18. Квантование по уровню, шумы квантования и их оценка. Равномерное и неравномерное квантование.

Квантование по уровню служит для определения разрядности кода. Оно предполагает деление всего диапазона амплитуд сигнала на отрезки. Отрезки между уровнями квантования называют шагом квантования.

Внутри таких шагов выбирают разрешенные для передачи уровни.

При квантовании по уровню амплитуда каждого АИМ-отсчёт округляется до ближайшего разрешенного к передаче уровня.

Квантованное значение отчета отличается от истинного, что приводит к ошибке квантования, а на приеме к шуму квантования.

Обычная стандартная разрядность кода в ЦСП с ИКМ равна 8. Кодовая комбинация определяет номер разрешенного для передачи уровня, которого достиг квантуемый отсчет.

При квантовании по уровню диапазон всех возможных значений исходного сигнала делится на разрешенные значения, называемые уровнями квантования.

Шум квантования равномерен и имеет спектр шире спектра исходного сигнала.

Шум квантования представляет собой последовательность импульсов, следующих с частотой дискретизации и имеющих случайную амплитуду.

Качество передачи оценивают показателем помехозащищённости сигнала от шумов квантования.

Для повышения помехозащищенности связи необходимо повысить помехозащищенность тех сигналов, вероятность появления которых в канале больше, т.е. слабых сигналов, при этом увеличится разрядность кода. С этой целью применяют неравномерное квантование:

Сигналы с низким уровнем квантуются с меньшим шагом, то есть шкала квантования становится неравномерной.

В общем случае для снижения уровня взаимных помех приходится вводить "защитные" временные интервалы, что соответствует некоторому расширению спектра сигналов.

Если шаг квантования во всем диапазоне преобразуемых информационных сигналов остается постоянным, то такое квантование называется равномерным. В противном случае квантование будет неравномерным, а само аналого-цифровое преобразование – нелинейным.

Недостатком равномерного квантования является малая защищенность от шумов квантования сигналов низких уровней. Поэтому для обеспечения защищенности A_зкв не менее 30 дБ во всем динамическом диапазоне речевого сигнала требуется 2¹² = 4096 уровней квантования. Таким образом, АЦП и ЦАП должны быть двенадцатиразрядными.

Большое число разрядов кода (m = 12) при равномерном квантовании приводит к усложнению аппаратуры и увеличению тактовой частоты. Применение неравномерного квантования позволяет устранить указанный недостаток. При неравномерном квантовании для малых сигналов шаг квантования выбирается минимальный. С ростом сигнала увеличивается и шаг квантования, достигая максимального значения для наибольших значений сигналов. В результате удается снизить разрядность кода до m = 8, обеспечив при этом выполнение требований к защищенности от шумов квантования в широком динамическом диапазоне сигнала. Таким образом происходит выравнивание защищенности Aзкв в широком диапазоне 93 изменения уровней сигнала, т.е. выравнивается относительная погрешность квантования ∆кв = (0,5 δ /Uх) 100% сигналов низкого и высокого уровня.

Неравномерное квантование реализуется при сжатии динамического диапазона сигнала, которое осуществляется с помощью компрессора, обладающего нелинейной амплитудной характеристикой. Для восстановления исходного динамического диапазона сигнала на приемной стороне необходимо установить экспандер, амплитудная характеристика которого должна быть обратной характеристике компрессора. При этом результирующая амплитудная характеристика пары преобразователей компрессор-экспандер (компандер), должна оставаться линейной.

При выбранной разрядности кода и выбранном шаге квантования, мощность шума квантования – величина постоянная, а значит и уровень постоянный. Помехозащищенность сигнала при равномерном квантовании зависит от величины сигнала. Т.е. чем меньше сигнал, тем помехозащищенность меньше.

Для повышения помехозащищенности связи необходимо повысить помехозащищенность тех сигналов, вероятность появления которых в канале больше, т.е. слабых сигналов. С этой целью применяют неравномерное квантование.