4.2. Передача аналогового сигнала по цифровому каналу связи

В современных телефонных сетях, сигналы передаются в следующей форме: телефонный аппарат, стоящий у вас дома или в офисе (если в офисе используется местная АТС, то там все может быть устроено по-другому), соединен с телефонной станцией парой проводов, именуемой абонентским шлейфом, эта пара проводов используется и для подачи напряжения на цепь звукового сигнала телефонного аппарата при инициализации вызова, и для передачи звуковых сигналов АТС (непрерывный гудок, длинные или короткие гудки) на телефонный аппарат, и для передачи собственно речи во время связи.

Рассмотрим в первую очередь то, что происходит с голосовым сигналом на пути его передачи от микрофона одного телефонного аппарата к громкоговорителю другого. В настоящее время этот путь чаще всего выглядит (во всяком случае, должен выглядеть; в реальности это происходит только в том случае, когда на АТС установлено современное оборудование) следующим образом: микрофон преобразует звуки речи в аналоговый сигнал, передаваемый по абонентскому шлейфу к АТС. Если вызов адресован абоненту, находящемуся в зоне действия той же АТС, то коммутационная аппаратура просто замыкает абонентские шлейфы друг на друга, никак не вмешиваясь в процесс голосового обмена. Если же голос предстоит передавать дальше, то установленное на АТС оборудование оцифровывает его и передает полученную последовательность цифр по магистральным каналам связи. На противоположном конце АТС-адресат получает поток цифровых данных, восстанавливает по ним аналоговый голосовой сигнал и передает этот сигнал по абонентскому шлейфу на телефонный аппарат. Оцифровывать голос при передаче начали в первую очередь потому, что цифровой сигнал более устойчив к помехам и его использование позволяет повысить качество связи. Поскольку все преобразования из аналоговой формы в цифровую производятся на аппаратном уровне, они не приводят к ощутимым для абонента задержкам (при использовании современной аппаратной базы суммарная задержка, связанная с оцифровкой- восстановлением, составляет около 125 мкс).

Методы цифровой передачи речи (кодирования речи) ведут свою историю от первых, еще аналоговых, вокодеров (VOice CODer), схем распознавания речи с магнитного носителя и способов прямого цифрового представления непрерывного сигнала (АЦП) [9]. Соответствующие устройства называют кодерами (при прямом преобразовании), декодерами (при обратном преобразовании) или кодеками. В последние десятилетия применялись низкоэффективные устройства цифровой передачи речи; создание высокоэффективных устройств сдерживалось неразвитостью элементной базы. Сейчас же практически любая разработка реализуется "в железе" и поступает на рынок в считанные месяцы.

В современных устройствах используются алгоритмы, рекомендованные Международным союзом электросвязи для конкретных скоростей передачи (стандарты кодирования речи), алгоритмы для кодеков стандартов сетей передачи (например, GSM и Inmarsat), национальные стандартизированные алгоритмы (в частности, стандарт США на скорость 4,8 кбит/с). Кроме того, кодеки могут изготавливаться по оригинальным специализированным алгоритмам.

Обобщенная структурная схема системы передачи аналогового сигнала по цифровому каналу связи приведена на рис.4.4 (ИС - источник сигнала, КИ - кодер источника, КК - кодер канала, М - модулятор, ДМ - демодулятор, ДК - декодер канала, ДИ - декодер источника, ПИ - приемник сообщения, P - вероятность ошибки на канал Pош).

Рис. 4.4 Структурная схема системы передачи аналогового сигнала по цифровому каналу связи

Предмет интереса цифровой телефонии - кодер источника речевого сигнала и его взаимодействие с остальными блоками в этой схеме. Каждый из блоков позволяет решать какую-либо одну прикладную задачу, что влияет не только на характеристики системы в целом, но и на выбор входящих в нее элементов.

Спектр речи весьма широк (примерно от 50 до 10000 Гц), но для передачи речи в аналоговой телефонии когда-то отказались от составляющих, лежащих вне полосы 0,3-3,4 кГц, что ухудшило восприятие ряда звуков (например, шипящих, существенная часть энергии которых сосредоточена в верхней части речевого спектра), но мало затронуло разборчивость. Ограничение частоты снизу (до 300 Гц) также ухудшает восприятие из-за потерь низкочастотных гармоник основного тона. А в цифровой телефонии к влиянию ограничения спектра добавляются еще шумы дискретизации, квантования и обработки, дополнительно зачумляющие речь.

Решающими в выборе полосы 0,3-3,4 кГц были экономические соображения и нехватка телефонных каналов. Более того, в те времена, когда время ожидания заказанного разговора составляло десятки часов, экономические ограничения привели к установке на трансконтинентальных линиях США и атлантическом кабеле так называемой аппаратуры J2, каналы которой и вовсе имели полосу 0,3-1,7 кГц. Такая аппаратура некогда работала и на линии Москва-Владивосток. Качество ее каналов едва достигало двух баллов MOS, но решающим оказалось двукратное увеличение числа телефонных соединений. Потребности пользователей в каналах сделали тогда вопросы качества речи второстепенными. Для совместимости по полосе с распространенными аналоговыми сетями в цифровой телефонии отсчеты аналоговой речи приходится брать согласно теореме Котельникова с частотой 8 кГц - не меньше двух отсчетов на 1 Гц полосы. Правда, в цифровой телефонии существует принципиальная возможность использовать спектр речи за пределами полосы 0,3-3,4 кГц и тем самым повысить качество, но эти методы не реализуются, так как они вычислительно пока еще очень сложны.[11].

Рассмотрим метод цифрового представления речи, прямое аналого-цифровое преобразование (или импульсно-кодовая модуляция, ИКМ) рис. 4.5.

Рис. 4.5. Преобразование речевого сигнала в дискретный

Прямое аналого-цифровое преобразование является низкоэффективным (т. е. имеющим малую скорость кодирования при заданном качестве) высококачественным методом кодирования. Кодеки, построенные на базе данного метода, работают на скоростях не ниже 32 кбит/с. При этом полоса входного аналогового сигнала ограничена диапазоном 0,3-3,4 кГц. Для повышения качества преобразования полоса может быть расширена до 6 кГц, что соответствует скорости передачи 88 кбит/с при частоте дискретизации 12 кГц (при дальнейшем расширении полосы качество представления речи не повышается). Еще в 60-х годах был принят алгоритм оцифровки голоса под названием импульсно-кодовой модуляции (Pulse-Code Modulation - PCM). Этот алгоритм (международный стандарт G.711) используется при передаче голоса в коммерческих телефонных сетях. Оцифровка голосового сигнала включает измерение уровня аналогового сигнала через равные промежутки времени. В соответствии со стандартом G.711 принимается, что для узнаваемости голоса необходимо обеспечить передачу его частотных составляющих в диапазоне от 200 до 3400 Гц. Известно, что для правильной передачи всех частотных составляющих необходимо измерять уровень сигнала с частотой 8 кГц. В стандарте также принимается, что оцифровка аналогового сигнала производится с восьмиразрядным разрешением. При этом обычно используется один из двух способов установления соответствия между амплитудой звукового сигнала и цифровым значением - либо A-кодирование (оно принято в Европе и Азии), либо ц - кодирование (принятое в США, Канаде и некоторых других странах). И то и другое - просто таблицы соответствия между измеряемым значением напряжения и числом, при помощи которого оно кодируется. Для передачи одного голосового канала в цифровом виде требуется пропускная способность 64 кбит/с (8 кГц х 8 разрядов).[10].

В процессе формирования АИМ сигнала осуществляется дискретизация, непрерывного (аналогового) сигнала во времени в соответствии с известной теоремой отсчетов Уиттакера – Найквиста – Котельникова – Шеннона (теорема Котельникова). Которая гласит, что если непрерывный сигнал x(t) имеет спектр, ограниченный частотой F_max, то он может быть однозначно и без потерь восстановлен по своим дискретным отсчётам, взятым с частотой

f_дискр=2*F_max,

или, по-другому, по отсчётам, взятым с периодом

.

Процедура дискретизации непрерывного сигнала во времени осуществляется в дискретизаторе с тактовой частотой

f_дискр =1/T_дискр

превышающую наивысшую частоту спектра сигнала вдвое. Частота дискретизации для телефонных сигналов выбрана 8кГц.

Для обеспечения подавления спектральных компонентов сигнала с частотами большими половины частоты дискретизации, на входе дискретизатора необходим фильтр нижних частот, ограничивающий спектр сигнала некоторой частотой. Для телефонных сигналов необходимо использовать ФНЧ с частотой среза 3,4кГц.

Следующие процессы аналогово-цифрового преобразования осуществляются в квантователе. Первый – квантование по уровню, второй – кодирование квантованных значений. Рассмотрим данные процессы подробнее.

Речевой сигнал, пропускается через фильтр нижних частот и в результате дискретизации, получается последовательность непрерывных величин {x(n)}. Для того чтобы передать эту последовательность отсчетов по цифровому каналу связи, каждый отсчет необходимо проквантовать до конечного множества значений, которое можно описать конечным множеством символов. Данный процесс квантования и кодирования изображен на рис. 4.6.

Рис. 4.6. Процесс квантования и кодирования сигнала

В процессе квантования по уровню значения каждого АИМ отсчета заменяется ближайшим разрешенным для передачи значением.

Характеристиками квантующего устройства являются следующие:

- число уровней квантования N_КВ;

- шаг квантования  - разность между двумя соседними разрешенными уровнями;

- напряжение ограничения U_ОГР – максимальное значение амплитуды отсчета, подвергаемого квантованию.

Если  = const, то квантование называют равномерным.

При равномерном квантовании весь диапазон значений передаваемого сигнала x(t), разбивают на N уровней квантования отстоящих друг от друга на шаг квантования Δ, так, что:

x_max(t) - x_min(t) < N · Δ.

Процесс дискретизации сигнала по времени и квантования его по уровню поясняет рис. 4.6.

При квантовании возникает ошибка квантования равная разности между входом и выходом квантователя.

Ошибочная последовательность детерминировано определяется входной ампли­тудой через зависимость мгновенной ошибки от амплитудной характеристики, изо­браженной на рис. 4.7. Ошибочная последовательность демонстрирует две различные характеристики в различных входных рабочих областях. Первым рабочим интервалом является гранулированная область ошибок, соответ­ствующая подаче на вход пилообразной характеристики ошибки. Внутри этого интер­вала квантующие устройства ограничены размерами соседних ступенчатых подъемов. Ошибки, которые случаются в этой области, называются гранулированными (granular errors), или иногда ошибками квантования (quantizing error). Входной интервал, для ко­торого ошибки преобразования являются гранулированными, определяет динамиче­скую область преобразователя. Этот интервал иногда называется областью линейного режима (region of linear operation). Соответствующее использование квантующего уст­ройства требует, чтобы условия, порожденные входным сигналом, приводили динами­ческую область входного сигнала в соответствие с динамической областью устройства квантования.

Рис. 4.7. Мгновенная ошибка для различных передаточных функций устройства квантования: а – квантования с нулем в центре шага квантования; б – квантование с нулем на границе шага квантования; в – квантование с переменным шагом; г – пристрастное квантование

Этот процесс является функцией сигнально зависимой системы регули­ровки усиления, называемой автоматической регулировкой усиления (automatic gain control — AGC, АРУ). Вторым рабочим интервалом является негранулированная область ошибок, соот­ветствующая линейно возрастающей (или убывающей) характеристике ошибки. Ошибки, которые происходят в этом интервале, называются ошибками насыщения (saturation error) или перегрузки (overload error). Когда квантующее устройство работает в этой области, говорят, что преобразователь насыщен. Ошибки насыщения больше, чем гранулированные ошибки, и могут оказывать большее нежелательное влияние на точность воспроизведения информации.

За пределами динамического диапазона, когда квантователь насыщен, ошибка растет пропорционально. Рис. 4.7 (а, б, г) иллюстрирует образование ошибок квантования при квантовании с равномерным шагом, рис. 4.7 (в) иллюстрирует образование ошибок квантования при квантовании с переменным шагом.