5. АНАЛОГО-ЦИФРОВОЕ И ЦИФРОАНАЛОГОВОЕ ПРЕОБРАЗОВАНИЕ РЕЧЕВЫХ СИГНАЛОВ

5.1. Равномерное квантование значений отсчетов по уровню

В главе 2 освещены аналоговые методы многоканальной передачи сообщений: ЧРК ДБП; ЧРК ОБП; ФРК; ВРК АИМ. Эти методы являются частными случаями общего метода организации многоканальной передачи сообщений с помощью ортогональных переносчиков. По занимаемой полосе частот и по помехозащищенности методы ЧРК ОБП, ФРК и ВРК АИМ полностью эквивалентны. Но поскольку в этих методах используются аналоговые сигналы, они имеют один общий недостаток – накапливание помех в каналах. В канале тональной частоты с шириной полосы эффективно передаваемых частот 0,3–3,4 кГц на каждом километре канала связи накапливается 3 пкВт (псоф.) мощности помех. В направляющих системах со сложной помеховой обстановкой, например, в симметричных кабелях, радиолиниях, нормы на допустимую помехозащищенность канала 32,5 дБ выполняются не всегда. Следовательно, необходимо применять дополнительные меры повышения помехозащищенности аналоговых сигналов.

В аналоговых системах передачи методы повышения помехозащищенности сигналов сводятся к применению более помехоустойчивых аналоговых видов модуляции ЧМ или ФМ. Эти методы широко используются на практике, например, на радиорелейных и линиях связи искусственных спутников земли. Примером этого также является передача сигналов звукового сопровождения в телевидении, когда сигнал звука передается методом ЧМ, но, естественно, в более широкой полосе частот примерно равной 200 кГц. Применение методов ЧМ и ФМ с большим индексом модуляции всегда приводит к существенному расширению полосы частот, но поскольку эти методы аналоговые, то эффект накапливания помех в канале все равно остается, хотя и в меньшей степени, чем при ЧРК ОБП, ФРК и ВРК АИМ.

Другой путь повышения помехозащищенности заключается в преобразовании речевых сигналов в цифровую форму и передаче их в таком виде по линиям связи. Цифровые сигналы, в отличие от аналоговых, допускают возможность их регенерации через определенные участки

152

линий связи. При приеме цифрового сигнала в промежуточном пункте его значение сравнивается с порогом. Если реализация сигнала находится в зоне правильного приема, то выносится определенное решение, в соответствии с которым формируется элемент сигнала, очищенный от шумов, и таким образом практически полностью устраняется эффект накапливания помех в канале.

К настоящему времени разработано и применяется на практике много различных методов аналого-цифрового преобразования (АЦП) речевых сигналов. Все методы можно разделить на три группы:

–временное АЦП;

–частотное АЦП;

–кодирование параметров модели речи.

При временном АЦП временные характеристики источника речевого сигнала преобразуются в цифровую форму. При частотном АЦП кодируются спектральные характеристики речевого сигнала. Третий метод предполагает создание модели источника речи и кодирование параметров этой модели.

После АЦП необходимо согласовать спектральные характеристики «оцифрованного» речевого сигнала с частотными характеристиками направляющей среды. Для этого в любой цифровой системе передачи предусматривается устройство преобразования сигналов (УПС) (рис. 5.1). Синонимами УПС являются модем или совокупность кодера и декодера линейного тракта.

Рис. 5.1. Обобщенная структурная схема ЦСП

153

По мере ослабления цифрового сигнала в тракте передачи ставятся усилители-регенераторы (Рег). На приемной стороне выполняются обратные преобразования, т. е. в УПС линейный сигнал преобразуется в двоичный цифровой сигнал, который затем в цифроаналоговом преобразователе (ЦАП) преобразуется в совокупность аналоговых сигналов.

При любом методе передачи цифровых сигналов вначале осуществляется дискретизация аналогового сигнала по времени, а затем квантование значений аналоговых отсчетов по уровню. При этом вся область допустимых значений отсчетов делится на M разрешенных или квантованных уровней (рис. 5.2), и каждый раз при передаче очередного отсчета его значение округляется до ближайшего разрешенного уровня. Из-за этого возникает ошибка округления (квантования)

Разность δ между двумя соседними уровнями квантования называется шагом квантования.

Поскольку на приеме наблюдаются не истинные значения, а кван-

тованные aкв (i∆t) = a(i∆t) −εкв (i∆t) , то на выходе ФНЧ приема вместе с полезным сигналом a(t) будет присутствовать шум квантования εкв (t) .

154

Введение квантованных сигналов с одной стороны порождает уже на передаче шум, эффективная мощность которого не должна превышать допустимого значения для стандартных каналов ТЧ. С другой стороны, по-видимому, определенным выбором шага квантования δ можно в некоторой степени уменьшить эффект накапливания помех в тракте.

Если значение помехи ξ(i∆t) в момент дискретизации будет меньше чем δ/2, то решающее устройство сделает правильное решение. Когда же ξ(i∆t) ≥ δ/ 2, на приеме произойдет переход уровня из одного

состояния в другое, что будет приводить к дополнительным шумам на выходе канала. Эти шумы называют шумами регенерации.

Средняя мощность шумов квантования. Поскольку при введении квантования сигналов по уровню неизбежно на выходе канала возникает шум квантования, то независимо от способа передачи квантованных отсчетов, помехозащищенность сигнала должна соответствовать установленным требованиям. В предположении идеальной передачи квантованных значений сигнала его помехозащищенность на приеме AЗ.кв будет определяться только шумами квантования

AЗ.кв =10 lg(Pс / Pкв ),

где Pс −средняя мощность сигнала; Pкв −мощность шумов квантования. Условно квантование можно осуществить путем пропускания отсчетов сигнала через четырехполюсник (квантователь) с кусочно-

ломаной амплитудной характеристикой (рис. 5.2, а).

Амплитудная характеристика квантователя aкв = F(a) может быть представлена в виде суммы идеальной линейной характеристики и характеристики, определяющей искажения сигнала (рис. 5.2, б). Характеристика квантователя имеет два участка: зону квантования и зону огра-

ограничения), погрешность εогр (i∆t) = a(i∆t) −Uогр пропорциональна зна-

чению квантуемого отсчета. Поэтому результирующий шум на выходе канала при передаче квантованных значений случайного сигнала будет состоять из двух слагаемых – шума квантования и шума ограничения.

155

При малых средних мощностях (уровнях) сигнала все его реализации находятся в пределах зоны квантования, а при больших средних мощностях значительная часть реализаций сигнала попадает в зону ограничения.

Средняя мощность шума квантования равна [1]

Pш.кв = δ2 /12R,

где R −нагрузочное сопротивление.

Шум ограничения. Средняя мощность шума ограничения определяется соотношением (рис. 5.3)

Рис. 5.3. Зависимость ошибки ограничения от значения входного сигнала

Помехозащищенность по отношению к шумам ограничения определяется следующим образом:

Зависимость защищенности сигнала от шумов ограничения имеет характер быстро убывающей с ростом Pс / Pш.огр функции (рис. 5.4).

Спектральное распределение шумов ограничения в режиме максимальной загрузки тракта равномерно в полосе частот от нуля до 0,5 fд .

156

Помехозащищенность сигнала от собственных шумов, включающих шумы квантования и ограничения, как функция нормированной мощности преобразуемого сигнала с нормальным распределением мгновенных значений показана на рис. 5.5. максимум защищенности при m = 7 равен ≈ 35 дБ. При m = 8 он равен ≈ 40 дБ, а при m = 9 максимум равен ≈ 45 дБ.

Из рис. 5.5 видно, что динамический диапазон квантователя с линейной шкалой квантования узок. Так, при m = 7 помехозащищенность более 30 дБ обеспечивается в диапазоне уровней входного сигнала не более 10 дБ, а при m = 9 такая же помехозащищенность обеспечивается в диапазоне уровней ≈ 28 дБ.

157

Шум незанятого канала. В тех случаях, когда сигнал на входе квантователя отсутствует, на его выходе может иметь место шум, называемый шумом молчания или шумом незанятого канала. Появление этого шума обусловлено тем, что квантующая характеристика квантователя обычно медленно и незначительно меняется во времени из-за разного рода нестабильностей элементов квантователя и изменения напряжения источников питания.

Если характеристика расположена в центральной зоне так, как это показано на рис. 5.6, а, то малейшие шумы на входе квантователя приведут к появлению на его выходе клиппированного шума с амплитудой δ/ 2 , средний квадрат которой есть δ2 / 4 .

Если характеристика имеет такое положение, как показано на рис. 5.6, б, то незначительные флуктуации во входных цепях не приведут к появлению шумов на выходе канала.

На практике характеристика занимает какое-либо промежуточное положение (рис. 5.6, в). Максимальная мощность собственных шумов в режиме молчания Pш.м определяется величиной δ2 / 4 и может превышать мощность шумов квантования не более чем в три раза: Pш.м ≤ 3Pш.кв .

Рис. 5.6, а, б, в. Возможные положения квантующей характеристики относительно начала координат

Необходимое число шагов для линейной шкалы квантования. Найдем значение δ, или М, при котором обеспечивается заданная помехозащищенность сигнала АЗ.доп .

Уровень средней мощности речевых сигналов подчиняется нормальному закону распределения со средним значением p0 = −13,6 дБ

158

и среднеквадратическим отклонением σс = 5 дБ. Допуская превышение уровня средней мощности в активном канале с вероятностью не более 10−3 для максимального и минимального его значений, получим

pmax = p0 +3σc , pmin = p0 −3σc ,

а динамический диапазон уровней

D = pmax − pmin = 6σc .

Принимая во внимание пикфактор речевого сигнала γ =12 дБ определяем значение уровня сигнала, вероятность появления которого не превышает 10−3

pогр = pmax +12 = p0 +3σc +12.

Следовательно, диапазон уровней, в пределах которого все реализации речевого сигнала находятся с вероятностью 0,999, составит

pΣ = pогр + pmax = D +12 = 6σc +12.

Необходимое число уровней квантования следует определять из условия выполнения норм по помехозащищенности.

Помехозащищенность сигнала на выходе канала тональной частоты в соответствии с рекомендациями МСЭ-Т должна быть не менее 32,5 дБ, что соответствует усредненной мощности сигнала в 32 мкВт и допустимой псофометрической мощности помех Pш.псоф =10000 пкВт

в точке нулевого относительного уровня. Эффективная мощность шума Pш.эф в этой точке составит Pш.эф = Pш.псоф / nпсоф =17600 пкВт.

Помехозащищенность по шумам квантования определим в виде

AЗ.кв =10 lg(Pс.min / Pш.кв ) ≥ АЗ.доп ,

где Pс.min =100,1 pmin − средняя мощность, соответствующая минимальному уровню сигнала; Pш.кв = σ2кв /12R −мощность шума квантования, рассеиваемая на нагрузочном сопротивлении R .

Если число уровней квантования сигнала в пределах {−Uогр...Uогр}

равно М, то при большом значении М имеем 2Uогр = (М −1)δ ≈ Mδ. Откуда δ = 2Uогр / M , а мощность шума квантования соответственно будет

равной

Pш.кв =Uогр2 / R3M 2 =100,1 pогр / 3M 2 .

159