отсчётов (обычно 1- положительная, 0- отрицательная полярность). При известных значениях отсчётов и шаге квантования с помощью таблицы кода можно построить кодовые комбинации на выходе АЦП при ИКМ. Пример – см. [2], с.284, пример 16.2.