3.2.2 Шумы незагруженного канала
Анализ выражений (3.3) и (3.4) показывает, что отношение сигнал-шум мало для малых значений дискретов. Как показано на рис. 3.10, шумы могут быть даже больше сигнала, если значения дискретов приходятся на первый шаг квантования. Этот эффект особенно неприятный во время пауз речи, носит название шумов незагруженного канала. На рис. 3.11 изображен один из методов минимизации шумов незагруженного канала в системах с ИКМ путем сдвига характеристики квантования от начала координат. В этом случае все значения дискретов, приходящиеся на центральный шаг квантования, постоянно декодируются как нулевой сигнал на выходе. В системах с ИКМ такого типа используется нечетное число шагов квантования, поскольку диапазоны кодирования для положительных и отрицательных сигналов обычно равны.
Характеристики квантования, необходимые для получения сигналов на рис. 3.10 и 3.11, представлены на рис. 3.12 и 3.13 соответственно. Первая характеристика (рабочая точка кодера находится на границе между двумя шагами квантования) не может дать на выходе нулевого сигнала. Вторая характеристика (рабочая точка кодера находится посредине шага квантования) очевидно более предпочтительна, поскольку в этом случае очень малые сигналы образуют на выходе декодера постоянный сигнал с нулевым значением. Однако, если амплитуда сигнала сопоставима с размером шага квантования или на входе кодера существует смещение постоянного тока, шумы незагруженного канала могут представлять проблему также и при установке рабочей точки кодера посредине шага квантования.
Как уже упомянуто в гл. 1, шумы в паузах речи более неприятны, чем шумы с эквивалентными уровнями мощности во время речи. Вследствие этого шумы незагруженного канала нормируются в абсолютных значениях независимо от шума квантования, который нормируется по отношению к уровню сигнала. Например, спецификации на блок каналообразования типа D3, применяемый фирмойBellSystem, содержат норму на максимальное значение шумов незагруженного канала, составляющую – 68 дБмОп [9].
3.2.3 Импульсно-кодовая модуляция с равномерным квантованием
Кодер с равномерными шагами квантования для всех значений дискретов создает кодовые комбинации, линейно-связанные со значениями аналоговых дискретов, т.е. численный эквивалент каждой кодовой комбинации пропорционален значению квантованного дискрета, ее образующего. Поэтому в системе с ИКМ и равномерным квантованием используется обычный аналогово-цифровой преобразователь для формирования арифметического кода дискрета. Число разрядов, требуемых для представления дискретов, определяется максимально допустимой мощностью шума. Минимально допустимое качество речи при цифровом представлении речи требует отношения сигнал-шум не менее 26 дБ [10]. Для получения в системе с ИКМ и равномерным квантованием отношения сигнал-шум квантования, равного 26 дБ, согласно (3.4) необходимо, чтобы qmax= 0,123 А. Отсюда следует, что для равных значений отклонения сигнала в положительную и отицательную стороны (кодирование от А до – А) требуется лишь немногим более 16 шагов квантования или четырех разрядов на дискрет.
В дополнение к обеспечению требуемого качества речи для малых сигналов телефонная система должна быть способна передать сигналы с большим диапазоном амплитуд. Минимальный типовой динамический диапазон равен 30 дБ [10]. Следовательно, амплитуды сигналов, в 31 раз превышающие А, должны кодироваться без выхода за пределы диапазона шагов квантования. Предполагается, что при равномерном квантовании шаги квантования равны, получаем общее число требуемых шагов, равное 496, что соответствует 9-разрядным кодовым комбинациям.
Характеристики n-разрядной системы с ИКМ и равномерным квантованием определяются с учетом того, что
q = 2A max / 2 n, (3.5)
где Аmax– максимальная амплитуда (без перегрузки).
Подставив выражение (3.5) в (3.4), получим выражение для характеристик ИКМ при равномерном квантовании:
ОСШК = 1,76 + 6,02n + 20lg (A /A max). (3.6)
Первые два члена выражения (3.6) дают отношение сигнал-шум квантования для синусоиды с амплитудой, охватывающей весь рабочий диапазон кодера. Последний член показывает, насколько уменьшается ОСШК при снижении уровня кодируемого сигнала. Эти соотношения представлены на рис. 3.14, где отображается зависимость ОСШК для системы с ИКМ и равномерным квантованием от числа разрядов на дискрет и от амплитуды входной синусоиды.
Пример 3.2Какова минимальная скорость передачи, необходимая для того, чтобы при кодировании звукового сигнала с высоким качеством в ИКМ-кодере с равномерным квантованием получить динамический диапазон порядка 40 дБ? Предположим, что требования высокого качества передачи означают, что необходима полоса порядка 10 кГц, а минимально допустимое отношение сигнал-шум составляет около 50 дБ. Для простоты предположим также, что на вход подаются синусоидальные сигналы.
Решение.Чтобы предотвратить появление помех наложения спектров, требуется выбрать частоту дискретизации не менее 20 кГц. Принимая коэффициент запаса по частоте дискретизации, сравнимый с тем, который принят в каналообразующих блоках типаD(4000/3400), выбираем частоту дискретизации равной 24 кГц как компромисс для практически реализуемого ограничивающего частоту фильтра. Требуя, чтобы сигнал с максимально возможной амплитудой кодировался с ОСШК, равным 40+50=90 дБ, можем использовать соотношение (3.6) для определения числа разрядовn, необходимых для кодирования каждого дискрета:
n= (90 – 1,76)/6,02 = 15 разрядов.
Таким образом, требуемая скорость передачи составляет 15*24 = 360 кбит/с.