1.2.2. Преобразование аналогового сигнала в цифровой

Существенного улучшения качества телефонной связи м.б. добиться только путем перехода от аналоговых к цифровым методам, основанным па импульспо-кодовой модуляции (ИКМ).

ИКМ дает возможность:

• для систем цифровой телефонии - ликвидировать недостатки аналоговых методов передачи, а именно:

- убрать затухание сигнала и его изменение в сеансе связи и от сеанса к сеансу;

- убрать посторонние шумы и организовать эффективное подавление эха в канале;

- улучшить разборчивость речи и увеличить динамический диапазон передачи;

• для систем передачи данных - организовать цифровой канал передачи данных на скорости 56 или 64 кбит/с.

Преобразование аналогового сигнала в цифровой осуществляется в три этапа:

1. дискретизация аналогового сигнала по времени;

2. квантование дискретизированного сигнала по амплитуде;

3. двоичное кодирование квантованного сигнала.

ИКМ является двоично-кодированным представлением квантованных выборок решетча­той функции, полученной в результате дискретизации аналогового сигнала.

1.2.2.1. Дискретизация аналогового сигнала

Первый этап преобразования аналогового сигнала в цифровой сигнал состоит в дискретизации сигнала по времени. Этот процесс сводится к замене исходной функции ее дискретным по времени эквивалентом, решетчатой функцией, или последовательностью выборочных значе­ний сигнала, взятых периодически с частотой дискретизации f_д.

Такая замена будет эквивалентной, если из полученной последовательности выборок м.б. восстановить исходный аналоговый сигнал без потерь (искажений) с помощью ФНЧ. Это можно сделать, если грамотно выбрать частоту дискретизации f_д, применив теорему Котель­никова-Найквиста, гарантирующую, что сигнал, ограниченный частотой среза f_ср, м.б. вос­становлен без потерь, если частота дискретизации не менее 2 f_ср, где f_ср = 4 кГц (частота среза идеального ФНЧ).

Отсюда получаем, что для стандартного телефонного канала частота дискретизации со­ставляет 8 кГц, т.е. период дискретизации Т_д = 125 мкс. При этом голосовой сигнал д.б. про­- пущен через формирующий фильтр с АЧХ, соответствующей АЧХ идеального ФНЧ.

1.2.2.2. Квантование дискретизированного сигнала

Следующий этап состоит в квантовании амплитуд выборок - процессе, позволяющем опреде­лить для каждой выборки эквивалентное ей целочисленное значение, которое можно предста­вить в двоичной форме. Дискретизация и квантование позволяют перейти от аналогового представления речевого сигнала к цифровому.

Основным здесь является вопрос о количестве уровней, используемых при квантовании. Оно д.б. таким, чтобы равномерно покрыть диапазон амплитуд квантуемого голосового сигна- ­ла. Этот диапазон в идеале должен соответствовать динамическому диапазону человеческого голоса (около 60 дБ) по мощности. Учитывая, что число уровней квантования должно быть кратно 2ⁿ, получаем, что n д.б. >13 (8192 уровня квантования). Это значит, что при линейной схеме квантования потребуется не менее 2¹³ уровней квантования.

Считается, что это много. Поэтому динамический диапазон голоса сначала сжимают при­мерно до 40 дБ, а затем квантуют сжатый сигнал, чтобы м.б. уложиться в 7-8 бит/выборку. Процесс сжатия получил название компапдирования: компрессия с последующим эспандиро-вапием (восстановлением).