Дослідження ефективності використанні ДІКМ при передачі сигналів звукомовлення

Рисунок 1.5 - Схема цифрової системи зв'язку 

       Для передачі неперервного повідомлення в цифровому каналі зв'язку необхідно здійснити наступні перетворення. По-перше, дискретизація повідомлення в часі. По-друге, квантування за рівнями отриманої в процесі дискретизації імпульсної послідовності. По-третє, зіставлення кожному рівню квантованого сигналу кодової комбінації, тобто квантованими послідовність імпульсів кодується.

       Квантування за рівнями з подальшим кодуванням здійснюється в кодере. Декодування кодових комбінацій та освіта дискретних випадкових величин проводиться в декодері. Відповідні один одному кодер і декодер прийнято називати кодеком. 
 

      1.4 Методи ефективного використання каналів зв'язку  

       Підвищення ефективності використання каналу зв'язку досягається як шляхом застосування різних методів ущільнення каналів зв'язку, так і за рахунок скорочення надмірності повідомлень.

        Апаратура цифрової передачі сигналів звукомовлення призначена для організації сполучних ліній звукомовлення на внутріміських ділянках мережі. Апаратура працює по лінійних трактах апаратури ІКМ-30. По одному тракті може бути організовано чотири канали звукомовлення вищого класу зі смугою 30-15000 Гц.

       До складу апаратури входять: комплект цифрового мовлення (КВМ), що включає комплекти кодування (ККВ) і декодування (КДВ); комплект первинного тимчасового группотворення (КПТГ); прилад виміру відношення сигнал/шум квантування в динамічному діапазоні вхідних сигналів від 6 до –60 дБ.

       Комплект КЦВ призначений для аналого – цифрового перетворення методом ІКМ сигналу звукового мовлення в цифровий потік зі швидкістю 512 кбіт/с. Для збільшення захищеності цифрового сигналу від перешкод у лінійному тракті в кожну кодову групу вводиться символ, що забезпечує можливість перевірки на парність шести старших розрядів.

    Комплект  КПТГ призначений для синхронного  і синфазного об'єднання (поділу) чотирьох цифрових потоків зі швидкістю 512 кбіт/с  у цифровий потік зі швидкістю 2048 кбіт/с.

     Сигнал циклової синхронізації складається з комбінацій виду, що чергуються, 1111 і 0000. Приймач синхросигналу – адаптивний. Груповий потік на виході КПТГ скремблюється. На стандартній стійці при повній комплектації розміщуються 12 комплектів ККВ чи КДВ і три комплекси КПТГ, що забезпечує організацію 12 каналів звукомовлення вищого класу.

    Апаратура цифрової передачі сигналів звукомовлення  комплексу “Орбита – РВ” і  ”Интерспутник” [4].

    Апаратура цифрової передачі сигналів звукомовлення  комплексу «Орбита – РВ» застосовується на супутникових чи наземних лініях зв'язку і забезпечує організацію каналів  мовлення другого, першого і вищого класів якості. При організації каналу звукомовлення вищого класу число  розрядів нелінійного кодування  дорівнює десяти. Частоти дискретизації  для каналів вищого, першого і  другого класу відповідно дорівнюють 32, і кГц. Швидкість передачі сигналу при організації каналу звукомовлення вищого класу – 320 кбіт/с.

    Для захисту розрядів відліків звукомовлення  від помилок можливе використання завадостійкого кодування (код 31,25) з  виправленням одиночних і виявленням подвійних помилок.

      Загальне число символів у  циклі – 576. Цикл розбитий на 18 субциклів для передачі інформації  по 31 символу в кожному і на  два службових інтервали по  дев'ять символів. Тривалість субцикла  – 15,625 мкс. При організації  каналу звукомовлення вищого  класу відлік сигналу звукомовлення  передається в двох субциклах.

     В системі «Интерспутник» для організації каналів звукомовлення зі смугою до 15 кГц використовується нелінійне 10 – ти розрядне кодування з компресією трьох розрядів. Характеристика компресії складається з 11 сегментів. Швидкість передачі сигналів звукомовлення на виході компресора 320 кбіт/с. Для підвищення завадостійкості сигналу звукомовлення застосовується надлишкове кодування за допомогою циклічного коду. Цей завадостійкий код дозволяє виправляти одиночні і виявляти подвійні помилки і ряд помилок більш високої кратності. Швидкість передачі сигналів звукомовлення з урахуванням перевірочних символів завадостійкого кодування 480 кбіт/с.

    Апаратура цифрового мовлення типу АЦВ – 480. Апаратура призначена для організації каналів зі смугою 15 кГц і 6,4 кГц на магістральних, внутрізонових і місцевих лініях зв'язку. В одному первинному тракті може бути організовано чотири канали звукомовлення зі смугою 15 кГц (відповідно два стереоканали) чи вісім каналів зі смугою 6,4 кГц. 

     До складу АЦВ входять: комплект кодування (ККВ), комплект первинного тимчасового групотворення (КПТГ) і панель обслуговування (ПО). Комплект ККВ призначений для аналого-цифрового перетворення одного сигналу зі швидкістю 512 кбіт/с. Комплект КПТГ призначений для синхронного і синфазного об'єднання (поділу) чотирьох цифрових сигналів зі швидкістю передачі 512 кбіт/с у цифровий сигнал зі швидкістю передачі 2048 кбіт/с і для стику з лінійним трактом ПЦСП.

       Апаратура ІКМ-В 6/12. У цій апаратурі аналоговий сигнал звукомовлення зі смугою 30...15000 кГц перетвориться в цифровий сигнал зі швидкістю 316 кбіт/с. Цифровий сигнал містить інформаційні і службові символи – перевірочні, символи контролю і передачі даних. Для стику зі стандартами цифровими трактами 2048 кбіт/с цифровий сигнал ЗВ зі швидкістю 316 кбіт/с на виході устаткування кодування перетвориться в сигнал 2048 кбіт/с. [5].

       Апаратура цифрового мовлення ІКМ-В6/12 має велику гнучкість при побудові мережі і забезпечує шість каналів звукомовлення  зі смугою до 15 кГц в  тракті 2048 кбіт/с; спільну організацію в тракті 2048 кбіт/с каналів звукомовлення і тональної частоти; цифровий транзит сигналів звукомовлення між несинхронними трактами 2048 кбіт/с і простий перехід на синхронне введення і виділення цифрових сигналів звукомовлення.

    Дослідивши  різну апаратуру цифрової передачі можна сказати, що найбільш поширеною  модуляцією є ІКМ, оскільки вона має  відносно просту апаратну частину.Але  бувають такі випадки коли рівень сигнал/шум недостатній для передачі сигналів, у такому випадку потрібно використовувати ДІКМ, так як дана модуляція має більшу захищеність. Цифровий ДІКМ-сигнал отримують,  здійснюючи квантування і кодування різниці  сусідніх відліків, а не самих дискретних відліків. Амплітуди різниць відліків менші амплітуд самих відліків, тому при однаковому кроці квантування  кількість розрядів кодової групи  при ДІКМ менша, ніж при ІКМ. Зменшення  кількості розрядів у кодовій  групі при ДІКМ знижує швидкість  передачі цифрового потоку і виходячи з цього, зменшує необхідну смугу  частот лінії передачі. Якщо ж смуга  частот лінії передачі та швидкість  цифрового потоку визначається параметрами  ІКМ, то застосування ДІКМ дозволяє зменшити помилку квантування в порівнянні з ІКМ за рахунок зменшення кроку квантування[3]. Сьогодні ДІКМ реалізується різними способами:

    1) у схемах кодерів та декодерів ДІКМ з цифровим інтегруванням; 

    2) з цифровим обробленням сигналу в колі зворотного зв’язку;

    3) з аналоговим інтегратором в колі зворотного зв’язку;

    4) з трьома блоками передбачення.

    Кожен спосіб реалізації має свої переваги та недоліки. Та найкращим є спосіб реалізації ДІКМ з цифровим обробленням  сигналу у колі зворотнього зв’язку, адже, незважаючи на високу складність схеми такої реалізації, він має  найкращі параметри в порівнянні з іншими схемами.  
 
 
 
 

      1.5 Модуліяція та її види 

      Серед методів цифрового представлення  сигналу звукового мовлення найбільше  розповсюджена імпульсно-кодова  модуляція (ІКМ). Процедура аналогово-цифрового перетворення (АЦП) при ІКМ складається з трьох операцій: дискретизації, ком пресування та кодування. При цьому квантування та кодування, як правило, здійснюються одночасно функціональним блоком, але при аналізі якісних показників методу ІКМ зручно розглядати ці операції окремо.

      Імпульсно-кодова модуляція використовується  для оцифровки аналогових сигналів. Майже всі види аналогових  даних (відео, голос, музика, дані  телеметрії, віртуальні світи) допускають  застосування ІКМ. Різновидами ІКМ є: диференціальна (або дельта) імпульсно-кодова модуляція (ДІКМ) кодує сигнал у вигляді різниці між поточним і попереднім значенням. Для звукових даних такий тип модуляції зменшує необхідну кількість біт на відлік приблизно на 25%; адаптивна ДІКМ (АДІКМ, ADPCM) є різновидом ДІКМ, що змінює рівень кроку квантування, що дозволяє ще більше зменшити вимоги до смуги пропускання при заданому співвідношенні сигналу і шуму.

      Модуляція. Щоб отримати на вході каналу зв'язку (передавальний кінець) ІКМ-сигнал з аналогового, амплітуда аналогового сигналу вимірюється через рівні проміжки часу. Кількість оцифрованих значень у секунду (або швидкість оцифрування, частота дискретизації) повинно бути не нижче 2-кратної максимальної частоти в спектрі аналогового сигналу (по теоремі Котельникова). Миттєве виміряне значення аналогового сигналу округляється до найближчого рівня з декількох заздалегідь певних значень. Цей процес називається квантуванням, а кількість рівнів завжди береться кратним ступеню двійки, наприклад, 8, 16, 32 або 64. Номер рівня може бути відповідно представлений 3, 4, 5 або 6 бітами. Таким чином, на виході модулятора виходить набір бітів (0 і 1). 

     Демодуляція. На приймальному  кінці каналу зв'язку демодулятор  перетворює послідовність бітів  в імпульси власним генератором  з тим же рівнем квантування,  що використав модулятор. Далі  ці імпульси використовуються  для відновлення аналогового  сигналу в ЦАП.

     Практичне застосування:

     Елементарний цифровий канал - цифровий потік зі швидкістю 64 Кбіт / с, отриманий шляхом застосування ІКМ до людського голосу в електронному вигляді, використовується в цифровій телефонії і IP-телефонії.

       Цифровий звукозапис - метод збереження  звуку для зберігання на цифрових  пристроях та відповідних носіях. Популярні формати файлів для  зберігання звуку (музики, голосу  і т.п.): WAV, MP3, WMA, OGG.

      Імпульсно-кодова модуляція - найпопулярніший метод перекодування аналогового голосового сигналу в цифровий потік одиниць і нулів. Всі методи вибірки базуються на теоремі Найквіста, згідно якої для досягнення найкращої якості при передачі голосових даних слід проводити вибірку з частотою вдвічі вище, ніж у голосовому каналі.

      Процес імпульсно-кодової модуляції  проходить наступним чином:

      1. Аналоговий сигнал пропускають крізь фільтр низької частоти, щоб видалити все, що має частоту понад 4000Гц. Частоту фільтрують до 4000Гц для того, щоб обмежити обсяг голосових даних, переданих по мережі. Згідно з теоремою Найквіста, для досягнення гарної якості передачі голосу вибірку необхідно здійснювати з частотою 8000 вибірок в секунду.

      2. Відфільтрований аналоговий сигнал піддається вибірці з частотою 8000 разів на секунду.

      3. Після вибірки сигнал перетвориться в дискретну цифрову форму. Отриманий код означає амплітуду сигналу в момент, коли відбувалася вибірка. Телефонна різновид PCM використовує код з восьми бітів і логарифмічний метод стиснення, який надає більше бітів для сигналу меншої амплітуди.

      Якщо помножити восьмибітових  слова на частоту 8000 вибірок,  отримаємо швидкість передачі 64000 біт в секунду. Таким чином,  базова швидкість телефонної  інфраструктури складає 64Кбіт / c.

       Загальноприйнятими зараз є два  основних варіанти РСМ на 64Кбіт / с - U-стандарт, який використовується  в Північній Америці, і а-стандарт, прийнятий у Європі. Обидва вони  використовують логарифмічний метод  стиснення, щоб досягти 12-13-бітового  якості каналу PCM при всього лише  восьмибітових словах, відрізняються  незначними деталями. Метод U-стандарту  має невелику перевагу перед  методом а-стандарту за низькорівневої  продуктивності і відношенню  шум / сигнал.

      При імпульсно-кодової модуляції  дискретизації за часом і квантування  за рівнями піддається безпосередньо  саме повідомлення. Схема системи зв'язку з ІКМ зображена на рисунку 1.6. На практиці процедури, як дискретизація, квантування і кодування здійснюється спільно в одному пристрої, званому аналого-цифровим перетворювачем (АЦП).