3. 3.5. Аналого-цифровое преобразование

Выше мы познакомились с преобразованием дискретной формы представления информации в аналоговую. Рассмотрим обратную задачу – преобразование и передача аналоговой информации в дискретной форме (в виде цифровых сигналов). Такая задача была решена, когда речевые сообщения стали передаваться по телефонным сетям в виде последовательности единиц и нулей, что повышает качество передаваемой речи, увеличивает скорость передачи, уменьшает вероятность ошибок в каналах связи. На рис. 3.8 показан принцип работы аналого-цифрового преобразователя.

Преобразование непрерывного аналогового звукового сигнала в цифровой сигнал называется дискретной модуляцией аналоговых сигналов. Устройство оцифровывания аналоговых каналов называется кодеком. Дискретные способы модуляции основаны на дискретизации непрерывных процессов, как по амплитуде, так и во времени (рис. 3.8). Рассмотрим принцип дискретной модуляции на примере импульсно-кодовой модуляции ИКМ. Аналого-цифровое преобразование является первым этапом цифровой обработки сигналов. Как показывает само название, аналого-цифровой преобразователь (АЦП) является связующим элементом между аналоговым и цифровым участками тракта, преобразующим непрерывный аналоговый сигнал с выхода микрофона в цифровую форму. Соответственно, цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП) – последний элемент в цифровом тракте и задача его прямо противоположная: он преобразует цифровой сигнал в аналоговый, а последний поступает на динамик, преобразующий его в акустический сигнал, воспринимаемый ухом.

Работа АЦП складывается из двух этапов: замер амплитуды входного непрерывного сигнала во времени через равные интервалы времени, а затем представление каждого замера в виде двоичного числа определенной разрядности. Этот процесс схематически иллюстрируется на рис. 8, на котором моменты дискретизации показаны штрихами на оси времени и для трех моментов дискретизации указаны уровни сигнала – в десятичном (235, 220 и 191) и соответственно в двоичном представлении (11101011, 11011100 и 10111111).

Рис. 3.8. Принцип работы аналого-цифрового преобразователя

В соответствии с теоремой Найквиста-Котельникова для качественной передачи голоса достаточно выбрать частоту дискретизации, в два раза превышающую наибольшую частоту в спектре обрабатываемого сигнала. Поскольку при передаче сигналов речи по телефонным каналам связи используется полоса частот от 300 до 3400 Гц, частота дискретизации выбрана 8000 Гц, т.е. с некоторым запасом.

В методе ИКМ обычно используются 7 или 8 бит кода для представления амплитуды одного замера. Для ИКМ скорость передачи по каналу соответственно равна 8000х8=64Кбит/с и 8000х7=56Кбит/с.

4. 3.6. Цифровое кодирование и синхронизация

Цифровая передача сигналов основана на использовании дискретных состояний канала для передачи по нему информации.

Для того, чтобы приемник точно знал в какой момент времени необходимо считывать бит информации с линии связи служит поимпульсная синхронизация. Любой резкий перепад переднего или заднего фронта бита используется для поимпульсной синхронизации. Лучшей синхронизационной комбинацией является чередование единиц и нулей.

Рис. 3.9. Примеры схем кодирования

Проблема в синхронизации возникает тогда, когда необходимо передать длинную последовательность из нулей или единиц. Как видно из рис. 3.9, это относится к схеме полярного кодирования.

В стандарте одной из цифровых систем определено, что по каналу не должно передаваться более 15 последовательно идущих единиц или нулей, иначе вероятно, что синхронизация будет потеряна.

Для решения этой задачи синхронизации при цифровом кодировании используются два метода. Первый основан на добавлении в исходный код избыточного бита, содержащего логические единицы. Однако при этом снижается пропускная способность канала. Другой метод основан на предварительном перемешивании исходной информации таким образом, чтобы предотвратить появление длинной последовательности нулей или единиц. Такая операция называется скремблированием. При скремблировании используется известный алгоритм, поэтому преемник восстанавливает с помощью дескремблера исходную последовательность. Избыточные биты при этом в канал не передаются.

Разработано множество схем представления цифровых сигналов, или, иначе, цифрового кодирования, две из которых приведены на рис. 3.9. В верхней части рисунка показана биполярная схема кодирования сигналов, в которой цифровая 1 представлена напряжением -12В, а цифровая 0 – напряжением +12В. В нижней части рисунка показана биполярная схема с возвратом к нулю, в которой цифровые нули представлены отсутствием напряжения, а цифровые единицы – знакочередующимися трёхвольтовыми импульсами.