2. Передача цифрової інформації в аналогових каналах

Перевагою цифрових методів запису, відтворення і передачі аналогової інформації є можливість контролю правильності зчитаних з носія або отриманих по лінії зв’язку даних. Для цього можна використовувати ті ж методи, що застосовуються для інших даних (і розглядаються більш докладно далі), − обчислення контрольної суми, повторна передача спотворених кадрів, застосування кодів, що самокоригуються.

Для якісної передачі голосу квантування сигналів звукових коливань при застосуванні ІКМ здійснюється із частотою 8000 Гц. Це пов’язано з тим, що в аналоговій телефонії (у так званих каналах тональної частоти) для передачі звукових коливань був обраний діапазон від 300 до 3400 Гц, що досить якісно передає всі основні гармоніки голосів співрозмовників. Відповідно до теореми Найквіста−Котельникова для якісної передачі голосу достатньо вибрати частоту дискретизації, що удвічі перевищуючу найвищу гармоніку неперервного сигналу, тобто 2 · 3400 = 6800 Гц. Обрана в дійсності частота дискретизації 8000 Гц забезпечує достатню якість. У методі ІКМ зазвичай використовується 7 або 8 біт коду для представлення амплітуди одного вимірювання. Відповідно це дає 128 або 256 градацій звукового сигналу, що виявляється цілком достатньо для якісної передачі голосу.

При використанні методу ІКМ для передачі одного голосового каналу необхідна швидкість передачі даних 56 або 64 Кбіт/с залежно від того, якою кількістю біт подається кожне вимірювання. Якщо для цього використовується 7 біт, то при частоті передачі вимірювань у 8000 Гц одержуємо:

8000 * 7 = 56000 біт/с або 56 Кбіт/с;

а для випадку 8-ми біт:

8000 * 8 = 64000 біт/с або 64 Кбіт/с.

Стандартним є цифровий канал зі швидкістю передачі елементів повідомлення 64 Кбіт/с, що називається також елементарним каналом цифрових телефонних мереж.

У такому разі передача неперервного сигналу в дискретному вигляді потребує від мереж твердого дотримання тимчасового інтервалу в 125 мкс (що відповідає частоті дискретизації 8000 Гц) між сусідніми вимірюваннями, тобто вимагає синхронної передачі даних між вузлами мережі. У разі недотримання синхронності вхідних вимірюванянь вихідний сигнал відновлюється неправильно, що спричиняє спотворення голосу, зображення або іншої мультимедійної інформації, переданої по цифрових мережах. Так, спотворення синхронізації в 10 мс може призвести до ефекту «луни», а зрушення між вимірюваннями в 200 мс призводять до втрати розпізнаваності вимовлених слів. У той же час утрата одного вимірюваняня при дотриманні синхронності між іншими вимірюваннями практично не позначається на відтвореному звуці. Це відбувається за рахунок згладжу вальних пристроїв у цифро-аналогових перетворювачах, що засновані на властивості інерційності будь-якого фізичного сигналу: амплітуда звукових коливань не може миттєво змінитися на велику величину.

На якість сигналу після ЦАП впливає не тільки синхронність надходження на його вхід вимірюванянь, але і погрішність дискретизації амплітуд цих вимірюванянь. У теоремі Найквіста−Котельникова передбачається, що значення функції виміряються точно, у той же час використання для їхнього збереження двійкових чисел з обмеженою розрядністю трохи викривлює ці значення. Відповідно викривлюється відновлений неперервний сигнал, що називається шумом дискретизації (за рівнем).

Існують і інші методи дискретної модуляції, що дозволяють подати вимірюваняня голосу в більш компактній формі, наприклад у виді послідовності 4-бітних або 2-бітних чисел. При цьому один голосовий канал потребує меншої швидкості передачі, наприклад 32 Кбіт/с, 16 Кбіт/с або ще менше. З 1985 року застосовується стандарт кодування голосу із застосуванням так званої адаптивної диференціальної модуляції (Adaptіve Dіfferentіal Pulse Code Modulatіon, ADPCM). Ці коди ґрунтуються на вимірюванні різниці між послідовними вимірюваннями голосу, що потім і передаються по мережі. У коді ADPCM для збереження однієї різниці використовуються 4 біти, і голос передається зі швидкістю 32 Кбіт/с. Більш сучасний метод Lіnear Predіctіve Codіng (LPC) робить вимірюваняня вихідної функції рідше, але використовує методи прогнозування напрямку зміни амплітуди сигналу. За допомогою цього методу можна понизити швидкість передачі голосу до 9600 біт/с.

Подані в цифровій формі неперервні дані легко можна передати, наприклад, через комп’ютерну мережу. Для цього досить помістити кілька вимірюванянь у кадр якого-небудь стандартного протоколу обміну, забезпечити кадр правильною адресою призначення і відправити адресатові. Адресат повинен вибрати з кадру вимірюваняня і подати їх з частотою квантування (для голосу − з частотою 8000 Гц) на цифро-аналоговий перетворювач. Одержаний ступінчастий сигнал згладжується і перетворюється на звук за допомогою підсилювача і динаміка. У міру надходження наступних кадрів з вимірюваннями голосу операція повинна повторитися. Якщо кадри будуть прибувати досить синхронно, то якість голосу може бути досить високою. Однак кадри в мережах можуть затримуватися як у кінцевих вузлах (при очікуванні доступу до поділюваного середовища), так і в проміжних комунікаційних пристроях − мостах, комутаторах і маршрутизаторах. Тому якість голосу при передачі в цифровій формі через комп’ютерні мережі зазвичай буває невисокою. Для якісної передачі оцифрованих неперервних сигналів − голосу, зображення − сьогодні використовують спеціальні цифрові мережі, такі як ІSDN, ATM, і мережі цифрового телебачення. Проте для передачі внутрішньо корпоративних телефонних розмов сьогодні використовуються мережі frame relay, затримки передачі кадрів яких укладаються в допустимі межі