При аналого-цифровом преобразовании сигнала значение его отсчета округляется до ближайшего разрешенного уровня квантования. Это округление приводит к появлению погрешности преобразования сигнала погрешности квантования или, иначе, шума квантования. Значение шума квантования (ШК) и отношения сигнал-шум квантования (ОСШК) зависят от характеристики преобразования квантователя и применяемого закона компандирования, обеспечивающего сжатие динамического диапазона уровней сигнала.

Оценим значения измеряемых параметров ШК и ОСШК. На рис 4.33 приведены линейная характеристика квантования (4.33,а) с постоянным шагом h и соответствующая погрешность квантования Δ (4.33,б). При достаточно большом числе уровней квантования N можно считать, что ШК имеет равномерное распределение с плотностью вероятности

(8.1)

Тогда дисперсия ШК

(8.2)

а ОСШК

(8.3)

где D_s=σ²_s – дисперсия сигнала.

Полагая, что размах шкалы квантования ограничен пороговыми значениями ±U_п, получаем формулу для расчета ОСШК при линейном квантовании.

, (8.4)

где – коэффициент загрузки квантователя, конкретное значение которого определяется типом входного сигнала.

Переходя к логарифмическому масштабу, получаем:

(8.5)

где B=log₂N – число бит для кодирования N уровней. Для гармонического сигнала и 20 lg = –3дБ, для речевого сигнала (РС)

20 lg= –12 дБ (пикфактор РС – 12 дБ).

В соответствии с Рекомендацией МККТТ G 712 ОСШК может быть измерено с помощью двух типов измерительных сигналов: псевдошумового и гармонического. Следует заметить, что применение псевдошумового сигнала вместо просто шумового позволяет легче обеспечивать стабильность его параметров и использовать в генераторе измерительных сигналов элементы дискретной техники.

Общий принцип измерения ОСШК основан на том, что в канал ТЧ подают измерительный сигнал определенного уровня. На выходе канала появляется сигнал, содержащий измерительный сигнал и продукты искажений. Фильтрацией выделяют продукты искажений и определяют искажение мощности ИС на выходе канала к мощности продуктов искажения.

Этот принцип иллюстрируется обобщенной структурной схемой на рисунок 8.1.

Рисунок 8.1. Общий принцип измерения ОСШК

С выхода генератора через фильтр передачи, ограничивающий полосу сигнала, и перестраиваемый аттенюатор, служащий для установки требуемого уровня сигнала, измерительный сигнал поступает в канал ТЧ. На приемной стороне измерение осуществляется в два этапа. Сначала с помощью калибровочного фильтра выделяют измерительный сигнал (положение а переключателя) и при некотором фиксированном значении затухания перестраиваемого аттенюатора измеряют его уровень измерителем среднеквадратического значения. На втором этапе (положение б переключателя) из сигнала на выходе канала с помощью измерительного фильтра отфильтровывают часть спектра шума квантования и измеряют тем же измерителем. При этом устанавливают такое затухание аттенюатора, чтобы получить те же показания, что и на первом этапе. По измерению затухания аттенюатора определяют значение ОСШК. При этом в случае применения псевдошумового сигнала необходимо введение поправки, учитывающей то, что на втором этапе шум квантования измеряют не во всей полосе частот канала ТЧ, а лишь в некоторой его части Δf, выделяемой измерительным фильтром. Значение поправки n = – 10 lg (3100 / Δf), причем предполагается, что спектр шума квантования равномерен во всей полосе частот канала ТЧ.

Небольшое распространение получил шумовой псевдошумный измерительный сигнал. Согласно рекомендации МККТТ по измерению ОСШК спектр измерительного сигнала не должен выходить за пределы 350..550 Гц и должен содержать не менее 25 спектральных составляющих с интервалом не более 8 Гц. Измерительный сигнал должен иметь полосу шириной 100..200 Гц и нормальное распределение вероятностей мгновенных значений, коэффициент амплитуды

К_а = (10,5±0,5) дБ. Указанная полоса определяет требования к фильтрам передачи и калибровки. Полоса пропускания измерительного фильтра должна быть не менее 2400 Гц (обычно от 800 до 3400 Гц). В [6] показано, что предпочтительней иметь 13 спектральных составляющих, так как при этом обеспечивается наименьшее значение методической погрешности измерения, вызываемой отличием применяемого измерительного сигнала от идеального, имеющего нормальное распределение мгновенных значений. В качестве примера рассмотрим измеритель шумов для ИКМ-30 (рисунок 8.2).

Рисунок 8.2. Измеритель шумов квантования для аппаратуры ИКМ-30

Генератор измерительных сигналов состоит из задающего генератора прямоугольных импульсов, генератора ПСП, выполненного на 11-разрядном регистре сдвига, усилителя-формирователя, полосового фильтра ПФ-500 с полосой пропускания 450…550 Гц, согласующего симметрирующего трансформатора и аттенюатора. Задающий генератор формирует импульсы с тактовой частотой f_т = 8080 Гц. На выходе генератора ПСП образуется двоичная рекуррентная последовательность импульсов с периодом из (2¹¹-1) символов, с частотой f_т. Спектральные линии отстоят друг от друга на интервал f_т/(2¹¹-1)=3,95 Гц, что обеспечивает 23 спектральных составляющих измерительного сигнала. Период повторения такого сигнала 253±2 мс. Неравномерность энергетического спектра частот на выходе генератора в полосе частот 450…500 Гц не более 1 дБ. Уровень сигнала на внешней нагрузке 600 Ом устанавливается аттенюатором ступенями через 0,5;1;10 дБ в диапазоне от 0 до 59,9 дБ. Нестабильность уровня за 15 мин не превышает ±0,2 дБ. Выход генератора симметричный, выходное сопротивление 600 Ом.

Измеритель представляет собой широкополосный измеритель уровня (ИУ). При измерении ШК (положение а переключателя) сигнал с выхода канала через согласующий симметрирующий трансформатор с входным сопротивлением 600 Ом, аттенюатор, фильтр ФНЧ1 с полосой частот до 3,4 кГц (для телефонных каналов) или фильтр ФНЧ2 с полосой частот до 10 кГц (для каналов вещания) и фильтр ФВЧ К-850, подавляющий составляющие спектра ниже 850 кГц, поступает на вход ИУ. Последний измеряет среднеквадратическое значение шумового сигнала в диапазоне уровней +10 … -70 дБ с погрешностью ±1 дБ.

При измерении ОСШК (положение б переключателя) необходимо определить отношение 20lg(U_s/U_ш). Для этого сигнал поступает на фильтр К-850 через усилитель АРУ, который поддерживает постоянный уровень сигнала U_s на входе фильтра. Поскольку усилитель усиливает и измерительный сигнал, и шум в одно и то же число раз, ОСШК на его выходе сохраняет прежнее значение. В то же время постоянство уровня сигнала Us позволяет градуировать шкалу указателя уровня непосредственно в значениях ОСШК.. Измерение ОСШК обеспечивает в диапазоне 10…40 дБ с погрешностью ±1 дБ при изменении измерительного сигнала в диапазоне 0…-59 дБ. В результате измерения необходимо вносить поправку n, учитывающую, что измерение шума квантования производится не по всей полосе частот канала.

Оценка качества канала на основании измерения значения ОСШК может оказаться ошибочной при наличии в канале импульсной помехи, которая может обусловливаться неисправностями в различных частях оборудования (в блоке синхронизации, кодирующем устройстве, генераторном оборудовании, регенераторном оборудовании и др.), а также внешними причинами. При использовании для измерения ОСШК стрелочного индикатора о наличии импульсной помехи можно судить по резким отклонениям стрелки в процессе измерения. Если же измерение ОСШК производится автоматически с применением цифровой индикации результата измерения, то необходимо принять специальные меры для обнаружения импульсной помехи. Импульсную помеху в измеряемом канале можно обнаружить проще, если провести контроль за значением коэффициента амплитуды шумов квантования, который обычно составляет К_а=3…4. При наличии импульсной помехи это значение существенно выше и составляет К_а=8…12.