Последняя миля

         

Технологии кодирования, применяемые в ЦСПАЛ


В ЦСПАЛ необходимо добиться компромисса между линейной скоростью, определяю­щей допустимую длину уплотняемой АЛ, и числом дополнительных каналов, образуемых на линии. С целью достижения такого компромисса разработаны методы кодирования, требую­щие меньших линейных скоростей для передачи одного телефонного канала.

Значения параметров квантования в цифровых системах передачи (D - диапазон кван­тования, h - шаг квантования, О - начало отсчета шкалы квантования, Т - временной интер­вал между отсчетами) выбираются, исходя из свойств преобразуемого сигнала. Диапазон D определяется динамическим диапазоном входного сигнала, шаг h - изменением величины отсчетов (их законом распределения), уровень О - средним значением сигнала, интервал Т -скоростью изменения сигнала во времени с учетом спектральных свойств сигнала.

Если систему передачи рассчитывать на наихудшие условия, то величины D и О необхо­димо выбрать исходя из максимальной дисперсии и разброса постоянной составляющей преобразуемого сигнала, h - выбрать наименьшим, а Т - исходя из максимальной эффектив­ной ширины спектра. При таком проектировании системы входной сигнал будет передан и восстановлен на приеме максимально точно, но это потребует передачи больших и избыточ­ных объемов дискретных данных. Если при проектировании минимизировать объемы переда­ваемых дискретных данных, то восстановленный на приеме сигнал будет неточен.

Тип ИКМ, в которой в соответствии с изменениями преобразуемого сигнала регулиру­ются параметры квантования, называется адаптивной - АИКМ. При этом анализируются ха­рактеристики сигнала с целью осуществления регулировки величины параметров квантова­ния. Если используется такой алгоритм регулировки, что текущий нулевой уровень шкалы квантования выбирается равным предшествующему отсчету, умноженному на некоторый ко­эффициент, то такую АИКМ называют дифференциальной - АДИКМ. В цифровых системах передачи для абонентских линий такой вид модуляции, стандартизированный ITU-T в Реко­мендации G.726 [20], широко применяется.


отсчеты делаются через 125 мкс).



Рис. 2.11. Структурная схема кодера АДИКМ

После преобразования формата входного сигнала S(k) в сигнал линейной ИКМ S1(k) блок вычисления разностного сигнала вычисляет разностный сигнал d(k) путем вычитания сигнала оценки Se(k) из сигнала линейной ИКМ S1(k) в соответствии со следующим выраже­нием [20]:

d(k) = S1(k) -Se(k).

Нелинейный 15- или 4-уровневый адаптивный квантователь квантует разностный сигнал d(k). До квантования сигнал d(k) преобразуется в логарифмическое представление по осно­ванию 2 и масштабируется сигналом y(k), который вычисляется в блоке адаптации масштаб­ного коэффициента. Нормализованные входные/выходные характеристики (абсолютно точные значения) квантователя представлены в табл. 2.3 и 2.4.

Для скорости 32 кбит/с квантованный уровень d(k) определяется четырьмя двоичными разрядами (3 разряда для амплитуды и 1 для знака). Адаптивный квантователь формирует 4-разрядный выходной сигнал l(k), который является выходом АДИКМ на 32 кбит/с. Сигнал l(k)=0000 из-за ошибок передачи является разрешенным состоянием на входе этих блоков в декодере. Сигнал l(k) также поступает в инвертирующий адаптивный квантователь, в блок управления скоростью адаптации и в блок адаптации масштабного коэффициента квантова­теля.

Таблица 2.3, Нормализованные характеристики входа/выхода квантователя для работы
 на скорости 32 кбит/с



Диапазон входного сигнала

|l(k)|

Выходной сигнал

log2|d(k)| -y(k)

log2|dq(k)| -y(k)

[3.12...+Г)

7

3,32

[2,72:. .3,12)

6

2,91

[2,34.. .2,72)

5

2,52

[1,01. ..2,34)

4

2,13

[1,38.. .1,91)

3

1,66

[0,62.. .1,38)

2

1,05

[-0,98. ..0,62)

1

0,031

(-Г.. .-0,98)

0



При работе на скорости 16 кбит/с два двоичных разряда используются для представле­ния квантованного уровня d(k) (один разряд для амплитуды и один для знака). Адаптивный квантователь формирует 2-разрядный выходной сигнал l(k), который является выходом АДИКМ со скоростью 16 кбит/с.



Таблица 2.4. Нормализованные характеристики входа/выхода квантователя для работы с
сигналами со скоростью передачи 16 кбит/с

Диапазон входного сигнала

|l(k)|

Выходной сигнал

log2|d(k)| -y(k)

log2|dq(k)| -y(k)

[2,04.. .+Г)

0

2,85

(-Г.. .-2,04)

1

0,91

В отличии от квантователя на 32 кбит/с квантователь, работающий с сигналами со ско­ростью передачи 16 кбит/с, является 4-уровневым квантователем. Квантователь для АДИКМ на 16 кбит/с выбран с четным числом уровней квантования, так как по сравнению с квантова­телями, имеющими нечетное число уровней квантования, обладает более высоким качеством работы.

Квантованная версия dq(k) разностного сигнала получается при масштабировании, ис­пользуя y(k), определенные значения которого выбираются из нормализованных характери­стик, представленных в табл. 2.3 и 2.4, и затем преобразуются из логарифмического пред­ставления.

Блок адаптации масштабного коэффициента квантователя вычисляет величину y(k), ко­торая является масштабным коэффициентом для квантователя и инвертирующего квантова­теля. На входы блока поступают 4-разрядный или 2-разрядный выходной сигнал квантователя 1(к) и параметр управления скоростью адаптации a1k).

Основным принципом масштабирования является бимодальная (двухскоростная) адап­тация, при этом:

•       быстрая адаптация используется для сигналов (например, речевых), образующих разно­стный сигнал с большими флуктуациями (колебаниями);

•       медленная адаптация используется для сигналов (например, данных, передаваемых в
диапазоне тональных частот), образующих разностный сигнал с малыми флуктуациями
(колебаниями).

•       Комбинация быстрого и медленного коэффициентов масштабирования управляет ско­ростью адаптации.

Быстрый (нефиксированный) масштабный коэффициент yu(k) рекурсивно вычисляется в логарифмическом представлении по основанию 2, используя результирующий логарифмиче­ский масштабный коэффициент y(k), следующим образом:



yu(k)=(1-2-5) y(k) + 2-5 W[l(k)],

где yu(k) находится в пределах 1,06? yu(k) ?  10,00.

Для АДИКМ со скоростями 32 кбит/с и 16 кбит/с дискретная функция W(l) имеет сле­дующие значения (абсолютно точные величины), которые приведены в табл. 2.5.

Таблица 2.5. Значения W(l) для АДИКМ

Скорость, кбит/с

32

16

|l(k)|

7

6

5

4

3

2

1

0

1

0

W[l(k)]

70,1

22,1

12,3

7,00

4,00

2,56

1,13

-0,75

27,4

-1,38

Множитель (1 – 2-5) вводит ограниченную память в процесс адаптации таким образом, что состояние кодера и декодера сходятся при ошибках передачи.

Медленный (фиксированный) масштабный коэффициент y1(k) получается из yu(k) с по­мощью операции фильтрации нижних частот:

y1(k) =(1-2-6) y1(k-1)+ 2-6 yu(k)

Затем быстрый и медленный масштабные коэффициенты объединяются для формиро­вания результирующего масштабного коэффициента:

y(k)= a1(k) yu(k-1)+[1 -a1(k)] y1(k-1)

где a1(k) - управляющий параметр.

Предполагается, что управляющий параметр a1(k) может принимать значения в диапа­зоне (0, 1). Для речевых сигналов он стремится к единице, а в диапазоне тональных частот и одночастотных сигналов он стремится к нулю. Этот параметр определяется мерой скорости изменения разностного сигнала. При этом вычисляются две меры средней величины l(k) в соответствии со следующими выражениями:

dms(k)= (1-2-5) dms(k-1)+2-5 F[l(k)], dml(k)= (1-2-7) dms(k-1)+ 2-7 F[l(k)].

Значения F[l(k)] для скоростей 32 кбит/с и 16 кбит/с определяются из соотношений, приведенных в табл. 2.6.

Таблица 2.6. Значения F[l(k)]

Скорость, кбит/с

32

16

|l(k)|

7

6

5

4

3

2

1

0

1

0

F[l(k)]

7

3

1

1

1

0

0

0

7

0

Таким образом, величина dms(k) представляет собой относительно кратковременное среднее значение F[l(k)], a dml(k) относительно долговременное среднее значение F[l(k)].

Используя эти два средних значения, определяется переменная ap(k) при следующих соотношениях:



ap(k)=(1-2-4) ap(k-1)+2-3 , если y(k)<3; |dms(k)-dml(k)|?2-3dml(k); td(k)=1

Величина ap(k) = 1, если tr(k) = 1 , в противном случае ap(k) = (1 – 2-4) ap(k - 1).

Таким образом, ap(k) стремится к значению 2, если разность между dms(k) и dm; (k) большая (среднее значение l(k) быстро меняется); ap(k) стремится к нулевому значению, если разность мала (среднее значение амплитуды l(k) относительно постоянно). Величина ap(k) также стремится к значению 2 при свободном ("холостом") канале, признаком которого слу­жит соотношение y(k)<3) или для сигналов с ограниченной полосой частот (признаком служит соотношение td(k)=1). Заметим, что ap(k) устанавливается в состояние 1 после обнаружения перехода сигнала с ограниченной полосой частот (признаком служит соотношение tr(k)=1). Затем ap(k - 1) ограничивается до ar(k) (см. выражение, приведенное выше).

Таким образом, a1(k) равно: 1 при ap(k - 1)>1, или ap(k - 1) при ap(k - 1) < 1.

В результате чего имеется задержка начала перехода из быстрого состояния в медлен­ное до тех пор, пока абсолютная величина l(k) остается постоянной в течении некоторого времени. Это позволяет устранить преждевременные переходы для импульсных входных сиг­налов, например, таких, как данные, передаваемые в диапазоне тональных частот с прерыва­нием несущей. Основная функция адаптивного предсказателя состоит в вычислении сигнала оценки se(k) из квантованного разностного сигнала dq(k). Две структуры используются в адап­тивном предсказателе: каскад 6-го порядка, который моделирует нули, и каскад 2-го порядка, который моделирует единичные значения, в выходном сигнале. Эти две структуры эффектив­но применяются для множества разнообразных входных сигналов.

Для улучшения рабочих характеристик некоторых сигналов, например, от модемов с частотной манипуляцией (с фиксированным сдвигом частоты - FSK), которые работают в символьном режиме, установлен двухшаговый режим детектирования. Первоначально осуще­ствляется детектирование сигнала с ограниченной полосой частот (например, одночастотный сигнал - тон), чтобы перевести квантователь в быстрый режим адаптации, при этом td(k)=1, если a2(k) < -0,71875, или td(k) = 0, в противном случае.

Переход от сигнала с ограниченной полосой частот к другому сигналу происходит так: коэффициенты предсказателя устанавливаются в нулевое значение и квантователь ускоренно переходит в быстрый режим адаптации: tr(k)=1, если a2(k) < -0,71875 и |dq(k)| > 24*2у1(k), и t(k)=0,- в противном случае.

Блоки декодера (рис. 2.12) функционируют соответственно вышеописанному.


Содержание раздела