Что такое компандирование

Одной из важнейших характеристик качества квантизатора является отношение уровня сигнала к уровню шума дискретизации аналогового сигнала (в англоязычной литературе используется сокращение SQR). Для линейных систем отношение уровней сигнала к шуму дискретизации представляет отношение величины входного сигнала к 1/4 величины интервала дискретизации. (Данное значение, равное 0,25 для усредненного значения шума дискретизации, определено статистическими методами при условии, что при достаточно большом промежутке времени кодированные входные сигналы имеют равномерное распределение уровней внутри каждой из полос, задаваемых пороговыми значениями.)

Это означает, что отношение уровней сигнала к шуму дискретизации возрастает с увеличением амплитуды сигнала, поэтому сигналы с более высоким уровнем будут иметь более высокое значение отношения (выше качество), чем сигналы с малым уровнем, или слабые сигналы.

Одной очень важной характеристикой качества устройства дискретизации является величина соотношения уровней сигнала к уровню шума дискретизации. Интервалы дискретизации стараются установить как можно меньше для сигналов в области малого уровня и больше – для сигналов с высоким уровнем.

На рис. 6.20 показано, что слабый сигнал с амплитудой 1 имеет отношение уровней сигнала к шуму дискретизации, равное 4, тогда как сильный сигнал с амплитудой 5 имеет отношение уровней сигнал/шум дискретизации, равное 20.

Рис. 6.20.Отношение уровней сигнала к шуму дискретизации (SQR) возрастает с уровнем сигнала в линейном кодере

Это условие не является очень уж желательным, так как слабые сигналы всегда более вероятны, чем сигналы с высоким уровнем; кроме того, сигнал с более высоким уровнем имеет тенденцию маскировать любой присутствующий шум.

Средством, позволяющим исправить такое положение дел, является определение размеров интервалов дискретизации в зависимости от уровня входного сигнала, так чтобы интервалы были меньше для слабых сигналов и больше для сильных сигналов. Такое положение дел даст нелинейную зависимость уровня выходного сигнала от уровня входного и приведет к тому, что выходной сигнал будет сжат по отношению к входному. Соответствующая зависимость изображена на рис. 6.21.

Рис. 6.21. Кривая компандирования, используемая в компандере

Следует отметить, что на данном рисунке входной сигнал, который возрастает по амплитуде от значения 1/2 до 1, в кодированном виде изменяется в 16 раз, тогда как для входного сигнала, изменяющегося от 1/64 до 1/32, выходной сигнал в кодированном виде изменяется в то же самое количество раз — 16.

Таким образом, изменения в слабом сигнале производят такие же изменения значений выходного сигнала, как и в сигнале, большем по величине в 32 раза. Данный прием в технике получил название метода сжатия.

В приемном устройстве линии передачи сигнала у декодера имеется дополняющая функция расширения для того, чтобы восстановить линейность сигнала после произведенного сжатия. Комбинация таких блоков, определяющих характеристики сжатия и расширения (восстановления) в кодеке, получила название компандера (образовано из начальной и конечной частей английских слов compressor/expander, означающих устройства сжатия и расширения).

При использовании компандера отношение уровней сигнал/шум дискретизации, SQR, сохраняется практически постоянным во всем диапазоне изменения уровня входного сигнала. Совокупность всего оборудования цифрового канала, установленного в начале и в конце цифрового канала передачи данных в коммутируемых сетях общего пользования, которые предназначены для измерения величины аналогового сигнала при его дискретизации, дискретизации и кодирования для преобразования речевого сигнала в битовый формат, получила название совокупности оборудования и устройств сопряжения цифровых каналов связи с аналоговыми каналами (channel bank).

В приемном устройстве декодер воспроизводит рассмотренный процесс в обратном порядке. Интервалы дискретизации устанавливаются таким образом, чтобы они имели большие величины для слабых сигналов для того, чтобы исправить отношение сигнал/шум дискретизации.

Компандирование с использованием μ-характеристики

В широко развитой телефонной сети, такой, например, как система (сеть) телефонной связи компании Bell в США, большое количество цифровых каналов взаимодействуют друг с другом, поэтому каждая совокупность оборудования и устройств сопряжения цифрового канала связи должна использовать общую и стандартную для всех схему, выполняющую как преобразование аналогового сигнала в цифровую форму, так и операцию компандирования.

Схема, удовлетворяющая данным требованиям, имеет достаточно длинное наименование «стандарт ИКМ цифрового кодирования с компандированием в соответствии с характеристикой, параметр которой μ = 255» и которая обычно для простоты обозначается как μ – характеристика (или микрозависимость). Работа схемы компандирования построена на использовании логарифмической зависимости, которая может быть выражена в виде соотношения:

где:

х — приведенное (нормализованное) значение входного сигнала (заключено между –1 и +1);

sgn(x) — знак положительной или отрицательной полярности входного сигнала;

μ — параметр сжатия, установлен равным 255 для сетей связи в странах Северной Америки;

Fμ(x) — значение сжатого выходного сигнала.

В любой сети цифровой системы связи должна быть стандартизованная схема, выполняющая компандирование (операции сжатия и расширения). Стандартом, принятым в системе телефонной связи компании Bell, является применение компандеров, в которых используется μ-характеристика (или микрозависимость).

При работе кодирующего устройства используется кусочно-линейная аппроксимация логарифмической кривой, которая представлена на рис. 6.21. Кодирующее устройство вырабатывает 8-разрядный выходной сигнал: 7 разрядов предназначены для кодирования величины сигнала, а восьмой — для характеристики его знака. Самый левый (самый старший значащий) разряд предназначен для обозначения знака.

При положительной полярности входного сигнала в данном разряде используется двоичная 1, и для отрицательной полярности входного сигнала — двоичный 0. Остальные разряды кодовой группы (7 оставшихся битов) указывают абсолютное значение входного сигнала. Так как частота измерений при дискретизации, как было определено ранее, составляет 8000 замеров в секунду, скорость передачи данных по индивидуальному голосовому каналу при использовании для кодирования оборудования, использующего μ – характеристику, будет составлять: 8000 замеров в секунду, умноженные на 8 битов в секунду при каждом замере, что составит 64 тыс. битов в секунду. Реальная скорость передачи данных для большинства цифровых средств и оборудования намного выше, чем только что указанная, так как для подавляющей части каналов используется совместное мультиплексирование.

Аналоговый сигнал кодируется в 8-разрядный двоичный код. Семь разрядов (или битов) предназначены для кодирования и передачи уровня сигнала, а восьмой разряд указывает полярность сигнала (двоичная 1 используется для положительной полярности сигнала, двоичный 0 – для отрицательной). Скорость передачи определяется скоростью (частотой) измерений при дискретизации и числом битовых единиц, приходящихся на одно измерение.