3. Квантование сигнала по уровню. Принцип равномерного и неравномерного квантования сигнала. Шумы квантования, способы их уменьшения.

Любая аппаратура обработки сообщений и систем передачи имеет конечную разрешающую способность. Это связано с ошибками, возникающими при обработке сигналов, и с наличием шумов в аппаратуре и каналах связи. При передаче телефонных сигналов ограничиваются динамическим диапазоном в 40 дБ. Дальнейшее увеличение разрешающей способности устройств обработки и передачи сигналов связанно со значительным усложнением аппаратуры. В связи с эти нет необходимости передавать бесконечное множество значений исходного сигнала, его можно ограничить конечным множеством «разрешенных» значений. Эти значения называются - уровнями квантования, выбор их количества определяет качество передачи сигнала. Процесс преобразования импульсов АИМ сигнала в кодовые последовательности называется - квантованием по уровню, и является вторым этапом формирования ИКМ сигнала. Этот процесс аналогичен процедуре округления чисел. Разность между двумя соседними разрешенными значениями называется - шагом квантования ∆. Если амплитуда отсчета сигнала в пределах двух соседних разрешенных значений превышает половину шага квантования, то её значение увеличивается в большую сторону, если меньше половины - то в меньшую сторону. Разность между истинным значением отсчета сигнала и его квантованным значением называется ошибкой квантования или шумом квантования. Если кодовая группа содержит т разрядов, то с ее помощью можно закодировать 2 в степени т уровней. Для двухполярного сигнала один разряд используется для определения полярности. Квантование называется равномерным, если шаг квантования остается постоянным. Средняя мощность шумов квантования при равномерном шаге: Р ш.кв. =∆²/12, значит чем меньше шаг квантования тем меньше шумы квантования. При равномерном квантовании относительная ошибка квантования зависит от величины отсчета входного сигнала. на рис. для первого отсчета сигнала максимальная ошибка составляет 1/8, а для второго 1/2 уровня исходного сигнала. недостатком равномерного квантования является то, что относительное значение ошибки квантования растет с уменьшением уровня сигнала. Для выравнивания относительной ошибки квантования при изменении средней мощности сигнала на входе кодера и уменьшения числа шагов квантования применяют неравномерное квантование. При неравномерном квантовании шаг квантования возрастает с увеличением уровня сигнала рис.3

Абсолютная ошибка квантования возрастает с увеличением уровня сигнала, а ее относительное значение не изменяется. Использование неравномерного квантования позволяет выровнять отношение сигнал-ошибка во всем диапазоне мощностей входного сигнала, а также сократить число шагов квантования в 2-4 раза по сравнению с равномерным квантованием. Неравномерная (нелинейная) амплитудная характеристика квантующего устройства может быть реализована несколькими способами: 1) сжатием динамического диапазона перед кодированием с помощью компрессоров и последующим расширением с помощью экспандеров (в настоящее время не применяется). 2) Цифровым компандированием (мало применяется). 3) Нелинейным кодированием и декодированием. В системах ИКМ применяется вместо плавной амплитудной хар-ки - сегментная хар-­ка, представляющая собой кусочно-ломанную аппроксимацию плавной хар-ки. Наибольшее распространение получила сегментная хар-ка компандирования типа А­87,6/13(так называемый А-закон), где 87,6 -коэффициент компрессии, 13-число сегментов из которых строится хар-ка Аналогично выглядит хар-ка для отрицательных значений входного сигнала.