1573

телефонных каналов [2], становится очевидным использование в каналообразующей аппаратуре оптоволоконных систем.

Мультиплексирование с разделением по времени

Каналообразующая аппаратура с мультиплексированием по времени работает в режиме разделения времени, поочередно обслуживая в течение цикла своей работы все абонентские каналы. Каждый канал оцифровывается последовательно один за другим с помощью АЦП и передает коды данных на мультиплексор со стандартной скоростью 64 Кбит/с (1 байт каждые 125 мкс) в выделенный для этого канала квант времени. Порядок следования байт в кадре (frame) соответствует номеру входного канала, от которого этот байт получен. Количество обслуживаемых мультиплексором абонентских каналов зависит от его быстродействия. Демультиплексор выполняет обратную задачу – он разбирает байты уплотненного кадра и распределяет их по своим нескольким выходным каналам, при этом он считает, что порядковый номер байта в кадре соответствует номеру выходного канала.

Рис.2.4. Временное разделение каналов в системе Т1

На рис. 2.4 показан стандарт, распространенный в США и Японии, Т1. Канал Т1 мультиплексирует 24 телефонных канала в течение каждых 125 мкс. Каждый канал несет 8 бит: 7 бит – данные, 1 бит – специальный сигнальный, с которого начинается кадр передачи.

31

Итого Т1 кадр несет 193 бита. Общая скорость передачи такого канала 125 с по 193 бита, т.е. 1544 Мбит/с. Для данных используется 23 байта, 24 байт используется для синхронизации работы приемной аппаратуры с передающей. Системы с временным разделением каналов Т1используют следующую иерархию уплотнения каналов:

– первый уровень образуют 4 группы из 24каналов, которые мультиплексируются в кадр Т2, передающихся со скоростью

6312 Мбит/с ;

–второй уровень объединяет 6 кадров Т2 в один Т3, который передается со скоростью 44 736 Мбит/с;

–третий уровень мультиплексирует 7 каналов Т3 со скоростью передачи 274 176 Мбит/с.

ВЕвропе и Великобритании используется другой стандарт – Е1. Основные его отличия: сокращено число бит на синхронизацию; используются все 8 разрядов в байте, а не 7 как в Т1. В этой системе в течение 125 мкс передается 328 разрядных канала, т.е. скорость достигается 2048 Мбит/с.

2.4. Цифровая обработка аналоговых сигналов

Цифровой обработкой сигнала (ЦОС) называется применение цифровой логики и математических алгоритмов для реализации функций преобразования сигналов. Преобразование сигнала производится с целью улучшения или изменения его характеристик. Примеры, где используется цифровая обработка сигналов в СПИ, – это усиление, модуляция, мультиплексирование, шифрование и многое другое. Цифровая обработка аналогового сигнала подразумевает преобразование их в цифровую форму с помощью аналого-цифрового преобразователя (АЦП). После цифровой обработки коды с помощью цифроаналогового преобразователя (ЦАП) преобразуются в аналоговый сигнал. Для реализации функций преобразования в устройствах ЦОС используется вычислительное устройство, оперативная и долговременная память для хранения параметров и программ. Пример цифровой обработки аналогового сигнала алгоритмом цифровой фильтрации представлен на рис. 2.5.

Основные преимущества цифровой обработки сигналов по сравнению с аналоговыми преобразованиями заключаются в следующем:

32

АЦП ЦОС ЦАП

Рис. 2.5. Цифровая обработка аналогового сигнала

–устройства ЦОС нечувствительны к малым изменениям электрических свойств их элементов и паразитным эффектам, что дает возможность реализовывать алгоритмы преобразования в СПИ с постоянными заданными характеристиками без точных настроек ее элементов;

–одна и та же схемная реализация ЦОС может использоваться для множества приложений простой заменой алгоритма обработки или изменением численных значений параметров;

–одна и та же ЦОС может применяться для многих сигналов циклической обработки каждого сигнала в режиме разделения времени;

–тестирование цифровых алгоритмов осуществляется сравнением результатов преобразования с эталонными значениями, хранящимися в памяти, что упрощает процесс отладки и испытаний устройств.

2.5. Использование ЦОС для борьбы с эхом в СПИ

Эхокомпенсация, реализуемая в современных модемах, дает пример использования ЦОС для организации эффективной связи в двухпроводных линиях связи. Производительность эхокомпенсаторов с ЦОС достигла такого уровня, что они могут применяться для любых каналов дальней связи, обеспечивая полнодуплексный канал передачи данных без искусственного затухания, вносимого эхоподавителем. Эхо и самовозбуждение возникают в результате попадания передаваемых сигналов по причине взаимосвязи в обратный канал, по которому они возвращаются к источнику. При преобразовании двухпроводной линии в четырехпроводную с помощью дифференциальных систем (ДС), как показано на рис. 2.4, сигналы из входящей ветви

33

четырехпроводной цепи проникают в исходящую ветвь и возвращаются к источнику.

Рис. 2.6. Возникновение эха при преобразовании двухпроводной линии в четырехпроводную

Если сигнал отражается только один раз, то эхо называют «эхом говорящего». Если же происходит второе отражение, то это приводит к «эху слушателя». Когда возвращающий сигнал без конца возвращается назад в прямой путь, приводя к колебаниям, то возникает самовозбуждение. Эффект эха оказывает негативное влияние не только на ведение разговоров, но может привести и к искажению передаваемых данных, если для этого используется модем.

Степень влияния отраженного сигнала на ведение связи зависит как от амплитуды возвращающегося сигнала, так и от величины задержки [4]. В коротких соединениях задержка достаточно мала, и эхо проявляется в простом слиянии сигналов в эхе говорящего. Однако прохождение сигнала по кольцу на большие расстояния увеличивает задержки, и возникает необходимость существенно снижать эхосигналы. Соединения, при которых величина кольцевой задержки составляет более 45 мс (что соответствует длине проводных линий 2880 км), требуют использования специальных приборов – эхопода-

вителей или эхокомпенсаторов.

Если мощность эхо-сигнала значительна и превышает допустимый порог, эхоподавители вносят в цепь отраженного сигнала дополнительное затухание (обычно 35 дБ). Таким образом, возвратное эхо подавляется более высоким уровнем затухания. При этом эхоподовитель «ощущает» момент переключения линии на передачу в обратном направлении и преобразует дуплексную цепь в полудуплексную. Один из недостатков эхоподавителей для сетей передачи речи состоит

34

в том, что они могут обрезать (клиппировать) начальные отрезки речевых сегментов, если один из говорящих начинает говорить в конце фразы другого.

Более предпочтительнее метод контролирования эха состоит в его компенсации. Эхокомпенсатор моделирует путь эха для того, чтобы затем вычесть должным образом задержанную и ослабленную копию передаваемого сигнала из полученного сигнала с целью удаления (компенсации) компонентов эха. На схеме (рис.2.7) эхо компенсируется вблизи от источника и поэтому задержки в эхокомпенсаторе минимальны.

+

–

– +

Рис. 2.7. Схема использования эхокомпенсаторов

Для достоверного моделирования характеристик эха эхокомпенсаторы требуют тренировки для определения величин задержки и затухания. Важная особенность этих устройств на основе ЦОС заключается в том, что они поддерживают полный дуплекс в сети и клиппирование речевых фрагментов не происходит.

2.6. Вокодеры

Техника цифровой обработки аналоговых сигналов эффективно используется в низкоскоростном кодировании речи. Вокодер (сокращенно от английского voice coder) предназначен для кодирования речи с целью сокращения полосы частот речевого сигнала и уменьшения числа разрядов на отсчет, необходимых для передачи зашифрованного сигнала по узкополосным каналам связи: сотовой телефонии,

35

интернет-телефонии, организации нескольких речевых каналов в одной арендованной линии. Основным требованием хорошего качества речи является сохранение кратковременного энергетического спектра сигнала. Фазовое соотношение между отдельными частотными составляющими гораздо менее существенно для восприятия. Так, например, если синхронно или почти синхронно сыграть две ноты на пианино, то звук, получающийся в результате, почти не зависит от того, была ли одна из нот нажата немного позже или раньше другой. По этой причине временной сигнал на выходе вокодера имеет мало сходства с сигналом на его входе, но воспроизведение кратковременного энергетического спектра входного сигнала обеспечивается.

На рис. 2.8 представлена схема канального вокодера, в котором в процессе кодирования определяется кратковременный спектр сигнала как функции времени.

ГШ

Рис.2.8. Схема преобразования речевого сигнала в канальном вокодере

Блок полосовых фильтров используется для разделения энергии речи на поддиапазоны, в которых осуществляется полнопериодное выпрямление и фильтрация для определения относительных уровней мощности. Оцифрованные значения мощности для выделенного спектра объединяются в составной канал мультиплексором М для передачи по линии. Демултиплексор ДМ выделяет цифровой отсчет для

36

каждого поддиапазона и с помощью ЦАП восстанавливает измеренное значение мощности для текущего кванта времени. Восстановление речевого сигнала производится генератором шума ГШ, уровень которого задается значением мощности с выходов ЦАП для каждого поддиапазона, и полосовыми фильтрами. Таким образом, выходной сигнал каждого полосового фильтра декодера соответствует входному сигналу соответствующего полосового фильтра в кодере. Суперпозиция отдельных поддиапазонов в спектральной области воссоздает полный спектр исходного сигнала.

В формантных вокодерах обеспечивается кодирование речи выбором из всего диапазона 200 – 3400 Гц трех–четырех временных спектральных пиков, где сосредоточена основная энергия. Эти участки спектра называют формантами. Для этого типа вокодеров обеспечивается низкая скорость передачи за счет кодирования только наиболее важных мгновенных компонентов спектра речи.

Все типы вокодеров, измеряющих спектр мощности, называют спектральными канальными вокодерами для отличия их от вокодеров, работающих во временной области, таких, как кодер с линейным предсказанием.

Кодер с линейным предсказанием (Lenear Predective Coding, LPC) является распространенным типом вокодера, который извлекает наиболее значимые с точки зрения восприятия особенности речи напрямую из временного сигнала, а не из его частотного спектра. По существу, кодер с линейным предсказанием анализирует речевой сигнал для создания динамической модели речевого тракта. Синтезатор в приемном терминале воссоздает речь, используя параметры этой модели. Периодически обновляя параметры модели, синтезатор адаптируется к изменениям характеристик речи. На рис. 2.9 представлены схемы модели LPC кодера, используемые для определения временных параметров речи (анализ) и ее воспроизведения (синтеза). Оператор A(z) представляет собой матрицу коэффициентов при дискретной функции от речевых отсчетов x(n). При построении модели предполагается, что на любом интервале времени речевой тракт можно представить линейным процессом с постоянными во времени параметрами. В процессе анализа определяются коэффициенты матрицы A(z) для минимизации ошибки e(n) по заданному множеству речевых отсчетов x(n), которые используются для получения выходного отсче-

та y(n).

37

–+

Рис. 2.9. Основная модель схемы анализа и синтеза с линейным предсказанием

При построении модели предполагается, что на любом интервале времени речевой тракт можно представить линейным процессом с постоянными во времени параметрами. В процессе анализа определяются коэффициенты матрицы A(z) для минимизации ошибки e(n) по заданному множеству речевых отсчетов x(n), которые используются для получения выходного отсчета y(n).

В отличие от приведенной модели, уравнение типовой модели речевого тракта для наиболее распространенной формы декодера / синтезатора, имеет вид

y(n)=Σaky(n-k)+Gx(n), (2.3)

где y(n) – n-й отсчет на выходе; ak – k-й коэффициент предсказания матрицы А; G-коэффициент усиления; x(n) – входной сигнал в момент n-го отсчета. Суммирование ведется от 1 до выбранного порядка модели p. Выходной речевой сигнал, определенный уравнением (2.3), представляет собой текущее значение входного сигнала плюс линейную комбинацию p выходных сигналов речевого тракта. Эта модель адаптивна в том смысле, что кодер периодически определяет новый набор коэффициентов предсказания, соответствующих последовательным фрагментам речи. Хотя LPC работают с временным представлением речевого сигнала, в них все же обеспечивается хорошая оценка пиков спектра сигнала и речь воспроизводится более натурально. Большинство LPC вокодеров предназначены для кодирования речи в диапазоне скоростей 1,2 – 2,4 кбит/с.

Министерством обороны США в качестве стандарта для ведения секретных переговоров по телефонным коммутируемым линиям

38

был принят LPC 10-го порядка на скорости 2400 бит/с. В этой системе передача осуществляется блоками по 54 бит каждые 22,5 мс. Эти 54 бита распределяются следующим образом: 7 битов – интервал основного тона, 5-битов – уровень энергии (коэффициент усиления), 41 бит

– на 10 коэффициентов и бит кадровой синхронизации.

Вопросы для самоконтроля

1.В чем отличие аналоговых систем от цифровых?

2.Как отличается спектр модулированного сигнала от спектра исходного?

3.Какие способы модуляции используются в аналоговых СПИ?

4.Для чего используется модем?

5.Объясните отличие протоколов модемной связи по скорости передачи данных.

6.Какие способы мультиплексирования используются в аналоговых СПИ?

7.Для чего используется ЦОС в аналоговых СПИ?

8.Назовите причины, по которым возникает эхо в системах свя-

зи.

9.В чем отличие использования эхокомпенсаторов от эхоподавителей?

10. Для каких целей используются вокодеры?

11. Как изменяется полоса частот речевого сигнала в вокодере? 12. Подчеркните основные отличия канального вокодера от во-

кодера с линейным предсказанием.

39

3.ТЕХНОЛОГИИ ЦИФРОВОЙ ПЕРЕДАЧИ ИНФОРМАЦИИ

3.1.Цифровое кодирование

Вотличие от аналоговых СПИ, где для передачи данных используется модуляция гармонических колебаний на определенной частоте, в цифровых системах связи обработка и преобразование информации от источника до потребителя производится на основе цифрового кодирования. Цифровые СПИ более надежны, чем аналоговые, обеспечивают большую целостность канала связи, позволяют эффективно внедрять механизмы защиты данных, основанные на их шифровании. Основой построения подобных систем является выбор форм сигнала в виде последовательности импульсов для кодирования информации. При передаче сигналов формируется определенная последовательность импульсов, которая распознается на приемной стороне. При передаче последовательности импульсов используются потенциальные и импульсные коды. В потенциальных кодах для представления логических единиц и нулей применяется только значение потенциала сигнала, а его перепады, формирующие законченные импульсы, во внимание не принимаются. Импульсные коды позволяют представить двоичные данные либо импульсами определенной полярности, либо частью импульса – перепадом потенциала определенного направления.

При использовании прямоугольных импульсов для передачи дискретной информации необходимо выбрать такой способ кодирования, который отвечал бы следующим требованиям [2]:

–имел при одной и той же битовой скорости наименьшую ширину спектра результирующего сигнала;

–обеспечивал синхронизацию между передатчиком и приемни-

ком;

–обладал способностью распознавать ошибки;

–обладал низкой стоимостью реализации.

Более узкий спектр сигналов позволяет на одной и той же линии (с одной и той же полосой пропускания) добиваться более высокой скорости передачи данных. Кроме того, часто к спектру сигнала предъявляется требование отсутствия постоянной составляющей, то есть наличия постоянного тока между передатчиком и приемником. Такое ограничение связано с использованием в телефонных сетях

40