Квантование

Процесс квантования заключается в определении значения амплитуды каждого отсче­та и присвоении этой величине соответствующего двоичного значения. Самое простое — это равномерное квантование. При этом типе квантования диапазон амплитуды входного сигнала (при равномерном квантовании он обычно составляет 30 дБ) разбивается на под­диапазоны с одинаковой величиной шага. Внутри каждого шага величина измеряемого сигнала считается постоянной. Величина исходного сигнала может принимать любое зна­чение между шагами квантования. Однако на выходе сигналу присваивается значение в точке начала квантового шага и оно сохраняется неизменным до его конца. Это значение передается в виде кода, обозначающего номер кванта. На приемном конце этот номер де­кодируется равным значению в середине шага квантования. В табл. 1.1. показан пример квантования сигнала.

Таблица 1.1. Пример квантования

В первом столбце таблицы приведены моменты времени квантования.

Во втором приведены значения исходного сигнала в эти моменты времени.

В следующем столбце приведен код, присвоенный после квантования. Он состоит из:

знака сигнала (1 — обозначает отрицательный сигнал, 0 — положительный);

кода сигнала на передаче.

Код сигнала указывает номер кванта. Шаг квантования принят 1. Всего имеется 6 шагов квантования. При этом сигналы -1,9 и -1,7 имеют отрицательный знак (1), а код сигнала (номер кванта) -2 (010).

Два сигнала +5,8 и +5,3 имеют положительный знак (0) и закодированы номером кванта (ПО). На приемном конце их значение +5,5.

В реальной системе для передачи речи (построения станции) выбраны 256 квантов. Это число позволяет обеспечить хорошую разборчивость речи. Для двоичного кодирования та­кого числа квантов нужно 8 разрядов. Максимальная принятая частота речевого сигнала, как было сказано ранее, равна 3,4 кГц. Частота дискретизации fд при fсигнала = 3,4 кГц долж­на удовлетворять условию fд, > 6800 имп/с. Принимается значение 8000 имп/с. Одна дискрета кодируется 8-разрядным кодом, поэтому скорость передачи информации на линейном участке должна составлять 8000x8 = 64 кбит/с. Это — скорость стандартного цифрового канала при им пульс но-кодовом методе модуляции (ИКМ).

Отметим, что искажения при малых амплитудах сигналов будут больше, чем при больших, поскольку независимо от амплитуды величина искажения Δ = q/2, т.е. равна половине шага квантования. Соответственно, искажение сигнала величиной в 1 квант составит 50 %, а для сигнала величиной в сто квантов относительное искажение будет в 100 раз меньше, т.е. 0,5 %.

Для реальных систем это свойство отрицательно влияет на качество речи, поскольку ис­кажает и без того слабые сигналы. Особенно это сказывается при междугородной связи, где на транзитных участках приходится много раз преобразовывать сигнал из цифровой формы в аналоговую и обратно. При этом слабые сигналы могут быть искажены до уровня шума. Выходом из этого положения является неравномерное кодирование или, как его еще назы­вают, компандирование.