Кодеки и комбинированные схемы

На рис. 7.7 была приведена блок-схема цифровой платы линейного интерфейса. На ней изображены объединенные кодер и декодер в единый кодек ТСМ2910А и схема интерфейса кодека с интегральной микросхемой ТСМ2912С. Интегральная микросхема ТСМ2912С содержит фильтры как для передаваемого, так и принимаемого сигналов. Интегральная схема управления абонентской линией связи, ТСМ4204, обеспечивает необходимый переход от четырехпроводной к двухпроводной линии связи.

Для экономии на ряде видов оборудования, достаточно большая часть абонентских линий может мультиплексироваться с использованием одного кодека. Такой способ является, однако, компромиссным. Большое количество телефонных аппаратов окажутся неработоспособными в случае выхода из строя одного кодека. Дополнительно к этому, аналоговое мультиплексирование с разделением по времени является достаточно сложным процессом и осложняется проблемами перекрестных помех. Здравый смысл подсказывает, что индивидуальный кодек для каждой абонентской линии является наилучшим решением проблемы.

Представленная на рис. 7.7 схема относится к случаю использования для одной абонентской линии или одного канала связи. Также возможна ситуация, когда один кодек используется несколькими линиями с использованием мультиплексного оборудования. Такой подход позволяет экономить на оборудовании, так как требуется использовать меньшее количество кодеков. Однако при использовании одного кодека на несколько абонентских линий возникает ряд существенных проблем. Первая связана с надежностью или простоем. Если большое количество линий мультиплексируются с использованием одного кодека, то все эти линии окажутся неработоспособными в случае выхода из строя одного кодека. Вторая проблема связана с тем, что метод аналогового мультиплексирования с разделением во времени является очень сложным и менее гибким процессом по сравнению с цифровым мультиплексированием. Кроме этого, подобные кодеки, предназначенные обслуживать большое количество линий, гораздо сложнее при проектировании в виде однокристальной интегральной микросхемы, прежде всего, из-за перекрестных помех, возникающих между отдельными каналами связи, и требований обеспечения необходимой производительности по скорости передачи.

Из-за перечисленных проблем, а также потенциально очень большого объема линий (существует более 600 миллионов абонентских телефонных линий связи), стоимость которых могла бы быть снижена, большинство производителей в мире нацелены на использование персонального кодека для каждой телефонной линии. Ожидаемое снижение стоимости следует из стандартной зависимости стоимости разработки, в соответствии с которой стоимость изделия электронной техники значительно снижается при больших объемах его производства.

Основные области использования кодеков в системах телефонной связи связаны с районными АТС, оборудованием и устройствами сопряжения цифровых каналов связи с голосовыми каналами, автоматическими офисными телефонными станциями и цифровыми телефонными аппаратами. Также возможно использование кодеков в других, не связанных с телефонией, областях, но объемы такого применения будут незначительными.

Работа кодека

В сущности, во всех кодеках используется принцип аппроксимирования, приведенный в иллюстративной форме на рис. 7.10.

Рис. 7.10.Кодек, обслуживающий отдельный канал связи

В направлении передачи сигнала сигнал абонента проходит дискретизацию в усилителе, также выполняющем функции дискретизатора-синхронизатора, кодируется с использованием компаратора напряжения и уплотняющего цифро-аналогового преобразователя (ЦАП), а также соответствующего аппроксимирующего регистра.

Результирующие сжатые данные в двоичной форме под управлением схемы синхронизации передаваемых данных загружаются в буфер данных, перемещаются в соответствующий временной ИКМ-слот. При приеме передаваемого сигнала информация в цифровом виде поступает по абонентской линии через другой буфер в расширяющий (для сжатых данных) цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП) и синхронизируется в буфере синхронизирующим генератором принимаемых данных. Уплотняющий цифро-аналоговый преобразователь, действующий как аналого-цифровой преобразователь, вырабатывает напряжение, которое запоминается в приемном усилителе дискретизаторе-синхронизаторе, а затем поступает через восстанавливающий низкочастотный фильтр для сглаживания.

В базовой конфигурации кодека используется цифровая техника для выполнения уплотнения (компандирования), цифро-аналогового и аналого-цифрового преобразования и т.д., и все это – при соблюдении условия точной синхронизации.

Кодирование с компандированием, или нелинейное компандирование, было обсуждено в главе 6; иллюстрация, приведенная на рис. 7.11, позволяет добавить ряд существенных деталей.

Рис. 7.11. Более подробная иллюстрация процесса компандирования (нелинейного сжатия), выполняемого с использованием μ-характеристики

Кривая μ-характеристики приведенного (нормализованного) входного сигнала для положительных значений в зависимости от выходного напряжения используется в качестве примера потому, что является самой распространенной на территории США. Для использования на практике характеристика в кодеке представляется в виде отдельных сегментов, представляющих линейно-кусочную аппроксимацию характеристики.

Весь диапазон значений выходного сигнала делится на 16 сегментов, называемых хордами, – 8 хорд для положительных значений сигнала и 8 хорд для отрицательных значений. Каждая хорда разбивается на 16 интервалов. Каждый интервал в любой конкретной хорде представлен в коде выходного сигнала одним и тем же количеством разрядов, однако при увеличении величины выходного сигнала, когда он располагается в хорде с более высоким номером, при кодировании интервалам присваивается более высокий номер.

Как показано для второго сегмента выходного сигнала (хорда номер 2), код выходного сигнала возрастает в 4 раза для каждого интервала данного сегмента, тогда как для восьмого сегмента выходного сигнала для каждого интервала код выходного сигнала возрастает в 256 раз. Как показано на рис. 7.11, полный код процесса компандирования представляет комбинацию (двоичных) цифр из 8 разрядов. Один разряд предназначен для обозначения знака сигнала (плюс или минус), 3 разряда предназначены идентифицировать хорду и 4 оставшихся разряда – для идентификации интервала.

Для выполнения операции кодирования с компандированием в кодеке при дискретизации сигнала используется μ-характеристика. Увеличение величины каждого интервала с уровнем сигнала происходит с увеличением числового значения кода выходного 8-разрядного сигнала. Пошаговое увеличение является линейным в пределах каждого сегмента (хорды) зависимости, однако величина шага возрастает по логарифмическому закону для каждого нового сегмента.

Интегральная микросхема ТСМ2910А

Интегральная микросхема ТСМ2910А компании Texas Instruments представляет законченный компандирующий кодек с μ-характеристикой. Она разрабатывалась в качестве кодека с импульсно-кодовой модуляцией и обладает полным набором функций, необходимых для создания интерфейса с четырехпроводной телефонной линией, предназначенной для работы в качестве стандартной цифровой линии передачи с временным разделением, такой, например, как линия Т1. Каждая из присущих интегральной микросхеме ТСМ2910А функций может быть обнаружена на блок-схеме, приведенной на рис. 7.12.

Рис. 7.12.Блок-схема интегральной микросхемы ТСМ2910А

Данная интегральная микросхема полностью совместима с интегральной микросхемой ТСМ2912С, выполненной в виде фильтра.

Микрокристалл интегральной микросхемы ТСМ2910А может быть разбит на три отдельных области или блока: блок передаваемого сигнала, блок управления и блок принимаемого сигнала. Схема эталонного или опорного напряжения блока управления обеспечивает точное значение эталонного напряжения для схемы цифро-аналогового преобразователя. Цифро-аналоговый преобразователь выполняет две важнейшие функции в схеме кодека. Прежде всего, он преобразует и расширяет сжатые цифровые ИКМ данные в аналоговый выходной сигнал, который поступает на фильтр. Во-вторых, схема цифро-аналогового преобразователя также используется в качестве части схемы аналого-цифрового преобразователя, которая преобразует отфильтрованный аналоговый сигнал, поступающий из абонентской линии связи, в сжатые с использованием кодово-импульсной модуляции данные, предназначенные для передачи. Другая схема управления переключает кодек из режима приема сигнала в режим передачи.

В интегральную микросхему ТСМ2910А также встроены две дополнительные функции. Внешняя схема контроля энергопотребления позволяет отключаться кодеку, когда он не используется. В больших по размерам системах это может обеспечить существенную экономию электроэнергии. Также предусмотрен внешний контроль распределения временных слотов (интервалов). Такая гибкость схемы позволяет микропроцессору управлять синхронизацией принимаемых и передаваемых кодовых групп в кодеке. На рис. 7.13 приводится схема соединений между интегральными микросхемами ТСМ2910А и ТСМ2912С.

Рис. 7.13.Стандартный интерфейс фильтр/кодек