Лекция "Дискретная модуляция аналоговых сигналов. Импульсно-кодовая модуляция.\"

билет 14 тема 4 144. Дискретная модуляция аналоговых сигналов. Импульсно­кодовая модуляция.    \ Как уже отмечалось, одной из тенденций развития современных компьютерных сетей является их цифровизация,   т.е.   передача   в   цифровой   форме   сигналов   любой   природы.   Источниками   этих сигналов могут быть  компьютеры  (для дискретных данных) или такие устройства, как  телефоны, видеокамеры, видео­ и звуковоспроизводящая аппаратура (для аналоговых данных). До недавнего времени   (до   появления   цифровых   сетей   связи)   в   территориальных   сетях   все   типы   данных передавались в аналоговой форме, причем дискретные по своему характеру компьютерные данные с помощью модемов преобразовывались в аналоговую форму. Однако передача информации в аналоговой форме не позволяет улучшить качество принимаемых данных, если имело место их существенное искажение при передаче. Поэтому на смену аналоговой технике   записи   и  передаче   звука   и   изображения   пришла   цифровая   техника,   которая   использует дискретную модуляцию аналоговых сигналов. Дискретная модуляция основана на дискретизации непрерывных сигналов, как по амплитуде, так и по времени. Одним из широко распространенных методов преобразования аналоговых сигналов в цифровые   является   импульсно­кодовая   модуляция   (ИКМ),   предложенная   в   1938   г.   А.Х.Ривсом (США). При использовании ИКМ процесс преобразования включает три этапа: отображение, квантование и кодирование. Первый этап – отображение. Амплитуда исходного непрерывного сигнала измеряется с заданным периодом, за счет чего происходит дискретизация по времени. На этом этапе аналоговый сигнал преобразуется в сигналы импульсно­амплитудной модуляции (ИАМ). Выполнение этапа базируется на   теории   отображения   Найквиста­Котельникова,   основное   положение   которой   гласит:   если аналоговый сигнал отображается (т.е. представляется в виде последовательности ее дискретных по времени значений) на регулярном интервале с частотой не менее чем в два раза выше частоты самой высокой   гармоники   спектра   исходного   непрерывного   сигнала,   то   отображение   будет   содержать информацию,   достаточную   для   восстановления   исходного   сигнала.   В  аналоговой  телефонии  для передачи голоса выбран диапазон от 300 до 3400 Гц, который достаточен для качественной передачи всех   основных   гармоник   собеседников.   Поэтому   в   цифровых   сетях,   где   для   передачи   голоса реализуется метод ИКМ, принята частота отображения, равная 8000 Гц (это больше 6800 Гц, что обеспечивает некоторый запас качества). На этапе квантования каждому сигналу ИАМ придается квантованное значение, соответствующее ближайшему уровню квантования. Весь диапазон изменения амплитуды сигналов ИАМ разбивается на 128 или 256 уровней квантования. Чем больше уровней квантования, тем точнее амплитуда ИАМ– сигнала представляется квантованным уровнем. На этапе кодирования каждому квантованному отображению ставится в соответствие 7­разрядный (если   число   уровней   квантования   равно   128)   или   8­разрядный   (при   256­шаговом   квантовании) двоичный   код.   На   рис.8   показаны   сигналы   8­элементного   двоичного   кода   00101011, соответствующего квантованному сигналу с уровнем 43. При кодировании 7­элементными кодами скорость   передачи   данных   по   каналу   должна   составлять   56   Кбит/с   (это   произведение   частоты отображения   на   разрядность   двоичного   кода),   а   при   кодировании   8­элементными   кодами   –   64 Кбит/с. Стандартным является цифровой канал 64 Кбит/с, который называется также элементарным каналом цифровых телефонных сетей. Устройство, которое выполняет указанные этапы преобразования аналоговой величины в цифровой код,   называется   аналого­цифровым   преобразователем   (АЦП).   На   приемной   стороне   с   помощью цифроаналогового   преобразователя   (ЦАП)   осуществляется   обратное   преобразование,   т.е. производится   демодуляция   оцифрованных   амплитуд   непрерывного   сигнала,   восстановление исходной непрерывной функции времени. В   современных   цифровых   сетях   связи   используются   и   другие   методы   дискретной   модуляции, позволяющие   представить   замеры   голоса   в   более   компактной   форме,   например,   в   виде последовательности 4­разряных чисел. Используется и такая концепция преобразования аналоговых сигналов в цифровые, при которой квантуются и затем кодируются не сами сигналы ИАМ, а лишь их изменения,   причем   число   уровней   квантования   принимается   таким   же.   Очевидно,   что   такая концепция позволяет производить преобразование сигналов с большей точностью. Цифровые   методы   записи,   воспроизведения   и   передачи   аналоговой   информации   обеспечивают возможность контроля достоверности считанных с носителя или полученных по линии связи данных. С этой целью применяются те же методы контроля, что и для компьютерных данных. Передача   непрерывного   сигнала   в   дискретном   виде   предъявляет   жесткие   требования   к синхронизации   приемника.   В   случае   несоблюдения   синхронности   исходный   сигнал восстанавливается  неверно, что приводит  к искажениям голоса или передаваемого изображения. Если кадры с замерами голоса (или другой аналоговой величины) будут прибывать синхронно, то качество   голоса   может   быть   достаточно   высоким.   Однако   в   компьютерных   сетях   кадры   могут задерживаться как в конечных узлах, так и в промежуточных коммутационных устройствах (мостах, коммутаторах, маршрутизаторах), что негативно сказывается на качестве передачи голоса. Поэтому для   качественной   передачи   оцифрованных   непрерывных   сигналов   используются   специальные цифровые сети (ISDN, ATM, сети цифрового телевидения), хотя для передачи внутрикорпоративных телефонных  разговоров и сегодня применяются сети Frame Relay, поскольку задержки передачи кадров в них находятся в допустимых пределах. Импульсно­кодовая модуляция (Pulse Code Modulation) ­ самый популярный метод перекодировки  аналогового голосового сигнала в цифровой поток единиц и нулей. Все методы выборки основаны на  теореме Найквиста, согласно которой для достижения наилучшего качества при передаче голосовых  данных следует проводить выборку с частотой вдвое выше, чем в голосовом канале.  Процесс импульсно­кодовой модуляции проходит следующим образом: 1. Аналоговый сигнал пропускают сквозь фильтр низкой частоты, чтобы удалить все, что имеет  частоту свыше 4000Гц. Частоту фильтруют до 4000Гц для того, чтобы ограничить объем голосовых  данных, передаваемых по сети. Согласно теореме Найквиста, для достижения хорошего качества  передачи голоса выборку необходимо осуществлять с частотой 8000 выборок в секунду.  2. Отфильтрованный аналоговый сигнал подвергается выборке с частотой 8000 раз в секунду. 3. После выборки сигнал преобразуется в дискретную цифровую форму. Полученный код означает  амплитуду сигнала в момент, когда происходила выборка. Телефонная разновидность PCM  использует код из восьми битов и логарифмический метод сжатия, который предоставляет больше  битов для сигнала меньшей амплитуды. Если умножить восьмибитовые слова на частоту 8000 выборок, получим скорость передачи 64000  бит в секунду. Таким образом, базовая скорость телефонной инфраструктуры составляет 64Кбит/c.  Общепринятыми сейчас являются два основных варианта PCM на 64Кбит/c ­ u­стандарт,  используемый в Северной Америке, и а­стандарт, принятый в Европе. Оба они используют  логарифмический метод сжатия, чтобы достичь 12­13­битового качества канала PCM при всего лишь восьмибитовых словах, отличаются незначительными деталями. Метод u­стандарта имеет небольшое преимущество перед методом а­стандарта по низкоуровневой производительности и отношению  шум/сигнал. P.S.: При международной связи, осуществляемой между странами с а­стандартном и u­стандартом,  ответственность за преобразование несет сторона, использующая u­стандарт.