Использующей импульсно-кодовую модуляцию

Принцип работы мультиплексора в этом случае отличается от рассмотренного ранее (при анализе АИМ) тем, что его электронные ключи используются только для коммутации входов с линией связи. Процесс дискретизации сигнала осуществляется ключами на входе каналов связи.

1. Исследовать процесс формирования группового сигнала и коммутации четырех каналов с помощью мультиплексора и демультиплексора при использовании ИКМ-сигналов. Выполнить следующие операции:

1.1. Подключить проводником гнездо контрольного сигнала F1 ко входу электронного ключа на входе первого канала.

1.2. Подключить проводником выход кодера первого канала к входу 0 мультиплексора.

1.3. Подключить вход 1 осциллографа к выходу мультиплексора. При этом наблюдается кодовая комбинация, соответствующая ИКМ сигналу первого канала.

1.4. Подключить вход 2 осциллографа к клемме СИ1 и проконтролировать наличие последовательности стробирующих импульсов, управляющих электронным ключом мультиплексора, и совпадение временных интервалов, соответствующих действию кодовой комбинации и стробирующего импульса. Зарисовать осциллограммы этих сигналов, расположив их друг под другом, с сохранением масштаба по временной оси и меток. При этом отметить только длительность кодовой комбинации, опуская отдельные кодовые символы.

1.5. Подключить вход 2 осциллографа к клемме СИ2.

1.6. Подключить проводником гнездо контрольного сигнала F2 к входу электронного ключа на входе второго канала, а выход кодера второго канала – ко входу 1 мультиплексора. Проконтролировать появление на выходе мультиплексора кодовой комбинации, соответствующей второму каналу. Она должна занять соседний временной интервал по отношению к комбинации первого канала. Этот интервал должен совпадать со временем действия стробирующего импульса. Зарисовать осциллограммы этих сигналов, расположив их друг под другом, с сохранением масштаба по временной оси. При этом отметить только длительность кодовой комбинации, не отмечая отдельных кодовых символов.

1.7. Подключить вход 2 осциллографа к клемме СИ3.

1.8. Подключить проводником гнездо контрольного сигнала F3 к входу электронного ключа на входе третьего канала, а выход кодера третьего канала – ко входу 2 мультиплексора. Повторить все операции, описанные в п. 1.6.

1.9. Подключить вход 2 осциллографа к клемме СИ4.

1.10. Подключить выход кодера четвертого канала ко входу 3 мультиплексора. Вход соответствующего электронного ключа при этом остается свободным. Повторить все операции, описанные в п. 1.6. В итоге на выходе мультиплексора сформирован цифровой сигнал, представляющий собой объединение четырех кодовых комбинаций. Кодовая комбинация четвертого канала соответствует нулевому уровню входного сигнала.

1.11. Включить пороговое устройство УР на приемном конце линии связи. Для этого установить тумблер на лицевой панели установки в положение «вкл».

1.12. Подключить вход 1 осциллографа к входу демультиплексора (контрольная точка КТ3). Проконтролировать наличие в этой точке группового сигнала. В данной установке групповой сигнал в этой точке (на выходе порогового устройства) инвертирован по отношению к сигналу на выходе мультиплексора.

1.13. Подключить вход 1 осциллографа к клемме СИ1 мультиплексора. Последовательно подключая вход 2 осциллоскопа к выходам демультиплексора, найти такую кодовую комбинацию, временной интервал для которой совпадает с временем действия стробирующего импульса. Номер выхода демультиплексора должен совпадать с заданным порядком коммутации каналов. Зарисовать осциллограмму сигнала на выходе демультиплексора. При этом отметить только длительность кодовой комбинации, не отмечая отдельных кодовых символов.

1.14. Последовательно подключать вход 1 осциллографа к клеммам СИ2, СИ3, СИ4 и, повторяя операции, описанные в предыдущем пункте, полностью определить установленный порядок коммутации и зарисовать осциллограммы сигналов на выходах демультиплексора.

1.15. Соединить проводниками входы демультиплексора со входами декодеров, а выходы декодеров – с соответствующими фильтрами. Подключая вход 1 осциллографа ко входам каналов, а вход 2 – к выходам в соответствии с установленным порядком коммутации, проконтролировать совпадение входных и выходных сигналов.

2. Оценить прохождение сигнала через мультиплексор-демультиплексор. Для этого выполнить следующую операцию:

Подключить входы 1, 2 осциллографа к входу и выходу одного из каналов связи, по которому передается испытательный сигнал (ко входу ЭК и выходу соответствующего ФНЧ). Убедиться в том, что аналоговый сигнал восстанавливается практически без искажений.

Содержание отчета

Итогом работы является серия осциллограмм, снятых в контрольных точках системы связи. Их следует расположить друг под другом, сохранив порядок, в котором они были сняты, временной масштаб и метки.

Контрольные вопросы

1. Какие существуют способы уплотнения каналов связи?

2. Как убедиться в том, что коммутация каналов производится в заданном порядке?

3. Как производится дискретизация сигналов?

4. Из каких соображений выбирают частоту дискретизации?

5. Какой принята частота дискретизации для речевых сигналов в телефонии?

6. Что такое амплитудно-импульсная модуляция (АИМ)?

7. Как получить сигнал с АИМ из аналогового сигнала?

Лабораторная работа 6

ИЗУЧЕНИЕ ОСОБЕННОСТЕЙ ФОРМИРОВАНИЯ СИГНАЛОВ С ИМПУЛЬСНО-КОДОВОЙ МОДУЛЯЦИЕЙ

Цель работы: изучить принципы кодирования и декодирования сигналов с импульсно-кодовой модуляцией (ИКМ), получить характеристики кодера и декодера, а также частотные характеристики фильтра, входящего в кодеки (или кофидеки), осуществляющие преобразования аналоговых сигналов в цифровые и обратно.

Теоретические сведения

Пример дискретизации в системе ИКМ с n -канальным мультиплексированием, внутриканальной синхронизацией (путем вставки синхро-группы из k бит после m фреймов) и линейного симметричного квантования с числом уровней l.

В примере выбраны n = 4, k = 4, m = 2, l = 8. Мгновенное значение сигнала изменяется в интервале (–4, +4). Для компактности все процессы дискретизации, квантования, кодификации, мультиплексирования и выравнивания показаны на рис. 6.1 [5].

Рис. 6.1

ИКМ-система последовательно выполняет следующие стандартные функции:

– дискретизацию сигнала в каждом из четырех каналов (Ch ₁… Ch ₄) с частотой f _д в последовательные нормированные моменты времени 0 (Ch ₁), 1 (Ch ₂), 2 (Ch ₃), 3 (Ch ₄), 4 (Ch ₁) и т. д. Выборки берутся периодически с периодом дискретизации 4 единицы, например, для Ch ₁ в моменты: 0, 4, 8, 12…, для Ch ₂: 1, 5, 9, 13, что соответствует фрейму, состоящему из 4 тайм-слотов;

– квантование выборок сигнала каждого канала, т. е. отображение непрерывного прерывного множества значений амплитуд выборок а из интервала (–4, +4) на дискретное множество из 8 уровней квантования, либо 0, 1, …, 7 – одностороннее (несимметричное) отображение (однополярный сигнал), либо, например, –3, –2,..., +4 – двустороннее (симметричное с точностью до уровня) отображение (двухполярный сигнал);

– двоичное кодирование квантованных значений. При схеме кодирования: знак-номер уровня и 8 уровнях квантования достаточно 4 бит на выборку: 1 знаковый бит и 3 бит на формирование двоичного номера уровня (2³ = 8). Используется следующий алгоритм отображения множеств, или алгоритм кодификации: если n – 1 < а < n, то а = n для всех а. Если а = 3.55, т. е. если 3 < а < 4, то а = 4, а если а = –0.78, т. е. –1< а < 0, то а = 0. В результате требований симметричности квантования получаем поток битов, показанный на рис. 6.1, где –3 → 1011, …, 0 → 0000, …, +4 → 0100;

– мультиплексирование каналов по схеме: объединение 4 каналов на входе в один канал на выходе – 4:1 с чередованием выборок отдельных каналов для создания потока битов выходного канала. Без учета синхронизации процесс мультиплексирования создает регулярный поток фреймов, состоящих из четырех выборок. Его регулярность нарушается необходимостью синхронизации, которая при внутриканальной синхронизации сводится к вставке синхрогруппы после m фреймов – этот процесс называется выравниванием фрейма. Для выравнивания необходимо сформировать мультифрейм – структуру состоящую из двух фреймов, что еще больше осложняет процесс мультиплексирования;

– выравнивание фрейма осуществляется путем формирования и вставки легко идентифицируемой синхрогруппы «1111» (не используемой в процессе кодификации) после двух регулярных фреймов, для чего выделяется один дополнительный тайм-слот. В результате на приемной стороне происходит синхронизация приемника с передатчиком, а повторяющаяся структура – результирующий мультифрейм – принимает вид: 8 выборок + синхрогруппа =

= 9 тайм-слотов. Существует понятие результирующий фрейм – формальный параметр, равный 9/2 = 4.5, показывающий, что период повторения регулярного фрейма изменился с 4 до 4.5 тайм-слотов. Из этого ясно, что мультиплексирование осуществляется «регулярно в среднем», с периодом повторения 4.5 слота, формируя за цикл один результирующий фрейм. Физически же информационные выборки формируются нерегулярно. Например, выборки в Ch ₁ берутся теперь в моменты времени 0, 4, 9, 13, 18, 22, 27 и т. д.

Общий вид четырех входных сигналов с выборками, взятыми последовательно в моменты времени 0, 1, 2, 3 и т. д., и их квантованные значения, полученные в результате кодификации, с учетом выравнивания показаны на рис. 6.1. Сформированный таким образом поток битов приведен в нижней части рисунка.

На приемной стороне происходит демультиплексирование указанной последовательности так, что в канал Ch ₁ попадут только квантованные кодифицированные выборки, взятые в моменты: 0, 4, 9,13, 18, 22, …. Из них затем (если нужно) и будут восстановлены с помощью фильтрации фильтрами нижних частот (ФНЧ) исходные аналоговые сигналы.

Методы двоичного кодирования и ошибки квантования. Для цифровых систем, как и для аналоговых, существуют шумы канала связи и шумы, возникающие в процессе преобразования сигнала, а значит, к ним применимы такие понятия, как отношение сигнал/шум и динамический диапазон.

Специфическими для цифровых систем являются шумы квантования. На рис. 6.2, например, показана разность между идеальным и реальным преобразованным сигналами – искажение, квалифицированное как шум, возникающий при линейном квантовании. Амплитуда искажений не зависит от амплитуды сигнала, делая наиболее уязвимой передачу сигналов низкого уровня. Для уменьшения искажений нужно увеличивать число уровней квантования, но, в отличие от звуковых Hi-Fi-систем, где используется 16, 18 и 20 бит на выборку, в цифровых системах связи выше 8 бит на выборку практически не используют, чтобы не увеличивать максимально необходимую скорость передачи.

Для улучшения ситуации используют методы нелинейного двоичного кодирования при квантовании. Они основаны на методах компандерного расширения динамического диапазона при передаче по каналу связи с ограниченным динамическим диапазоном, используемых в аналоговых системах. В них на входе системы сигнал сжимается с помощью компрессора до уровня, приемлемого для передачи по каналу связи, а на выходе из канала связи сигнал с помощью эспандера (осуществляющего обратное преобразование) восстанавливается (рис. 6.3) [7].

Для реализации такой схемы нелинейной кодификации достаточно выбрать требуемую степень компрессии и закон нелинейного преобразования, а затем решить проблему аппроксимации функции, соответствующей выбранному закону преобразования.

Рис. 6.3

Для нелинейных (прямого и обратного) преобразований входа-выхода выбирается пара ехр(х)–ln(х). Затем осуществляют аппроксимацию по методу, близкому к линейной неравномерной адаптивной аппроксимации, оптимально выбирая число и наклон прямолинейных аппроксимирующих сегментов. В результате получают закон, который, будучи стандартизован, используется в коммерческих системах.

Используются два таких закона для симметричного входного сигнала: А -закон (параметр А) и µ-закон (параметр µ), ниже х – вход, у – выход:

А -закон:

,

где z = A | x | для 0 < х < 1/ А или z = 1 + ln А | х | для (1/ А) < | х | < 1.

µ-закон:

.

А -закон (А = 87.6) используется в европейских системах ИКМ и дает минимальный шаг квантования 2/4096, µ-закон используется в американских системах ИКМ (D1 с µ = 100 и D2 с µ = 255), давая минимальный шаг квантования 2/8159. Указанный подход позволяет добиваться отношения сигнал/шум 30 дБ в динамическом диапазоне 48 дБ, что соответствует эквивалентной схеме кодирования с 13 бит на выборку.