Дослідження ефективності використанні ДІКМ при передачі сигналів звукомовлення

Вступ 

      Характерною особливістю сучасного етапу розвитку техніки зв’язку являється широке впровадження цифрових методів передачі неперервних сигналів. Причини, що визивають цю тенденцію, пов’язані з серйозними успіхами у покращенні характеристик цифрової елементної бази і удосконаленням технологій їх виготовлення. В результаті стало можливим створення апаратури з високими показниками надійності, здатної забезпечити значні швидкості та точності.

       На сьогоднішній час для передачі  неперервних повідомлень все  більшу поширеність отримують  змішані системи зв’язку, в  яких сигнали, що передаються  по каналу зв’язку, утворюють дискретні послідовності. Основними перевагами змішаних систем є: можливість використання уніфікованих каналів, простота здійснення в дискретному каналі все можливих перетворень, можливість підвищення завадо захищеності передачі.

    Науково-технічна революція в електротехніці, оптиці, комп’ютерній техніці надала потужний імпульс розвитку телекомунікаційних систем. На сьогоднішній день телекомунікації –  галузь, що розвивається надзвичайно динамічно, потребує значних наукових та промислових ресурсів.

     Під цифровим зв'язком мається на увазі  передача інформації за допомогою дискретних імпульсів електрики або світла. Саме в простоті цифрового зв'язку і полягає її основна перевага. Часто при керуванні цифровим обміном інформацією досить стежити  тільки за тим, чи з'являється імпульс  у деякий момент часу. На відміну  від цифрової технології передачі інформації при аналоговому обміні даними необхідно  відслідковувати постійні зміни  амплітуди сигналу з метою  коректного дублювання хвилі.

     У цифровому зв'язку будь-яка інформація представляється за допомогою тільки двох станів („так” і „ні” - „true”  і „false”), що значно спрощує процес передачі сигналів по комунікаційному  фізичному середовищу. Використання лише двох станів набагато підвищує якість передачі, тому що замість безлічі  „відтінків сірого” використовується винятково „чорне” і „біле”.

     Ідея  цифрового представлення сигналу  полягає в тому, що аналогова інформація може бути представлена у виді окремих  імпульсів, подібних до сигналів абетки Морзе, коли кілька простих комбінацій поєднуються, формуючи в такий спосіб більш складні набори символів.

     Перевагою цифрового зв'язку є те, що приймаючий механізм має настільки великий  допуск похибки, що звичайно перешкоди  ніяк не впливають на сприймане значення цифрового сигналу. На відміну від  розглянутого механізму цифрової обробки  сигналів системи передачі аналогової інформації накопичують перешкоди  і неточності. Якщо порівнювати аналоговий і цифровий зв'язок, то посилення  ослабленого аналогового сигналу  зв'язано з великими проблемами, чим регенерація ослабленого  цифрового сигналу.

     Перетворення  аналогових сигналів у цифрові, котрі  відповідним чином відображають форму вихідної хвилі, здійснюється за допомогою чотирьох послідовних  етапів: фільтрації сигналу, вибірки  сигналу, квантування сигналу, вибірки сигналу. Разом ці етапи складають загальний процес, що називається імпульсно-кодовою модуляцією (PCM – Pulse Code Modulation). Цей процес задокументований  у стандарті G.711, розробленому Міжнародним союзом телекомунікацій.

   В наш час цифрова передача сигналів звукомовлення отримала широке розповсюдження. Побудовою апаратури передачі сигналів звукомовлення  і організацією мереж  цифрових ЗМ займаються у більшості  країн. Міжміська мережа розподілу програм ЗМ повністю перебудувалась на використання техніки цифрової передачі. Інтенсивний розвиток цифрових систем передавання пояснюється їхніми суттєвими перевагами, порівняно з аналоговими системами передавання. А саме: високою завадостійкістю, незалежністю якості передавання від довжини лінії зв’язку, стабільністю параметрів каналів, ефективністю використання пропускної здатності при передаванні дискретних сигналів, можливістю побудови ефективної, повністю цифрової мережі зв’язку, високими техніко-економічними показниками ЦСП.

          Сигнал звукомовлення, що представлений  у цій роботі, є дуже поширеним у повсякденному житті. Звук являється невід’ємною складовою частиною телевізійних програм, він використовується у радіомовленні, що являється одним із основних джерел передачі інформації. Хоча великого темпу розвитку набули Інтернет та телефонія, але кожна людина у своєму домі має радіо. Це наштовхує на його розвиток та удосконалення. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

1 ОГЛЯД МЕТОДІВ ТА ЗАСОБІВ ЦИФРОВОЇ ОБРОБКИ СИГНАЛІВ ЗВУКОМОВЛЕННЯ 

      1.1 Сигнали звукового мовлення  

       Сигнал звукового мовлення займає  смугу частот порядку 15 кГц  і має значний динамічний діапазон (75 дБ). Для якісної передачі такого  сигналу по цифрових каналах  зв'язку необхідне застосування 16-розрядної ІКМ. При цьому  швидкість цифрового потоку при  перетворенні сигналу 3В мовлення  за допомогою лінійної ІКМ  становить 512 Кбіт/с. 

       Для скорочення надмірності мовних сигналів у сучасній техніці застосовується кілька методів. У 1980 році в компанії Бі-Бі-Сі була створена система NICAM (Near Instantaneous Companded) - система ІКМ з майже миттєвим компандірованіем для скорочення надмірності сигналів звукового мовлення. Її також називають системою ІКМ з масштабуючі множники. Закладені в ній принципи скорочення надмірності по суті мало відрізняються від винайденої дещо раніше системи БІКМ. Застосування миттєвого компандірованія сигналу і введення масштабних коефіцієнтів для блоків з послідовних 32 відліків дозволяє зменшити кількість двійкових розрядів на один відлік з 16 до 9.

       Використання ДІКМ з введенням  масштабування для блоків відліків  також дозволяє скоротити кількість  двійкових розрядів на один  відлік до 9. При цьому швидкість  цифрового потоку при перетворенні  монофонічному сигналу 3В мовлення  зменшується до 320 Кбіт/с. 

       Значним успіхом у скороченні  надмірності сигналів звукового  мовлення є розробка в 1989 році  методу MUSICAM, включеного в стандарт MPEG (Moving Picture Expert Group), що призначений для скорочення надмірності ТВ сигналу, включаючи сигнал звукового супроводу. У системі MUSICAM мовний сигнал розбивається на 32 парціальні смуги частот. Перетворення сигналів кожної смуги частот в цифрові потоки за допомогою ІКМ здійснюється відповідно до керуючими сигналами психоакустичної моделі сприйняття людиною звукових сигналів. При цьому кількість двійкових розрядів на один відлік скорочується до 2. Система дозволяє скоротити швидкість цифрового потоку, необхідного для передачі сигналів моновещанія, до 100 Кбіт/с. У цифровому потоці зі швидкістю 256 Кбіт/с можлива передача стереопрограмми з якістю компакт-диска.

      1.2 Передача сигналів звукового мовлення 

      Існує три класи сигналів ЗМ, що розрізняються смугою ефективно  переданих частот. Її величина  складає 6,4; 10 і 15 кГц для каналів  ЗМ 2-го,  1-го і вищого класу  відповідно. Тому частота дискретизації  (Fд) сигналів 3В має бути не  менше 12,8 , 20 і 30 кГц для каналів  3В 2-го, 1-го і вищого класів  відповідно. Оскільки частота дискретизації  має бути кратною частоті дискретизації мовних сигналів одного каналу (8 кГц ), то канал 3В 2-го класу організовується в ЦСП ІКМ-15 замість двох ОЦК (що відповідає частоті дискретизації Fд=16кГц). Для організації каналу 3В-1-го класу в ЦСП ІКМ-30 частота дискретизації вибирається рівною 32кГц, тобто використовуються чотири канали (канальні інтервали КІ 1, КІ 9, КІ 17 і КІ 25). Тому швидкість передачі сигналу 3В складає .

Для передачі сигналів звукомовлення потрібно широкий  спектр частот, так як вони містять  не тільки мову, але й інші сигнали (пісні, музику) зі спектром від 15-20 Гц до 15-20 кГц і великий динамічний діапазон (до 80-90 дБ). Канали  звукомовлення організовуються головним чином, об’єднанням двох каналів тональної частоти. Для цієї мети може використовуватись апаратура типу КВМ-2, АВ-2/3 або СВО.

       Структурна схема приймача-передавача сигналів ЗМ наведена на рисунку 1.1.

     Рисунок 1.1 - Структурна схема приймача-передавача 

     Аналоговий  сигнал ЗМ проходить через попередньо перекручуючий контур (ПрК), що послаблює  низькочастотні складові сигналу ЗМ. Фільтр НЧ обмежує спектр сигналу  частотою 10 кГц. Далі модулятор (М) дискретизує  сигнал ЗМ, після чого АIM-сигнал ЗМ надходить у груповий тракт АIM сигналів, кодується і після перетворювання в лінійний код груповий ІКМ-сигнал передається в цифровий лінійний тракт (ЦЛТ).

     На  приймальній стороні після декодування  з групового АIM-сигналу за допомогою часового селектора (ЧС) виділяються відліки ЗМ-сигналу, що виникають з частотою F=4∙8=32кГц. Фільтр НЧ перетворює АIM-сигнал ЗМ в АМ-сигнал. Відновлюючий контур (ВК) компенсує попередні перекручування, що були внесені на передавальній стороні попередньо перекручуючим контуром. Для компенсації цих попередніх перекручувань необхідно, щоб залежності загасання від частоти попередньо перекручувального ( ) контуру і контуру, який вiдновлює ( ), були взаємно-зворотні, тобто . Для цього необхідно, щоб виконувалася умова (у дБ) Загальний характер частотних залежностей загасання контурів ПК і ВК наведено на рисунку 1.2. 

     Рисунок 1.2 – Залежності згасання контурів

     Доцільність попередніх перекручувань можна пояснити таким чином. Частотний спектр сигналу ЗМ нерівномірний. Його основна частина зосереджена в області 0,5...2 кГц. Зі збільшенням частоти спектральна щільність сигналу ЗМ різко зменшується. На противагу цьому спектр шумів квантування рівномірний у всій смузі частот сигналів ЗМ. У результаті цього на верхніх частотах потужність шумів квантування стає порівняною з потужністю сигналу. Внаслідок цього вплив шумів квантування стає помітним на слух. На рисунку 1.3 наведено залежності спектральної щільності потужності сигналу і спектральної щільності потужності шумів квантування від частоти.

 
Рисунок 1.3 - Залежності спектральної щільності потужності сигналу і спектральної щільності потужності шумів квантування від частоти 

     За рахунок того, що загасання ВК зростає зі збільшенням частоти, спектральна щільність потужності шумів квантування зменшується, що робить шуми квантування в області цих частот менш помітними.

     Для якісної передачі сигналу ЗМ використовується апаратура АЦМ-480, що забезпечує дискретизацію сигналу ЗМ із частотою 40 кГц, нелінійне квантування і 12-розрядне кодування. Збільшення розрядності з 8-ми до  12-ти призводить до збільшення в 16 разів точності відліку кожної дискрети, що у свою чергу забезпечує підвищення захищеності сигналу від шумів квантування на 24 дБ. Апаратура АЦМ-480 поєднується з первинним цифровим трактом апаратури ІКМ-30 і дозволяє організувати у ньому 4 моно, або 2 стерео каналів ЗМ, або 8 каналів ЗМ.

     Для підвищення завадостійкості сигналу  від перешкод у цифровому тракті в кожну кодову групу вводиться  додатковий біт перевірки на парність 6-ти старших розрядів, використовується перестановка розрядів, що підвищує захищеність  сигналу від зосереджених перешкод (групові помилки перетворюються в одиночні, які виявляються). З  урахуванням надлишковості швидкість  передачі по кожному з 4-х каналів  ЗМ становить 512 кбіт/с.

     Структурна схема апаратури АЦМ-480 наведена на рисунку 1.4. 

     Рисунок 1.4 - Структурна схема апаратури АЦМ-480 

     На передавальній стороні в апаратурі ККВ (комплект кодування) сигнал ЗМ перетворюється в цифровий. Сформовані цифрові сигнали 4-х каналів ЗМ надходять зі швидкістю 512 кбіт/c на комплект апаратури первинного часового групоутворення (КПЧГ), де здійснюється синхронне об'єднання у цифровий потік зі швидкістю 2048 кбіт/с, а на приймальній стороні виконується поділ загального потоку на 4 потоки зі швидкістю 512 кбіт/c кожний. Після декодування в апаратурі комплекту декодування (КДВ) сигнали ЗМ надходять на термінали.

     В апаратурі цифрової передачі сигналу  ЗМ ІКМ-В 6/12 за рахунок удосконалення  методу аналого-цифрового перетворення необхідна швидкість передачі зменшена до 316 кбіт/с. У свою чергу це забезпечило  можливість передавати сигнали 6-ти моно, або 3-х стереоканалів вищого класу, або 12 каналів 2-го класу (зі смугою частот до 7 кГц).

       За рахунок того, що загасання ВК зростає зі збільшенням частоти, спектральна щільність потужності шумів квантування зменшується, що робить шуми квантування в області цих частот менш помітними.

     Для підвищення завадостійкості сигналу від перешкод у цифровому тракті в кожну кодову групу вводиться додатковий біт перевірки на парність 6-ти старших розрядів, використовується перестановка розрядів, що підвищує захищеність сигналу від зосереджених перешкод (групові помилки перетворюються в одиночні, які виявляються). З урахуванням надлишковості швидкість передачі по кожному з 4-х каналів ЗМ становить 512 кбіт/с. 

     1.3 Цифрова передача неперервних повідомлень  

      Розрізняють системи зв'язку з  імпульсно-кодовою модуляцією (ІКМ), диференційної імпульсно-кодовою модуляцією (ДІКМ) і дельта-модуляцією (ДМ). Схема цифрової системи зв'язку, призначеної для передачі неперервних повідомлень, зображена на рисунку 1.5.