Принципы квантования аналогового сигнала в цифровых системах

Процесс преобразования амплитуды аналогового сигнала в двоичный код осуществляется с помощью квантования. Как показано на рис. 6.17, определенному двоичному числу ставится в соответствие конкретный результат измерений амплитуды сигнала. Электрическая схема, называемая квантователем, выполняет измерение амплитуды и воспроизводит соответствующее число. При этом устанавливаются пороговые значения, формирующие дискретные полосы или уровни квантования, в которые попадают измеренные значения амплитуды.

Рис. 6.17. Дискретизация аналогового сигнала

В большинстве практических реализаций преобразованные числа представляют собой аппроксимацию истинных значений. Это связано с ограниченным набором чисел, которые могут быть представлены двоичным кодом фиксированной разрядности. Для кодирования выбирается значение из доступного набора, наиболее близкое к истинному измеренному значению. Таким образом, схема дискретизации преобразует непрерывный аналоговый сигнал в набор фиксированных двоичных чисел, обеспечивая его цифровое представление.

Погрешность квантования и шумы. Замена истинного значения приближенным приводит к возникновению погрешности квантования, представляющей отклонение приближенного значения от истинного. На рис. 6.17 эта погрешность обозначена символом "X". Данное отклонение вызывает дополнительный шум квантования, который воспринимается на слух в телефоне как характерный свистящий звук. Уровень этого шума может быть уменьшен путем увеличения количества уровней квантования, что достигается сужением пороговых полос.

Уменьшение ширины интервалов квантования требует увеличения количества битов в двоичном коде для представления большего количества дискретных уровней. Это создает компромисс между качеством сигнала и требованиями к пропускной способности: большее количество узких полос снижает шум, но требует более широкой полосы пропускания канала, тогда как меньшее количество полос увеличивает шум при меньших требованиях к полосе.

Шум незанятого канала и методы его подавления. Особой разновидностью шума является шум незанятого канала, возникающий при очень низких уровнях сигнала, когда шум квантования превышает уровень полезного сигнала. Этот эффект особенно заметен в паузах разговора, когда отсутствует маскирующий сигнал. Как показано на рис. 6.18, правильный расчет схемы квантования обеспечивает уровень шума ниже максимального значения первого интервала дискретизации.

Рис. 6.18. Шум незанятого канала связи, который возникает из-за погрешностей дискретизации

Для эффективного подавления этого шума используется методика, при которой только значения амплитуды, превышающие первое пороговое значение, вносят вклад в выходной сигнал. Первому интервалу присваивается нулевое значение, что обеспечивает автоматическое подавление шума при малых уровнях сигнала. Этот прием, известный как обнуление младшего уровня квантования, значительно снижает уровень шума незанятого канала и улучшает качество передачи речи в цифровых системах связи, таких как системы с импульсно-кодовой модуляцией (ИКМ).

Сведения об авторах и источниках:

Авторы: Бигелоу С.Д., Карр Д.Д., Виндер С..

Источник: Энциклопедия телефонной электроники.

Данные публикации будут полезны студентам и специалистам в области телекоммуникаций и сетевых технологий, инженерам, изучающим принципы передачи данных, а также всем, кто интересуется историей и эволюцией модемной связи и базовыми сетевыми протоколами.