Телекоммуникационные системы

71

шкалы квантования). Чтобы закодировать каждое значение отсчета с помощью двоичного числа, потребуется 13 разрядов. В результате для передачи разговора с помощью последовательности двоичных импульсов необходима скорость 8·13 = 104 кбит/с (что соответствует при оптимальном кодировании полосе частот 52 кГц). Сравнивая это число с полосой частот 3400 – 300 = 3100 Гц, которая требуется для аналоговой речи, нельзя не увидеть колоссального роста необходимой полосы, которым приходится расплачиваться за преимущества цифровой передачи.

Для представления качественных речевых сигналов (пение) посредством ИКМ требуется скорости передачи до 220 000 бит/с. Это необходимо учитывать при компьютерном хранении и обработке речи. Например, речевой сигнал длительностью 15 с будет занимать объем памяти примерно в 1 Мбайт. Поэтому необходимо при реализации цифровой системы передачи речи понизить скорость передачи. Если учесть, что аналоговый сигнал имеет большую избыточность, то это позволяет предсказывать очередной отсчет и передавать только разницу между фактическим и предсказанным значением каждого отсчета. На этом принципе строится дифференциальная ИКМ (ДИКМ), которая позволяет понизить скорость передачи речи до 32 кбит/с. Однако и такая скорость передачи считается большой. Например, в принятой в большинстве стран Европы системе сотовой цифровой связи GSM стандартные скорости передачи речи составляют 13 кбит/с и 6,5 кбит/с. Для осуществления подобной системы передачи приходится обратиться к более глубокому проникновению в механизм речеобразования.

Голосовой аппарат человека представляет собой акустическую систему, состоящую из ротового и носового каналов, возбуждаемую квазипериодическими импульсными колебаниями голосовых связок и турбулентным шумом. При формировании звонких звуков (вокализованных) голосовые связки колеблются, пропуская поток воздуха в виде квазипериодической последовательности треугольной формы, содержащей много гармоник частоты основного тона. Резонансная система голосового тракта усиливает одни из этих гармоник и подавляет другие. Говорящий управляет частотой основного тона только в определенных пределах от 50 до

300 Гц. Акустическая система способна резонировать на частотах 0,			0,		0 и
т.д. Частота		= 500 Гц, тогда другие резонансные частоты: 1500 Гц,	2500 Гц и
	0		3	5

т.д. Эти резонансные частоты в акустике называют формантами. В процессе речи частоты формант постоянно изменяются.

Спектр звонких звуков в основном расположен в нижней полосе частот речевого сигнала и сгруппирован вокруг формант, однако скорость изменений формант такова, что спектр речи остается практически постоянным на промежутках не более 20 мс.

72

Глухие звуки представляют собой шумоподобные колебания. При формировании глухих звуков голосовые связки не колеблются, а в голосовом тракте возникает сжатие, проходя которое поток воздуха генерирует широкий спектр частот (шум). В спектре глухих звуков подчеркнуты верхние частоты.

При восприятии речи проявляются эффекты маскирования отдельных тонов сигнала. Так, сильные звуки подавляют слабые, что позволяет отбрасывать их при передаче без существенного ущерба для качества звучания восстановленного сигнала. Кроме того отдельные частоты могут маскироваться сигналами близко отстоящих от них частот.

Рассмотренные кратко механизмы образования и восприятия речи позволяют сформулировать основные идеи, используемые при передаче речи в сжатом виде по каналам связи. Речь можно синтезировать с помощью генератора периодических импульсов, следующих с частотой основного тона для воспроизведения звонких звуков и генератора шума для воспроизведения глухих звуков. Оба исходных сигнала следует пропустить через фильтры с меняющимися во времени характеристиками, соответствующими характеристикам речевого тракта.

В вокодерах (от англ. voice coder) измеряются параметры речевого аппарата человека, по которым на приемной стороне создается аналог такого же аппарата и синтезируется звук. При этом постулируется, что в течение 20 мс эти параметры остаются постоянными. Структурная схема преобразователя звука типа вокодер представлена на рис. 6.3.

Фильтры

Выпрямители

ФНЧ

Вход

200-400 Гц

1

20 Гц

АЦП и

голоса

400-600 Гц

2

20 Гц

мульти-

плексор

•

•

•

•

•

•

3200-3400 Гц

16

20 Гц

Канал

Амплитудные

Узкополосные

связи

модуляторы

фильтры

1

200-400 Гц

ЦАП и

Выход

демульти-

Сумматор

2

400-600 Гц

плексор

голоса

•

•

•

•

•

•

16

3200-3400 Гц

Переключатель

Генератор шума

Декодер

Импульсный генератор

Управление

Уровень громкости

Рис. 6.3. Структурная схема кодирования/декодирования человеческого голоса (vocoder).

73

Исходный спектр человеческого голоса здесь делится на ряд субдиапазонов по 200 Гц каждый (их число равно 16). Эти субдиапазоны выделяются узкополосными фильтрами, за которыми следуют выпрямители и ФНЧ (20 Гц). Выходные сигналы ФНЧ мультиплексируются и преобразуются в цифровую форму. Частота стробирования этих сигналов составляет порядка 50 Гц (20 мс). Разрядность АЦП в этом случае может составлять 3 бита. На принимающей стороне осуществляется цифро-аналоговое преобразование (ЦАП) и демультиплексирование. Амплитудные модуляторы, управляемые ЦАП и переключателем выдают сигналы на узкополосные фильтры. Все эти сигналы смешиваются в сумматоре, а результат воспроизводится. В данном случае необходимое быстродействие передающей линии составляет 3 бита · 50 Гц · 16 каналов = 2,4 кбит/с.

74

Глава 7. ТИПЫ СИГНАЛОВ ИМПУЛЬСНОКОДОВОЙ МОДУЛЯЦИИ

Чтобы передавать двоичные цифры по узкополосному каналу, их представляют электрическими импульсами. На рис. 7.1, а показаны разделенные во времени интервалы передачи кодовых слов, причем каждое кодовое слово является 4-битовым представлением квантованной выборки. На рис. 7.1, б каждая двоичная единица представляется импульсом, а каждый двоичный нуль – отсутствием импульса.

1	0	1	1		1	0	0	1		0	1	1	0
Т		Интервал
	передачи бита				Интервал передачи кодового слова

а

Тʹ б

+

0

0

T

2T 3T 4T 5T 6T 7T 8T 9T 10T 11T

в

Рис. 7.1. Пример представления двоичных цифр в форме сигналов: а – последовательность ИКМ; б – импульсное представление последовательности ИКМ; в – импульсный сигнал (переход между двумя уровнями)

Задача приемника – определить в каждый момент приема бита, имеется ли импульс в канале передачи. Вероятность точного определения наличия импульса является функцией энергии принятого импульса (площади под графиком импульса). Следовательно, ширину импульса Тʹ (рис. 7.1, б) надо делать как можно больше. Если увеличить ширину импульса до максимального значения Тʹ Т , то получится сигнал показанный на рис. 7.1, в . Вместо того, чтобы описывать сигнал как последовательность импульсов и их отсутствие (1 и 0), можно описать сигнал как последовательность переходов между двумя ненулевыми уровнями (биполярное представление). Если сигнал находится на

75

верхнем уровне напряжения, он представляет двоичную единицу, а если на нижнем – двоичный нуль.

Существует несколько типов сигналов ИКМ. Некоторые из них изображены на рис. 7.2.

При цифровом кодировании дискретной информации применяют потенциальные и импульсные коды. В потенциальных кодах для представления логических единиц и нулей используется только значение потенциала сигнала, а форма сигнала (импульса) во внимание не принимается.

При использовании прямоугольных импульсов для передачи дискретной информации необходимо выбрать такой способ кодирования, который одновременно достигал бы нескольких целей:

¾имел при одной и той же битовой скорости наименьшую ширину спектра результирующего сигнала;

¾обеспечивал синхронизацию между передатчиком и приемником;

¾обладал способностью распознавать ошибки;

¾обладал низкой стоимостью реализации.

Более узкий спектр сигналов позволяет на одной и той же линии (с одной

итой же полосой пропускания) добиваться более высокого количества передачи данных.

Синхронизация передатчика и приемника нужна для того, чтобы приемник точно знал, в какой момент времени необходимо считывать новую информацию с линии связи. На небольших расстояниях хорошо работает схема, основанная на отдельной тактирующей линии связи, так что информация снимается с линии только в момент прихода тактового импульса. Однако на больших расстояниях неоднородности характеристик канала связи приводят к неравномерной скорости распространения сигналов и, следовательно, к нарушению синхронизирующих свойств тактирующих импульсов. Кроме того, экономия проводников в дорогостоящих кабелях заставляет отказаться от использования дополнительной линии тактирующих импульсов. В этой связи важное значение имеет свойство самосинхронизации кодов канала, когда сигналы ИКМ несут для приемника кроме данных также указания о том, в какой момент времени нужно осуществить распознавание очередного бита. Любой резкий перепад сигнала (его фронт) может служить хорошим указанием для синхронизации.

Сигналы ИКМ делятся на четыре группы:

¾	без возврата к нулю (nonreturn-to-zero NRZ);
¾	с возвратом к нулю (return-to-zero RZ);

¾фазовое кодирование;

¾многоуровневое бинарное кодирование.

76

1

0

1

1

0

0

0

1

1

0

1

+U

NRZ - L

-U

+U

NRZ - M

-U

+U

NRZ - S

-U

+U

Униполярная RZ

0

+U

Биполярная RZ 0

-U

+U

RZ - AMI 0

-U +U

Bi – Ø - L

-U

+U

Bi – Ø - M

-U +U

Bi – Ø - S

-U

+U

Модуляция задержки

-U

+U

Дикодная NRZ 0

-U

+U

Дикодная RZ 0

-U

Рис. 7.2. Различные сигналы ИКМ

77

7.1. Характеристики кодов

Группа кодировок NRZ включает следующие подгруппы: NRZ-L (L –

– уровень), NRZ-M (M – – метка), NRZ-S (S – space – пауза).

Кодировка NRZ-L широко используется в цифровых логических схемах. Двоичная единица в этом случае представляется одним уровнем напряжения, а двоичный нуль – другим. При использовании кодировки NRZ-M двоичная единица (или метка – mark) представляется изменением уровня, а нуль или пауза (space) – отсутствием изменения уровня. Такая кодировка называется дифференциальной. Применяется кодировка NRZ-M преимущественно при записи на магнитную ленту. Кодировка NRZ-S является обратной по отношению к NRZ-M: двоичная единица представляется отсутствием изменения уровня, а двоичный нуль – изменением уровня.

Привлекательность кода NRZ состоит в достаточно низкой частоте основной гармоники 0 = Гц, где R – битовая скорость передачи данных.

Метод NRZ прост в реализации, обладает хорошей распознаваемостью ошибок из-за двух резко отличающихся потенциалов, но не обладает свойством самосинхронизации. При передаче длинной последовательности единиц или нулей сигнал на линии не изменяется, поэтому приемник не может определить по входному сигналу момент времени, когда нужно в очередной раз считывать данные.

Группа кодировок RZ включает униполярную кодировку RZ, биполярную кодировку RZ и RZ-AMI. В униполярной кодировке RZ единица представляется наличием импульса, длительность которого равна половине ширины бита, а нуль – его отсутствием. В биполярной кодировке RZ единицы и нули представляются импульсами противоположных уровней, длительность каждого из которых также составляет половину ширины бита. В каждом интервале передачи бита присутствует импульс.

В методе биполярного кодирования с альтернативной инверсией (bipolar alternate mark inversion – AMI) используется три уровня потенциала – отрицательный, нулевой и положительный. Для кодирования логического нуля используется нулевой потенциал, а логическая единица кодируется либо положительным потенциалом, либо отрицательным, при этом потенциал каждой новой единицы противоположен потенциалу предыдущей. Код AMI приводит к более узкому спектру сигнала, чем длина кода NRZ, а значит, к более высокой пропускной способности линии (основная гармоника

0 = Гц). Код AMI представляет возможности по распознаванию ошибочных

сигналов. Так, нарушение строгого чередования полярности сигналов говорит о ложном импульсе.

78

Сигналы в дикодной кодировке также используют три уровня сигнала. В этом случае переходы в передаваемой информации от единицы к нулю и от нуля к единице меняют полярность импульсов. При отсутствии переходов передается сигнал нулевого уровня.

Группа фазового кодирования включает в себя следующие кодировки: bi- Ø-M, bi-Ø-S и модуляция задержки (delay modulation – ДМ или кодировка Миллера), а также bi-Ø-L (двухфазный уровень) – более известная как манчестерское кодирование, которое рассмотрим подробнее.

При использовании манчестерского кодирования единица кодируется отрицательным перепадом сигнала в середине битового интервала, нуль положительным перепадом. На границах битовых интервалов сигнал, если это необходимо, меняет значение, готовясь к отображению следующего битового интервала. Подстройка системы синхронизации осуществляется при передаче каждого бита.

На рис. 7.3 приведены схемы кодирования и декодирования сигнала кодом «Манчестер II», а на рис. 7.4 изображены временные диаграммы сигналов в различных точках схем.

	1	кодер		&	Манчестер II
C		R
NRZ
				C
		декодер
	Манчестер				D T	NRZ
	формиров	А	T	T	C	C
	атель
	импульсов	Б	S

Рис. 7.3. Схема кодирования и декодирования кода «Манчестер II».

Сигнала в коде «Манчестер II» может быть получен суммированием по модулю двух сигналов: NRZ и C (сигнал синхронизации). При этом сигнал в коде «Манчестер II» принимает единичные значения в тех интервалах времени, в которых сигналы NRZ и C имеют противоположные логические значения. Вследствие этого схема шифратора может быть дополнена схемой для подавления помех , возникающих из-за несовпадения фронтов суммируемых сигналов.

79

Схема дешифрации кода «Манчестер II» несколько сложнее и содержит формирователь импульсов из входного потока информации и два триггера: счетный и Д-триггер для декодирования информации. В начальный момент выходной код не определен, но по приходу первого тактового импульса, соответствующего переходу из логического нуля в логическую единицу во входном коде NRZ, система начинает генерировать правильный выходной код NRZ, декодированный из входной последовательности «Манчестер II» и совпадающий с исходным кодом. Дополнительно декодер восстанавливает и сигнал синхронизации, что упрощает подстройку тактового генератора приемника. Таким образом, синхросигнал и информация передаются по одному каналу связи, в то время как кодирование NRZ требует двух линий передачи.

0 0 1 0 1 1 1 1 0 1 0 1

NRZ

C

Манчестер II

А

Б

C

NRZ

Рис. 7.4. Временные диаграммы кодирования и декодирования для кода «Манчестер II»

7.2. Логическое кодирование для улучшения характеристик потенциальных кодов

Для улучшения характеристик потенциальных кодов используется два метода.

80

Первый метод – избыточные коды – основан на добавлении в исходный код избыточных бит, содержащих логические единицы. В этом случае длинные последовательности нулей можно прервать и код становится самосинхронизирующимся для любых передаваемых данных. Однако этот метод снижает полезную пропускную способность линии связи, так как избыточные единицы полезной информации не несут.

При применении избыточных кодов исходная последовательность бит разбивается на порции-символы. Затем каждый исходный символ заменяется на новый, который имеет большее количество бит, чем исходный. Например, логический код 4В/5В (буква B от англ. binary – двоичный) заменяет исходные символы длиной в 4 бита на символы в 5 бит. Так как результирующие символы содержат избыточные биты, то общее количество битовых комбинаций в них больше, чем в исходных. Так в коде 4В/5В результирующие символы могут содержать 32 битовых комбинаций, а исходные символы – только 16. Поэтому в результирующем коде можно отобрать 16 таких комбинаций, которые не содержат большого количество нулей, а остальные (32 16 16) считать запрещенными кодами. Избыточные коды также позволяют приемнику распознавать искаженные биты. Если же приемник принимает запрещенный код, значит, на линии произошло искажение сигнала. Кроме кода 4В/5В имеются и другие избыточные коды.

Второй метод улучшения свойств потенциальных кодов – скрэмблирование

Перемешивание данных скрэмблером перед передачей их в линию с помощью потенциального кода является другим способом логического кодирования. Методы скрэмблирования заключаются в побитовом вычислении результирующего кода на основании бит исходного кода и полученных в предыдущих тактах бит результирующего кода. Например, скрэмблер может реализовывать следующее соотношение:

i = i								i-5 ,
				i-3
где i – двоичная цифра результирующего кода, полученная на i-м такте работы

скрэмблера; i – двоичная цифра исходного кода, поступающая на i-м такте на вход скрэмблера; i-3, i-5 – двоичные цифры результирующего кода, полученного на предыдущих тактах работы скрэмблера, соответственно 3 и 5 тактов ранее; – операция исключающего ИЛИ (сложение по модулю 2).

Например, для исходной последовательности 110110000001 скрэмблер даст следующий результирующий код: