книги из ГПНТБ / Гуревич В.Э. Импульсно-кодовая модуляция в многоканальной телефонной связи

вобранные (но связанные между собой) измерительные эталоны напряжения и мощности.

Обычно уровень сигнала измеряется, согласно рекомендациям МККТТ, специальным вольтметром (волюмметром), обеспечиваю­ щим квадратичный закон суммирования колебаний различных ча­

виях и определенном времени .наблюдения Тн величину уровня на­

около '200 тс.

Динамический уровень (іволюм) характеризует мощность або­ нентского сигнала ів различных точках физической цепи. В -отли­ чие от этого, понятия абсолютного, относительного, измерительно­ го уровня передачи [3] относятся к мощности специального испы­ тательного сигнала, передаваемого по линии овязи, и, таким обра­ зом, эти уровни характеризуют только саму физическую цепь.

2.2. Одномерное распределение мгновенных значений речевого сигнала

Сведения об одномерном распределении мгновенных зна­ чений речевого сигнала нужны, в первую очередь, для расчета тре­ буемого числіа уровней квантования ів системах ВД-ИКМ и выбо­ ра характеристик компрессора и экспандера (см. тл. 4 ) , а также необходимы для анализа статистических характеристик группового сигнала (гл. 6 ) .

— оо

00

(2.2)

Эти условия должны выполняться, хотя бы приближенно, для всех аналитических выражений плотности распределения, предлагае­ мых в результате обработки экспериментальных данных.

Одномерное распределение вероятностей мгновенных значе­ ний—одна из основных статистических характеристик речевого сигнала, которая неоднократно являлась предметом исследования.

что соответствующие функции одинаковы. Там, где это может привести к недо­ разумениям, вводятся соответствующие индексы.

20

Остановимся на результатах, полученных в работе і[4], где описа­ ны исследования английской речи. На основе полученных экспери­ ментальных данных предлагается следующее аналитическое 'выра­

Оба условия нормировки длія (2.4) выполняются. Как и в ф-ле (2.3), второе слагаемое характеризует поведение функции плот­ ности в области весьма малых и.

В работе [7] приведены экспериментальные данные, которые хорошо аппроксимируются 'функцией плотности двустороннего

нентского тракта, в основном от качества микрофона. Для уголь­

21

В результате сравнительного «анализа указанных выше мате­ риалов ото распределению мгновенных значений речевого сигнала можно сделать следующие выводы:

1) в 'Области очень малых и (паузы и шум) имеется резкий всплеск функции плотности, -быстро затухающий с ростом и и учи­ тываемый в виде нормальной кривой с очень малой дисперсией

жения полосы (а-^0) — к гиперболическому; 4) распределение является симметричным, математическое ожи­

дание величины и равно нулю.

Учитывая эти выводы, можно предложить следующее обобщен­

ности ів области пауз и шумовых напряжений. Если х-М), то вто­ рой член выражения (2.6) стремится к дельта-функции ô(«) . Все моменты распределения (2.6) существуют. Первое условие норми­ ровки выполняется для (2.6) при всех значениях г\ и х.

Условие нормировки (2.2) применительно к этому выражению несколько изменяется и требует выполнения равенства

]uW(u)dà = v^,

00

где оЭфф — величина «Эфф, усредненная за длительный промежуток времени (порядка нескольких минут).

') Коэффициентом активности телефонного канала называют отношение времени, в течение которого мощность сигнала на его входе превышает задан­ ное пороговое значение, к общему времени работы канала в системе. Теорети- •чесюи пороговое значение мощности сигнала, входящее в определение коэффидиента активности, равно нулю. Практически на входе канала даже в паузах и перерывак речи имеется некоторый шум, и поэтому пороговый уровень имеег величину порядка —40 дБ .

22

Интеприруя, получим ѵ2 ^ = ц іЯ - f (1 — ) хЧ\

э п эфф

Выражение (2.6) является наиболее пригодным для теоретиче­ ского анализа, поскольку из него, как частные случаи, получают­ ся все рассмотренные в литературе функции плотности. Если ха­ рактер плотности вероятностей мгновенных значений сигнала в об­ ласти пауз и шума является несущественным, то выражение (2.6) можно упростить « записать в виде [2]:

где 8(и)—дельта-функция.

2.3. Энергетический спектр, корреляционная функция, двумерное распределение мгновенных значений речевого сигнала

Сведения об этих статистических характеристиках речи ис­ пользуются для анализа процесса квантования до уровню, для выбора частоты дискретизации и для решения некоторых других вопросов, возникающих при разработке систем с ИКМ.

Спектральные и корреляционные характеристики речи, полу­ чаемые экспериментальным путем в результате усреднения боль­ шого количества измеренных данных .(имеется в виду усреднение как по времени, так и по множеству реализаций), относятся, как и законы распределения мгновенных значений, лишь к некоторому обобщенному, среднестатистичѳокому речевому сигналу. В част­ ности, ниже не рассматриваются по отдельности спектральные ха­ рактеристики мужских и женских голосов, а имеются в виду неко­ торые средние для этих трупп голосов величины.

Не касаясь 'методики исследования спектральных свойств рече­ вого сигнала, отметим, что наблюдается большое сходство полу­

деление средней мощности по различным частотам определяется в основном гласными звуками речи, количество которых в разных языках примерно одинаково. Данные, полученные различными ис­

23

Сходные результаты получены ів работе [15], где предложено следующее аналитическое выражение для энергетического спектра речевого сигнала, представленного ів электрической форме:

Здесь /f — частота в терцах; ,/і = 181,5Гц; /2 = 475 Гц. Зная энерге­ тический спектр телефонного сигнала, с помощью косинус-лреоб-

В (т) = J Gi(;/)cos 2яі/ т df и коэффициент корреляции г (т) = В (т) IB (0).

о

Соответствующие выкладки для спектра, определяемого вышепри­

полного представления о свойствах сигнала на входе канала си­ стемы связи необходимо учитывать частотные характеристики от­ дачи передающей части телефонного аппарата и затухания або­ нентского тракта; как те, так и другие характеристики могут иметь довольно сложный вид. Поэтому выражения для G(f) и г(т), при­ веденные выше, справедливы для входного сигнала системы с ИКМ лишь приближенно и могут использоваться только для ориенти­ ровочных расчетов.

24

нием i(2j8). Указанная аппроксимация дает результаты, удовлетво­ рительно совпадающие с приведенными ів [10, 11] эксперименталь­

2.4. Распределение динамических уровней абонентских сигналов. Коэффициент активности

Распределение средних мощностей и динамических уров­ ней (волюмов) абонентских сигналов изучалось неоднократно на различных телефонных линиях в различных странах мира. Боль­ шинство работ указывает на то, что распределение W(y) ВОЛЮМОЙ различных абонентов подчиняется нормальному закону:

25

(У-Уо)1

тов, различие микрофонов и их питающих токов, различие в зату­ хании абонентских линий и т. п.

По данным различных авторов [7, 16, 17, 18], величина г/о на различных линиях составляет от —18 до —8 дБ, а су =4-=-8 дБ и чаще всего немногим больше 5 дБ.

Усреднение средних мощностей абонентских сигналов .и усред­ нение их волюмов приводят к различным результатам; волюм у с р м усредненной по всем абонентам средней мощности не равен сред­ нему волюму г/о, а больше последнего. Это следует из того извест­ ного факта, что логарифм среднего больше среднего логарифма.

среднеквадратичное отклонение может иметь величину сгу =4,3 дБ. Тогда средний волюм равен г/о = г/срм—0,115ау =—12,7 дБ.

Для расчета характеристик группового сигнала многоканаль­ ных систем связи существенное значение имеет коэффициент актив­ ности -п. При определении коэффициента активности каналов пере­ дачи необходимо учесть, что односторонний разговор составляет в

ризующий часовое использование каждого станционного прибора. Значение коэффициента т)' определяется рядом факторов: ха­ рактером потока телефонных вызовов, распределением длительно­ сти разговоров (занятий), принципом построения АТС и т. п. В ти­ пичных для практики случаях коэффициент ц' = 0,64-0,8. Тогда

26

Глава 3

ДИСКРЕТИЗАЦИЯ ПО ВРЕМЕНИ И КАНАЛООБРАЗОВАНИЕ

ВСИСТЕМАХ ВД-ИКМ

3.1.Дискретизация по времени

всех импульсных систем связи и, в 'Частности, для импульсно-ко- довых систем, где он предшествует квантованию по уровню и коди­ рованию. Сразу отметим, что термины «дискретизация» и «кван­

плитуды которых равны или пропорциональны его мгновенным

ность каждого импульса может быть ничтожно мала; на практике

ся только равномерная дискретизация. В системах ВД-ИКМ она позволяет осуществить объединение и разделение канальных сиг­

постольку, поскольку она позволяет осуществить синхронно-перио­ дический режим работы основных импульсных устройств (в пер­ вую очередь, кодера и декодера).

Возможность передачи дискретизированных сигналов вместонепрерывныхпо времени и неискаженного восстановления послед­ них из последовательности отсчетов основана на применении изве­ стной теоремы В. А. Котелыникова [1]. Эту теорему можно сформу­ лировать следующим образом: любую функцию времени, спектр

27

которой .состоит из частот от 0 до / в терц, можно воспроизвести .из последовательности .мгновенных значений этой функции, следую­ щих через интервалы времени, не превышающие 1/2 : /в секунд 1 ) .

US-ù)H U3+<t>n

Рис. 3.1. Непрерывный модулирующий сигнал (a) и его спектр (б), импульсная несущая (в) и ее апекцр (г), дис- 'Кретизированный .сигнал (д) и его .спектр (е)

28

Заметим, что .первый сомножитель под знаком суммы представляет собой мгновенное значение (отсчет) сигнала, а второй — импульс­ ную характеристику идеального фильтра нижних частот (ФНЧ) с

следовательностью переданных по каналу связи отсчетов, для точ­

В. А. Котельникова применительно к реальным сигналам следует понимать как приближенное утверждение. Однако степень этого приближения вполне достаточна для практики. Действительно, ни

с бесконечно широким спектром, да это на практике и не требует­ ся. Так, например, естественный получатель речевой информации — человеческое ухо — практически не реагирует на колебания с ча­ стотами выше 16 кГц. Примерный график спектральной плотности среднего квадрата звукового давления речи показан на рис. 2.1. Такой же характер имеет энергетический спектр речевого сигнала на выходе высококачественного конденсаторного микрофона. За­ метное ограничение спектра имеет место уже при преобразовании звукового давления в электрический сигнал с помощью обычного микрофона, а также при обратном преобразовании, осуществляе­ мом в телефонном аппарате. Как известно из практики построения систем многоканальной связи, качество передачи телефонного сиг­ нала будет достаточно высоким, если ограничиться в каждом ка­ нале передачей частотных составляющих, лежащих в полосе ЗСЮч-3400 .Гц. Искажения, возникающие при таком ограничении спектра, не оказывают существенного влияния на разборчивость речи [3].

Таким образом, дискретизируѳмые сигналы в системах с ИКМ можно считать практически ограниченными по спектру, и для них справедливы условия теоремы В. А. Котельникова.

С технической точки зрения равномерная дискретизация ничем не отличается от хорошо известной в технике 'связи амплитудноимпульсной модуляции (АИМ). Действительно, если непрерывный по времени сигнал (рис. 3.1а) модулирует по амплитуде периоди­ ческую импульсную последовательность, показанную на рис. 3.1 в, то в случае балансной модуляции на выходе модулятора будет по-

29