Принципы аналого-цифрового преобразования и кодирования сигналов

Процесс преобразования аналогового сигнала в цифровую форму включает этап дискретизации, в результате которого получается дискретное число. Это число необходимо представить в битовой форме, то есть в виде набора двоичных разрядов. Данный набор, известный как кодовая комбинация, является фундаментальным элементом цифрового сигнала. Преобразование дискретизированного значения в код является ключевой задачей последующего этапа обработки.

Устройство, выполняющее операцию преобразования дискретного сигнала в битовый код, получило название кодера или устройства кодирования. Функционально противоположное устройство, устанавливаемое в приёмной части канала связи, называется декодер; оно осуществляет обратное преобразование цифрового кода в величину, эквивалентную исходному дискретному сигналу. Комбинированное устройство, объединяющее в себе кодер и декодер, носит название кодек. Термин «кодек» представляет собой аббревиатуру, образованную от слов «кодер» и «декодер».

Кодер осуществляет перевод квантованного сигнала в цифровой код выбранной системы счисления, в подавляющем большинстве случаев — в двоичный код. Декодер выполняет обратную операцию, преобразуя полученную кодовую комбинацию обратно в аналоговый эквивалент или его числовое представление. Эффективность и точность этой пары устройств напрямую определяет качество всей системы цифровой передачи информации.

Простейшей формой кодирования является линейное кодирование, при котором выходной сигнал кодера связан с входным сигналом линейной зависимостью. Графическое отображение этой зависимости между величиной входного дискретного сигнала и выходным кодом представлено на рис. 6.19. Данная схема характеризуется постоянным шагом квантования для всех уровней сигнала. Например, входному сигналу, равному единице в десятичной системе, будет соответствовать двоичный код 001.

Рис. 6.19. Линейное кодирование

При увеличении входного сигнала до значения два в десятичной системе, выходной код кодера изменится на 010 в двоичной системе. Эта прямолинейная схема проста для понимания и реализации, что обусловило её применение в ряде коммерческих систем. Несмотря на появление более совершенных методов, линейное кодирование до сих пор используется в некоторых системах телефонной связи и в цифровых записывающих системах для высококачественного воспроизведения звука.

В современных системах связи каждому уровню дискретного сигнала ставится в соответствие индивидуальный 8-разрядный код. Семь разрядов из восьми, называемые битами данных, используются для точного выражения амплитуды сигнала. Восьмой разряд, известный как знаковый бит, предназначен для идентификации полярности сигнала — положительной или отрицательной. Такая структура кода позволяет работать с двуполярными сигналами.

Количество разрядов в выходном сигнале кодера напрямую зависит от количества интервалов квантования в используемой схеме. При добавлении каждого последующего разряда количество возможных интервалов дискретизации увеличивается по экспоненциальному закону, пропорционально значению степени числа 2. Эта зависимость наглядно продемонстрирована в таблице 6.2, которая показывает стремительный рост разрешающей способности с увеличением разрядности кода.

Таблица 6.2. Зависимость количества интервалов (полос) дискретизации от количества разрядов в коде

Поскольку реальный сигнал часто имеет как положительную, так и отрицательную полярность, один разряд кода всегда отводится для обозначения его знака. Это требование приводит к сокращению количества интервалов, доступных для квантования амплитуды. Так, для восьмиразрядного кода становится возможным использование только 128 интервалов для амплитуды, поскольку один разряд из восьми резервируется для идентификации знака.

Для точного определения количества разрядов в кодовой группе, необходимых для обеспечения заданного количества интервалов квантования, используется математическое выражение: n = log₂(2*N), где n — это количество разрядов, а N — требуемое количество интервалов. Множитель 2 в формуле учитывает необходимость наличия дополнительного разряда для обозначения знака сигнала, что является стандартной практикой.

Рассмотрим практический пример применения данной формулы. Для организации процесса квантования с использованием 64 интервалов расчет требуемого количества разрядов будет следующим: n = log₂(2 * 64) = log₂(128). Поскольку 128 является седьмой степенью числа 2 (2⁷), результат вычисления n = 7 разрядов. Этот расчет подтверждает, что семи разрядов достаточно для кодирования 64 уровней амплитуды с учётом одного разряда на знак.

Таким образом, процесс кодирования завершает преобразование аналогового сигнала в цифровой поток данных. Точность этого преобразования определяется двумя ключевыми параметрами: частотой дискретизации, задающей временное разрешение, и разрядностью кодера, определяющей амплитудное разрешение. Современные технологии позволяют достигать очень высоких значений этих параметров, обеспечивая передачу и хранение информации с минимальными искажениями.

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.