3. Цифровое представление речевых сигналов связи.

В процессе обработки аналогового сигнала (усиления, передачи, приема и др.) его форма искажается, так как характеристики аппаратуры неидеальны и нестабильны. Действуют внутренние и внешние помехи.

Повышение качественных показателей средств связи связывают с применением цифровых сигналов. Так двоичные сигналы принимают всего два значения — «1» (есть сигнал) и «О» (нет сигнала), то есть представляют собой последовательность прямоугольных импульсов.

Цифровое представление сигналов имеет следующие достоинства:

• унификация представления всех видов сигналов при обработке, передаче и хранении информации, что позволяет использовать одну и ту же сеть связи для обмена разными сообщениями: телефонными и факсимильными, для передачи данных и телевидения. Это создает предпосылки для создания «цифровой сети с интегра­цией служб» (Integrated Services Digital Network — ISDN);

• по сравнению с аналоговыми системами появляется возможность восстановления (регенерации) цифровой последовательности, искаженной дей­ствием помех. Это устраняет эффект их накопления при передаче на большие расстояния и обеспечивает высокую помехозащищённость и стабильность каналов связи;

• возможность регенерации позволяет также использовать среды, имеющие низкие показатели. Например, без потери качества могут использоваться телефонные кабели городских сетей, обладающие высоким уровнем шумов и переходных помех; оптические световоды, модуляторы и демодуляторы которых не имеют требуемой для аналого­вой передачи линейности.

• цифровая аппаратура связи выполняет­ся на элементной базе, совпадающей с базой вычислительной техники. Это позволяет достичь высоких экономических показателей, малых габаритов и массы аппаратуры. Управление аппаратурой осуществляются с использованием программных средств вычислительной тех­ники, что приводит к дополнительному улучшению показате­лей;

• цифровая связь дает возможность использовать для контроля качества передачи сигналов специально вводимую избыточность и осуществ­лять этот контроль автоматически.

Для преобразования аналогового сигнала в цифровой его последовательно подвер­гают трем преобразованиям: дискретизации по времени, квантованию по уровням и кодированию (рис.1.).

Дискретизация — это представление непрерывного по времени аналогового сигнала эквивалентной ему последовательно­стью дискретных отсчетов. Процедура выполняется на основе теоремы Котельникова: непрерывный по времени сигнал с ограниченным спектром (полоса O-Fв) может быть представлен последовательностью импульсных отсчетов, величина которых равна мгновенным значениям сигнала в соответствующие моменты времени, причем частота дискретизации отсчетов fд должна удовлетворять требованию fд >2*Fв. По полученным дискретным отсчетам можно восстановить исходный аналоговый сигнал.

Поскольку в телефонии верхняя граничная частота каждого канала принята равной 3400 Гц, отсчеты следует брать с частотой 6800 Гц. Однако для упрощения канальных фильтров была принята стандартная частота дискретизации 8000 Гц. Процесс формирования отсчетов называется амплитудно-импульсной модуляцией (АИМ). Максимальное значение речевого сигнала известно (оно задано нормами на динамический диапазон уровней сигнала), поэтому известно и максимально возможное значение отсчета.

а- исходный аналоговый сигнал; г — квантованное значение отсчетов;

б- импульсы дискретизации; д — двоично закодированные амплитуды отсчетов.

в- квантование отсчетов сигнала на М разрешенных уровнейРис. 1.

Рис.1 Преобразование аналогового сигнала в цифровой.

Далее осуществляется квантование отсчетов по М уровням.

Число уровней квантования, необходимое для представления исходного сигнала, определяется отношением максимальной величины сигнала Аs к среднеквадратичному значению шума a_n. Это такой уровень шума, когда нельзя обнаружить разницу между соседними уров­нями сигнала (эта разница по величине соизмерима с А_N).

Таким образом, М = Аs/A_N.

На рис.1 число уровней принято равным 16. При квантовании амплитуды импульсов принимают ближайшие разрешенные значения. Ошибка квантования Дкв - это разность между квантованной величиной и истинным значением аналогового сигнала. Ошибка будет всегда меньше половины шага квантования u_kb.

Количество уровней квантования М ограничено и поэтому их целочис­ленные значения удобно перевести из десятичной формы в двоичную, образуя кодовые комбинации. В этом и состоит последняя операция — Кодирование.

В реальных устройствах — аналого-цифровых преобразователях (АЦП) квантование и кодирование осуществляются одновременно.

Число разрядов в комбинации m определяется числом М уровней квантования аналогового сигнала: m=log₂M. В нашем примере для двоичного кодирования требуется 4 разряда . Данный метод преобразования аналогового сигнала в цифровой является наиболее распространенным и называется импульсно-кодовой модуляцией (ИКМ).

Лабораторные испытания квантованного речевого сигнала показы­вают, что приемлемое качество восприятия телефонного сообщения можно получить при отношении сигнал/шум, превышающем 20 дБ. Это соответствует примерно 32 уровням квантования. Однако опыт показывает, что кодирования с пятью двоичными разрядами недостаточно.

Это объясняется техническими причинами: разброс параметров оборудования и линий связи приводит к разбросу уровней сигналов; небходимость многократного кодирования/декодирования сигналов при регенерации приводит к увеличению шумов квантования.

Чтобы отношение сигнал/шум было примерно постоянным, не зависящим от уровня сигнала, можно использовать переменный шаг квантования: малый для слабых сигналов и большой для сильных. В этом случае можно ограничиться 256 уровнями квантования и 8 разрядами при кодировании, что соответствует рекомен­дациям Международного Союза Электросвязи (МСЭ).

Разрядность ИКМ определяет необходимую скорость передачи кодов по телефонному каналу связи. При 8-разрядном кодировании каждого отсчета телефонного сигнала скорость передачи будет равна fд*8 = 8000*8 = 64000 бит/с = 64 кбит/с.

Полученная на приемной стороне последовательность двоичных импульсов разде­ляется на восьмерки (коды отсчетов), которые затем подаются на вход цифро-аналогового преобразователя (ЦАП), преобразующего их в импульсы переменной ампли­туды. Если эти амплитудно-модулированные импульсы пропустить через низкоча­стотный фильтр с полосой пропускания F_B, удается восстановить почти тот же самый аналоговый сигнал, который подавался на вход телефонного канала с передающей стороны.