Что такое кодер и декодер. Кодеры и декодеры

21.02.2019

Одними из очень важных элементов цифровой техники, а особенно в компьютерах и системах управления являются шифраторы и дешифраторы.

Когда мы слышим слово шифратор или дешифратор, то в голову приходят фразы из шпионских фильмов. Что-то вроде: расшифруйте депешу и зашифруйте ответ.

В этом нет ничего неправильного, так как в шифровальных машинах наших и зарубежных резидентур используются шифраторы и дешифраторы.

Шифраторы.

Таким образом, шифратор (кодер), это электронное устройство, в данном случае микросхема, которая преобразует код одной системы счисления в код другой системы. Наибольшее распространение в электронике получили шифраторы, преобразующие позиционный десятичный код, в параллельный двоичный. Вот так шифратор может обозначаться на принципиальной схеме.

К примеру, представим, что мы держим в руках обыкновенный калькулятор, которым сейчас пользуется любой школьник.

Поскольку все действия в калькуляторе выполняются с двоичными числами (вспомним основы цифровой электроники), то после клавиатуры стоит шифратор, который преобразует вводимые числа в двоичную форму.

Все кнопки калькулятора соединяются с общим проводом и, нажав, к примеру, кнопку 5 на входе шифратора, мы тут же получим двоичную форму данного числа на его выходе.

Конечно же, шифратор калькулятора имеет большее число входов, так как помимо цифр в него нужно ввести ещё какие-то символы арифметических действий, поэтому с выходов шифратора снимаются не только числа в двоичной форме, но и команды.

Если рассмотреть внутреннюю структуру шифратора, то несложно убедиться, что он выполнен на простейших базовых логических элементах .

Во всех устройствах управления, которые работают на двоичной логике, но для удобства оператора имеют десятичную клавиатуру, используются шифраторы.

Дешифраторы.

Дешифраторы относятся к той же группе, только работают с точностью до наоборот. Они преобразуют параллельный двоичный код в позиционный десятичный. Условное графическое обозначение на схеме может быть таким.

Или таким.

Если говорить о дешифраторах более полно, то стоит сказать, что они могут преобразовывать двоичный код в разные системы счисления (десятичную, шестнадцатиричную и пр.). Всё зависит от конкретной цели и назначения микросхемы.

Простейший пример . Вы не раз видели цифровой семисегментный индикатор, например, светодиодный. На нём отображаются десятичные цифры и числа к которым мы привыкли с детства (1, 2, 3, 4...). Но, как известно, цифровая электроника работает с двоичными числами, которые представляют комбинацию 0 и 1. Что же преобразовало двоичный код в десятичный и подало результат на цифровой семисегментный индикатор? Наверное, вы уже догадались, что это сделал дешифратор.

Работу дешифратора можно оценить вживую, если собрать несложную схему, которая состоит из микросхемы-дешифратора К176ИД2 и светодиодного семисегментного индикатора, который ещё называют «восьмёркой». Взгляните на схему, по ней легче разобраться, как работает дешифратор. Для быстрой сборки схемы можно использовать беспаечную макетную плату .

Для справки. Микросхема К176ИД2 разрабатывалась для управления 7-ми сегментным светодиодным индикатором. Эта микросхема способна преобразовать двоичный код от 0000 до 1001 , что соответствует десятичным цифрам от 0 до 9 (одна декада). Остальные, более старшие комбинации просто не отображаются. Выводы C, S, K являются вспомогательными.

У микросхемы К176ИД2 есть четыре входа (1, 2, 4, 8). Их ещё иногда обозначают D0 - D3 . На эти входы подаётся параллельный двоичный код (например, 0001). В данном случае, двоичный код имеет 4 разряда. Микросхема преобразует код так, что на выходах (a - g ) появляются сигналы, которые и формируют на семисегментном индикаторе десятичные цифры и числа, к которым мы привыкли. Так как дешифратор К176ИД2 способен отобразить десятичные цифры в интервале от 0 до 9, то на индикаторе мы увидим только их.

Ко входам дешифратора К176ИД2 подключены 4 тумблера (S1 - S4), с помощью которых на дешифратор можно подать параллельный двоичный код. Например, при замыкании тумблера S1 на 5 вывод микросхемы подаётся логическая единица. Если же разомкнуть контакты тумблера S1 - это будет соответствовать логическому нулю. С помощью тумблеров мы сможем вручную устанавливать на входах микросхемы логическую 1 или 0. Думаю, с этим всё понятно.

На схеме показано, как на входы дешифратора DD1 подан код 0101. На светодиодном индикаторе отобразится цифра 5. Если замкнуть только тумблер S4, то на индикаторе отобразится цифра 8. Чтобы записать число от 0 до 9 в двоичном коде достаточно четырёх разрядов: a 3 * 8 + a 2 * 4 + a 1 * 2 + a 0 * 1 , где a 0 - a 3 , - это цифры из системы счисления (0 или 1).

Представим число 0101 в десятичном виде 0101 = 0*8 + 1*4 + 0*2 + 1*1 = 4 + 1 = 5 . Теперь взглянем на схему и увидим, что вес разряда соответствует цифре, на которую умножается 0 или 1 в формуле.

Дешифратор на базе технологии ТТЛ - К155ИД1 использовался в своё время для управления газоразрядным цифровым индикатором типа ИН8, ИН12, которые были очень востребованы в 70-е годы, так как светодиодные низковольтные индикаторы ещё были очень большой редкостью.

Всё изменилось в 80-е годы. Можно было свободно приобрести семисегментные светодиодные матрицы (индикаторы) и среди радиолюбителей прокатился бум сборки электронных часов. Самодельные электронные часы не собрал для дома только ленивый.

Линейные и нелинейные кодеры и декодеры. Виды линейных кодеров: - счетного типа, взвешивающего типа, матричные. Структурные схемы линейного кодера взвешивающего типа для однополярного и двухполярного сигналов. Структурные схемы нелинейного кодера идекодера. Характеристика компрессии типа А-87,6/13.

Кодер с линейной шкалой квантования называется линейным, а с нелинейной шкалой квантования – нелинейным.

Вх АИМ сигн.

Рисунок 2. Структурная схема линейного кодера взвешивающего типа для вдух-полярного сигнала.

Для примера рассмотрим работу кодера при кодировании отсчета с отрицательной амплитудой - 105.3 Δ. Кодируемый отсчет подается на первый вход (I) компаратора, а цикл начинается с установки первого выхода ЛУ в состояние 1. В этом случае за--мыкается ключ Кл + источника положительных эталонных токов (напомним, что выходы 2,..8 ЛУ при этом находятся в состоянии. О, т, е. Кл(- Кл? и Кл[-Кл-/ разомкнуты, на втором входе компаратора, Iэт = 0). Поскольку отсчет имеет отрицательную поляр--ность, т. е. Iс<0, то в первом такте кодирования на выходе компаратора будет сформирована 1 и состояние первого выхода ЛУ станет 0, Тогда Кл+ будет разомкнут, а через инвертор DD 2 будет включен Кл - . Единица на выходе инвертора DD 2 изменит и положение ключа КлК на выходе компаратора и к нему подключится. инвертор. Необходимость такой операции пояснялась ранее. Таким образом, согласно полярности амплитуды входного сигнала включен ГЭТ отрицательных эталонных токов и схема готова к следующим этапам кодирования, для чего переводятся в состояние 1 второй выход ЛУ. Перевод в состояние 1 второго выхода ЛУ обеспечивает подключение через Кл - , эталонного тока-64Δ в точку суммирования этапов Вх2 компаратора и т.д..

Рисунок 3. Характеристика компрессии типа А-87,6/13

В системах ИКМ-ВРК вместо плавной амплитудной характеристики, которую имеют аналоговые_компандеры, применяются сегментные характеристики. Они представляют собой кусочно-ломаную аппроксимацию плавных характеристик, при которой изменение крутизны происходит дискретными ступенями. Два в положительной и два в отрицательной областях объединяются в один центральный сегмент, поэтому общее число сегментов на двухполярной характеристике равно 13. Каждый из 16 сегментов характеристики содержит по 16 шагов (уровней), квантования, а общее число уровней равно 256, из них 128 положительных и 128 отрицательных.

Каждый сегмент начинается с определенного эталона, называемого основным – 16, 32, 64, 128, 256, 512, 1024, 2048.

Кодирование осуществляется за восемь тактов и включает три основных этапа:

1 - определение и кодирование полярности входного сигнала;

2 - определение и кодщювание номера сегмента узла, в котором заключен кодируемый отсчет;

3 - определение и кодирование номера уровня квантования сегмента, в зоне которого заключена амплитуда кодируемого отсчета. Первый этап кодирования осуществляется за 1-й такт, второй этап - за 2...4-й такты, третий этап - за 5.,.8-й такты кодирования.

Вх АИМ

Вых ИКМ

ГО

ПК

ЦР

ГЭТ1

ГЭТ2

БКЭ

Рисунок 4. Структурная схема нелинейного декодера

5.3. Кодирующее и декодирующее устройства (КОДЕК). Устройство и работа ИКМ-30

5.3. Кодирующее и декодирующее устройства (КОДЕК)

Кодер аппаратуры ИКМ-30 предназначен для нелинейного кодирования (аналого-цифрового преобразования) последовательности АИМ-сигналов, поступающих от передающей части индивидуального оборудования телефонных каналов и канала вещания, в последовательность восьмиразрядных групп двоичного кода.

Декодер, аппаратуры ИКМ-30 предназначен, для нелинейного декодирования (аналого-цифрового преобразования) последовательности групп восьмиразрядного двоичного кода в последовательность АИМ-сигналов, поступающую далее на приемную часть индивидуального оборудования телефонных каналов и канала вещания.

Технические данные

Входным сигналом кодера является последовательность биполярных АИМ-сигналов с максимальной амплитудой 1,0 В и длительностью 2,0 мкс. поступающая с индивидуального оборудования.

Выходной сигнал кодера - восьмиразрядный симметричный двоичный код, получаемый следующим образом:

максимальный положительный сигнал кодируется как - 11111111;
минимальный положительный – 10000000;
максимальный по величине отрицательный – 01111111;
минимальный по величине отрицательный – 00000000.

Все кодовые комбинации на выходе кодера претерпевают дополнительное преобразование, заключающееся в инверсии четных разрядов кода. На приеме осуществляется обратное преобразование. Указанное преобразование имеет целью уменьшение вероятности появления в передаваемом по линии ИКМ-сигнале длинных последовательностей нулевых посылок.

Частота повторения кодовых групп - 256 кГц.

Входным сигналом декодера, является вышеуказанный восьмиразрядныйдвоичный код.

Выходной сигнал декодера - последовательность АИМ-сигналов с максимальной амплитудой 2,0 В.

С целью увеличения отношения сигнал/шум квантования в диапазоне малых входных сигналов в кодере осуществляется нелинейное кодирование, которое эквивалентно применению компрессированию входного сигнала на передающей стороне и экспандирования на приемной.

Закон компандирования – логарифмический, А-87,6

; ;

; .

где ; .

А=87,6 – параметр компрессирования;

Входной кодируемый сигнал;

Его максимальное амплитудное значение;

N – номер шага квантования, считая от середины характеристики;

N МАКС – число шагов в каждой половине характеристики;

Шаг квантования – интервал между двумя дискретными уровнями квантования.

Указанный закон аппроксимирован 13-сегментной характеристикой с отношением наклонов характеристики на соседних сегментах равным двум.

Полная характеристика содержит 256 шагов квантования. Отношение величин шагов на соседних сегментах равно двум. В пределах сегмента шаг является равномерным. На рисунке 16 приведена характеристика кодирующего устройства (участок, соответствующий положительным сигналам). Указанная нелинейная характеристика квантования обеспечивает по сравнению с равномерной характеристикой с таким же числом шагов расширение динамического диапазона на величину

Рабочая точка кодера находится на границе между шагами квантования.

В процессе кодирования кодер определяет шаг, в пределах которого находится данный входной сигнал, и выдает на выходе номер этого шага в виде 8-разрядного двоичного кода.

На приемной стороне декодер выполняет обратную операцию в соответствии с поступившим кодом номера шага квантования восстанавливает амплитуду АИМ - сигнала.

Каждому из 256 интервалов амплитуд (шагов), подлежащих кодированию на передающей стороне, должен соответствовать на приемной стороне такой же интервал амплитуд на шкале выходных напряжений, подлежащих воспроизведению. Всевозможные амплитуды сигнала, заключенные в пределах одного интервала, должны воспроизводится одним дискретным,уровнем декодера. Наилучшее воспроизведение обеспечивает уровень декодера, находящийся на середине этого-интервала. При таком размещении всех 256 уровней декодера погрешность воспроизведения любой амплитуды внутри интервала не превосходит половины шага квантования на сегменте. Из этого следует различие в шкалах уровней кодера и декодера, т.е. уровни декодера должны быть смещены на 1/2 шага на сегменте по отношению к уровням кодера.

В отсутствии посегментного смещения уровней декодера, т.е. в случае, когда уровни кодера и декодера совпадают, на характеристике передачи вход кодера - выход декодера появляются разрывы на концах сегментов, а коэффициент передачи становится меньше единицы. При этом входные амплитуды будут воспроизводиться декодером с ошибкой большей, чем половина шага квантования.

Рисунок 16. Характеристика компандирования.

Структурная схема кодера

Кодер аппаратуры ИКМ-30 по принципу действия представляет собой аналого-цифровой преобразователь последовательного взвешивания с обратной связью.

Структурная схема кодера приведена на рисунке 17 . Она содержит следующие функциональные части:

Последовательность работы кодера

Процесс кодирования заключается в определении на характеристике кодирующего устройства шага квантования, в пределах которого находятся входной преобразуемый сигнал, и формирований двоичного кода, выражающего номер этого шага на характеристике. Кодирование по методу последовательного взвешивания можно рассматривать как последовательный поиск шага путем подбора суммы эталонов различных весов для достижения наиболее точного уравновешивания кодируемого сигнала.При этом результат каждого включения эталонов оценивается устройством сравнения (компаратором), последовательность решений которого образует код преобразуемого сигнала.

Кодируемый сигнал представлен неизменным по величине в течение цикла кодирования током Is, который пропорционален отсчету мгновенного значения напряжения на огибающей входного АИМ – сигнала. Отсчеты (выборки) мгновенных значений напряжения входного сигнала берутся с частотой временной дискретизации 256 кГц (8 кГц для телефонных каналов, 32 кГц для канала вещания). Для формирования токовогосигнала Is входной АИМ - сигнал поступает на устройствовыборки и хранения, производящее фиксацию мгновенного значения входного сигнала путем кратковременного заряда накопительной емкости до напряжения поступающего АИМ - сигнала и последующего хранения напряжения на ней. С выхода устройства выборки и хранения усиленный соответствующим образом сигнал выборки поступает на вход усилителя ввода. Усилитель ввода представляет собой управляемый напряжением генератор тока, вырабатывающий токи Is и –Is, которые затем подаются в точки суммирования А и В.

В одну из точек суммирования в зависимости от полярности входного сигнала на последующих этапах процесса кодирования подаются суммы эталонных токов I , вычитаемые из тока, кодируемого сигнала Is. Разность токов Is-I в общей точке суммирования и ток -Is в другой точке создадут на выходных сопротивлениях БЭК падения напряжения Us-U и Us соответственно. Компаратор, входы которого подключены к точкам суммирования, производит операцию вычитания:

(Us- U )-(-Us)=2Us-U

и вырабатывает сигнал “0”, если 2Us>U и сигнал “I”, если 2Us

В рассматриваемой процедуре поиска необходимой суммы эталонов, уравновешивающих входной сигнал, переход к следующему эталону производится на основании всех предыдущих решений компаратора, хранящихся в регистре памяти. На выходах 8 триггеров регистра памяти по мере записи в него решений компаратора формируется 8-резрядный параллельный код Q 1 ….Q 8 преобразуемого сигнала.

Первый разряд Q 1 кода регистра памяти содержит информацию о полярности входного сигнала. Определение полярности производится без подачи в точки суммирования эталонных токов (I ). Вторым, третьим и четвертым разрядами кода кодируются номер сегмента характеристики, которому соответствует входной сигнал. В связи с этим во время поиска сегмента посредством трех взвешиваний среди эталонных токов с весами 2 10 , 2 9 , 2 8 , 2 7 , 2 6 , 2 5 , 2 4 и 0 условных единиц отыскивается ближайший ко входному сигналу меньше его по величине (условная единица - ток соответствующий наименьшему шагу характеристики кодера). Указанные эталоны соответствуют граничным точкам сегментов. Поиск начинается со среднего по номеру сегмента - с входным сигналом сравнивается эталон 2 7 у.е. В соответствии с решением компаратора“0” или “1” производится переход к эталону 2 9 у.е. либо к эталону 2 5 у.е,; далее - обусловленный следующим решением компаратора переход к одному из эталонов – 2 10 , 2 8 , 2 6 , 2 4 у.е. и т.д.

Разрядами с 5-го по 8-й кодируется номер одного из 16 шагов на сегменте, в пределах которого находится входной сигнал. Определение номера шага на сегменте ведется начиная со старшего по весу для данного сегмента эталона к младшему.

Включение эталонных токов производится с помощью логики управления БЭК. Входными сигналами логики являются 8 разрядов кода (Q 1….. Q 8) поступающие с выходов триггеров регистра памяти. Логика преобразует 7 разрядов (0 2 ….. Q 8) этого линейного кода в II разрядов линейного кода для управления БЭК. От состояния триггера первого разряда (Q 1) зависит подключение БЭК соответствующей полярности для формирования биполярной характеристики квантования.

На каждое из 8 взвешиваний отводится время равное полупериоду частоты 2048 кГц.

Выходной сигнал кодера формируется последовательным считыванием кода (Q 1…… Q 8) с выходов триггеров регистра памяти.

Четные разряды кода считываются с инверсных выходов триггеров.

В кодирующем устройстве предусмотрена автоматическая коррекция "нуля" кодера, которая осуществляется во время 0 и 16 канальных интервалов. В эти моменты на входе кодера отсутствует АИМ-сигнал. В схеме выборки и хранения фиксируется напряжение выборки, которое принимается за “нуль”. Далее, компаратор определяет знак смещения на своих входах по отношению к "нулевому" входному сигналу. Смещение обусловлено разбросом и дрейфом параметров элементов устройства выборки и хранения, схемы ввода и компаратора. На основании решения компаратора в узле управления работой кодера определяется сигнал коррекции соответствующего знака и корректор нуля производит изменение напряжения на накопительной емкости. Напряжение на накопительной емкости определяет, в свою очередь, начальный ток схемы ввода, причем, изменение начального тока схемы ввода уменьшает смещение на входах компаратора.

Структурная схема декодера

Структурная схема декодера приведена на рисунке 18 и включает в себя следующие узлы:

преобразователь последовательного кода в параллельный, осуществляющий преобразование каждой 8-разрядной кодовой группы, поступающей последовательно во времени на вход декодера, в параллельную;
регистр памяти, запоминающий результат преобразования последовательного кода в параллельный и формирующий длительность выходного сигнала;
два блока эталонов кодека, формирующих сумму эталонных токов, каждая из которых соответствует определенному шагу квантования характеристики кодера; БЭК декодера аналогичны по структуре БЭК кодера, но количество источников эталонных токов в них на один больше, чем в кодере;
логику управления БЭК, преобразующую восьмиразрядную кодовую группу, хранящуюся в регистре памяти, в двенадцатиразрядную группу, управляющую работой БЭК;
дифференциальный усилитель, объединяющий однополярные последовательности сумм эталонных токов, поступающие с выходов БЭК в биполярную последовательность выходных АИМ-сигналов;
элемент задержки, предназначенный для коррекции временного положения группового ИКМ-сигнала относительно разрядных последовательностей.

Преобразование кодовой группы в АИМ-сигнал (декодирование) происходит следующим образом.

Символы кодовой группы последовательного кода записываются в регистр преобразователя последовательного кода в параллельный. С поступлением на вход последнего символа кодовой группы на выходе преобразователя образуется полная кодовая группа параллельного кода, которая переписывается в регистр памяти. После перезаписи кодовой группы начинается формирование следующей кодовой группы параллельного кода, а регистр памяти в течении промежутка времени равного длительности выходного АИМ-импульса, декодера, хранит предыдущую кодовую группу.

Логика управления БЭК в соответствие с информацией о полярности и амплитуда закодированного данной группой сигнала включает в одном из БЭК необходимые для формирования выходного уровня эталонные точки.

Выходные токи БЭК создают на сопротивлениях нагрузок напряжения которые подаются на входы дифференциального усилителя. На выходе дифференциального усилителя воспроизводятся АИМ - импульсы, с точностью до ошибки кантования воспроизводящие закодированный сигнал. Далее АИМ - последовательность с выхода декодера поступает на приемную часть индивидуального преобразования.