Дискретизация сигнала во времени

ПРИНЦИП ВРЕМЕННОГО РАЗДЕЛЕНИЯ КАНАЛОВ (ВРК).

Речь представляет собой колебания сложной формы, зависящей от произносимых слов, тембра голоса, интонации, пола и возраста говорящего. 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 зашумляющие речь.

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. Впрочем, кое-что появляется: уже разработаны универсальные кодеки для компьютерной телефонии и мультимедиа, способные пристойно передавать не только речь, но и музыку. При полосе исходного сигнала до 6 кГц и тактовой частоте отсчетов около 16 кГц сжатый цифровой сигнал требует для передачи канал в 12 кбит/с. При этом оценка качества по критерию усреднённой экспертной оценки (УЭО) может быть выше 4,5 балла.

Озвученная речь образуется с помощью звуковых связок человека. Скорость их периодических колебаний задает так называемую частоту основного тона (ОТ) - периодическую подпитку энергией голосового тракта человека, который представляет собой объемный резонатор. Голосовой тракт формирует спектральную окраску речи, или, другими словами, ее формантную структуру. Условно, речевой сигнал можно разделить на две составляющие, отвечающие за Основной Тон (возбуждение фильтра) и голосовой тракт (формантная структура сигнала). Соответственно, большинство на сегодня используемых алгоритмов решают один вопрос - как наиболее эффективно выделить и сокращенно описать обе составляющие.

Классическое формирование цифрового сигнала из аналогового (по Котельникову) предусматривает последовательное выполнение трех основных операций:

• дискретизация аналогового сигнала по времени, в результате чего формируется импульсный амплитудно-модулированный сигнал (АИМ1);

• квантование АИМ2-сигнала по уровню;

• кодирование квантованных отсчетов АИМ-сигнала.

Рисунок. 3.1. Преобразование аналогового сигнала в цифровой ИКМ-сигнал

Достоинства цифровых систем передачи.

Высокая помехоустойчивость, слабая зависимость качества передачи от длины линии связи, стабильность параметров каналов ЦСП, эффективность использования пропускной способности каналов для передачи дискретных сигналов, возможность построения цифровой сети связи, высокие технико-экономические показатели.

В цифровых системах передачи (ЦСП) формируется групповой цифровой сигнал, иначе называемый сигналом импульсно-кодовой модуляции (ИКМ). При формировании группового ИКМ-сигнала добавляется еще одна операция: перед квантованием по уровню производится объединение индивидуальных АИМ-сигналов (Рис.1).

Обратное преобразование ИКМ-сигнала в аналоговый предусматривает последовательное выполнение следующих основных операций:

• декодирование (преобразование ИКМ-сигнала в АИМ2);

• восстановление аналогового сигнала (выделение из спектра АИМ2-сигнала исходного сигнала).

В ЦСП соответствующие операции обработки производятся отдельными устройствами. Операции квантования и кодирования в ЦСП обычно объединяют в одном устройстве.

В системе передачис временнымразделением каналов (ВРК) исходный непрерывный сигнал каждого канала подвергается преобразованного в последовательность коротких импульсов, закон изменения амплитуды которых соответствует исходному сигналу. Такой процесс можно представить модуляцией, исходным сигналом, импульсной несущей. Устройство обеспечивающее такое преобразование, называются амплитудно–импульсными модуляторами.

В промежутках между импульсами одного канала размещаются импульсы др. каналов.

В процессе формирования АИМ сигнала осуществляется дискретизация непрерывного (аналогового) сигнала во времени в соответствии с теоремой дискретизации (теоремой В.А.Котельникова): любой непрерывный сигнал, ограниченный по спектру верхней частотой Fв полностью определяется последовательностью своих дискретных отсчетов, взятых через промежуток времени Т_д=1/2 Fв, называемый периодом дискретизации. В соответствии с ним частота дискретизации, т.е. следования дискретных отсчетов, выбирается из условия Fд > 2Fв. Поскольку все реально существующие непрерывные сигналы связи представляют собой случайные процессы с бесконечно широким спектром, причем основная энергия со­средоточена в относительно узкой полосе частот, перед дискретизацией необходимо с помощью фильтра нижних частот ограничить спектр сигнала некоторой частотой Fb- Для телефонных сигналов необходимо использовать ФНЧ с частотой среза Fb=3,4 кГц. Поэтому частота дискретизации для телефонных сигналов выбрана 8 кГц.

Дата добавления: 2014-01-05