Тема 7 — Квантование сигнала

Квантование сигнала

        Дискретизация непрерывных сигналов, преобразование электрического Сигнала, непрерывного во времени и по уровню, в последовательность дискретных (отдельных) либо дискретно-непрерывных сигналов, в совокупности отображающих исходный сигнал с заранее установленной ошибкой. К. с. осуществляется при передаче данных в телемеханике, при аналого-цифровом преобразовании в вычислительной технике, в импульсных системах автоматики и др.

         При передаче непрерывных сигналов обычно достаточно передавать не сам сигнал, а лишь последовательность его мгновенных значений, выделенных из исходного сигнала по определённому закону. К. с. производится по времени, уровню или по обоим параметрам одновременно. При К. с. по времени сигнал через равные промежутки времени М прерывается (импульсный сигнал) либо изменяется скачком (ступенчатый сигнал, рис.). Например, непрерывный сигнал, проходя через контакты периодически включаемого электрического реле, преобразуется в последовательность импульсных сигналов. При бесконечно малых интервалах включения (отключения), т. е. при бесконечно большой частоте переключений контактов, получается точное представление непрерывного сигнала. При К. с. по уровню соответствующие мгновенные значения непрерывного сигнала заменяются ближайшими дискретными уровнями, которые образуют дискретную шкалу квантования. Любое значение сигнала, находящееся между уровнями, округляется до значения ближайшего уровня.

         При бесконечно большом числе уровней квантованный сигнал превращается в исходный непрерывный сигнал.

         Лит.: Харкевич А. А., Борьба с помехами, 2 изд., М., 1965; Маркюс Ж., Дискретизация и квантование, пер. с франц., М., 1969.

         М. М. Гельман.

        Квантование

        Квантование сигнала: а — по времени; б — по уровню; x0(t) — исходный сигнал; x(t) — квантованный сигнал; Δt — интервал квантования; Δх — уровень квантования.

Квантование мгновенных значений сигнала

В процессе квантования по уровню значение каждого АИМ-отсчета заменяется ближайшим разрешенным значением.

Характеристиками квантующего устройства являются следующие:

· число уровней квантования NКВ;

· шаг квантования α — разность между двумя соседними разрешенными уровнями;

· напряжение ограничения UОГР — максимальное значение амплитуды отсчета, подвергаемого квантованию.

Если d = const, то квантование называют равномерным. Амплитудная характеристика равномерного квантователя показана на рис. 1.6.

Квантование

Рис. 1.6. Амплитудная характеристика равномерного квантователя

Ошибка квантования — разность между истинным значением отсчета и его квантованным значением. При равномерном квантовании величина ошибки квантования не превышает половины шага квантования.





При квантовании возникает так называемый шум квантования, мощность которого определяется выражением PШ.КВ (величина квантования) = α2/12. Защищенность от шумов квантования определяется как АЗ. КВ=10lg(PС/PШ.КВ).

Если входное напряжение выше порогового, на выходе квантователя формируются отсчеты с амплитудой UОГР — такой режим работы квантователя называется перегрузкой. При этом возникают шумы ограничения, мощность которых значительно превышает мощность шумов квантования. Необходимо применять специальные меры, предотвращающие перегрузку квантователя.

Недостатком равномерного квантования является меньшая защищенность от шумов квантования малых уровней сигнала.

Для обеспечения АЗ.КВ не менее 30 дБ во всем динамическом диапазоне речевого сигнала требуется 212=4096 уровней квантования.

Большое число разрядов в коде (m=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 малых значений сигналов шаг квантования выбирается минимальным и постепенно увеличивается, достигая максимального для больших значений сигналов. Амплитудная характеристика неравномерного квантователя показана на рис. 1.7.

Квантование

Рис. 1.7. Амплитудная характеристика неравномерного квантователя

При этом для слабых сигналов РШ.КВ уменьшается, а для сильных — возрастает, что приводит к увеличению АЗ.КВ для слабых сигналов и снижению АЗ.КВ — для сильных, которые имели большой запас по помехозащищенности. В результате удается снизить разрядность кода до m=8 (NКВ=256), обеспечив при этом выполнение требований к защищенности от шумов квантования в широком динамическом диапазоне сигнала DС, составляющем около 40 дБ. Таким образом происходит выравнивание АЗ.КВ в широком диапазоне изменения уровней сигнала.

Эффект неравномерного квантования может быть получен с помощью сжатия динамического диапазона сигнала с последующим равномерным квантованием. Сжатие динамического диапазона сигнала осуществляется с помощью компрессора, обладающего нелинейной амплитудной характеристикой. Чем большей нелинейностью обладает компрессор, тем больший выигрыш может быть получен для слабых сигналов.

Для восстановления исходного динамического диапазона сигнала на приеме необходимо установить экспандер (расширитель), амплитудная характеристика которого должна быть обратной амплитудной характеристике компрессора. Таким образом, результирующая (суммарная) амплитудная характеристика цепи компрессор-экспандер (компандер), должна быть линейной во избежание нелинейных искажений передаваемых сигналов.

В современных ЦСП находят применение две логарифмические характеристики компандирования (типов А и В ), которые удобно изображать и описывать в нормированном виде у=f(х), где у = UВЫХ/UОГР, x = UВХ/UОГР:

Квантование

Квантование

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

Характеристика компандирования типа А используется в ЦСП, соответствующих европейской ПЦИ, а типа В — в ЦСП, соответствующих североамериканской ПЦИ(Европейская плезиохронная цифровая иерархия).