|
| |
|
Слаботочка Книги  3400 4000 Частота, Гц 4600 5000 Рис. 3.6. Шаблон для ограничивающего полосу фильтра, соответствующий рекомендации МККТТ для ИКМ-коцеров речевого сигнала Поскольку идеальные фильтры физически нереализуемы, при практическом выполнении фильтров следует учитывать эффекты, вызванные их неидеальностью. Могут быть использованы фильтры с практически реализуемой крутизной изменения затухания на краю полосы, если входной сигнал подвергнут дискретизации с частотой, несколько превышающей частоту fs- Как показано на рис. 3. 2, если частота дискретизации несколько больше удвоенной полосы, спектральные полосы достаточно отделены друг от друга, так что могут быть использованы фильтры с плавно падающими характеристиками. Так, например, в системах с дискретизацией речи обычно применяют ограничивающие полосу фильтры с затуханием 3 дБ на частотах около 3,4 кГц при частоте дискретизации 8 кГц. Вследствие этого дискретизируемый сигнал на частоте 4 кГц затухает уже достаточно для того, чтобы в необходимой степени уменьшить уровень энергии на частотах, которые могут вернуться в полосу исходного сигнала. На рис. 3. 6 представлен шаблон характеристики фильтра, рассчитанного на выполнение рекомендаций МККТТ по подавлению внеполосных сигналов в ИКМ-кодерах речи. Отметим, что на частоте 4 кГц достигается затухание около 14 дБ. Как упомянуто в гл. 1, качество восп{)иятия речевого сигнала слабо зависит от фазовой характеристики канала (относительной задержки частотных компонентов речи). По этой причине поведение фазовых характеристик ограничивающих полосу фильтров в кодерах и сглаживающих фильтров в декодерах не является критичным. Однако нелинейности фазовых характеристик этих фильтров оказывают все-таки влияние на качество передачи высокоскоростных данных в полосе ТЧ в процессе преобразования сигналов в цифровую форму. Отсюда, когда данные в полосе ТЧ передаются по линиям систем передачи типа Т, возникает в какой-то степени парадоксальная ситуация: процесс преобразования сигнала данных в полосе ТЧ (типовая максимальная скорость 4800 бит/с) в цифровой сигнал со скоростью передачи 64 кбит/с, практически свободный от ошибок, вызывает искажения в низкоскоростном сигнале данных. Однако сам процесс передачи не создает новых ухудшений в сигнале. Если вводить дискреты от множества источников так, чтобы они следовали друг за другом, системы с АИМ можно использовать для многоканальной передачи по одной линии с временным разделением. Как правило, однако, системы с АИМ не пригодны для передачи на большие расстояния из-за подверженности импульсов воздействию шумов, искажений и переходных помех. Вместо этого для передачи на большие расстояния АИМ дискреты преобразуют в цифровую форму, что позволяет использовать регенераторы для удаления дефектов передачи, прежде чем эти дефекты приведут к ошибкам. Способы амплитудно-импульсной модуляции с временным разделением каналов использукугся в некоторых типах УТС, описанных в гл. 5. 3.2. ИМПУЛЬСНО-КОДОВАЯ МОДУЛЯЦИЯ в предыдущем разделе была описана амплитудно-импульсная модуляция, при которой дискретные моменты времени отсчетов с аналоговыми амплитудами используются для извлечения информации, содержащейся в непрерывно меняющемся аналоговом сигнале. Импульсно-кодовая модуляция (ИКМ) является развитием АИМ. При этом величина каждого аналогового отсчета квантуется до дискретного значения для представления в виде цифровой кодовой комбинации. Таким образом, как показано на рис. 3. 7, система с АИМ может быть преобразована в систему с ИКМ, если добавить аналого-цифровой преобразователь (АЦП) на передающей стороне и цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП) на приемной стороне. На рис. 3. 8 изображен типовой процесс квантования, в котором совокупность шагов квантования однозначно связана с двоичными кодовыми комбинациями. Все значения дискретов, приходящихся на конкретный шаг квантования, отображаются единственной дискретной величиной, размещенной в центре шага квантования. Вследствие этого процесс квантования вводит в дискреты сигнала определенное число ошибок, или искажений. Эти ошибки, известные как шум квантования, сводятся к минимуму введением большого числа малых шагов квантования. Естественно, с увеличением числа шагов квантования необходимо увеличить число символов, чтобы однозначно идентифицировать эти шаги. Дискреты АИМ сигнала  Аналоговый входной Аналоговый выходной Импульсы дискретизации Рис. 3.7. Структурная схема системы с импульсно-кодовой модуляцией Рис. 3.8. Квантование аналоговых дискретов  010 011 011010 001 001000101101000 3.2.1. Шум квантования Квантованный выходной сигнал 1 - Входной сигнал Амплитуда входного сигнала Ошибка Основным аспектом расчета и разработки инженерных проектов является необходимость использования аналитических характеристик качества функционирования систем. Только при наличии таких характеристик система может быть объективно оценена и ее стоимость эффективно сопоставлена со стоимостью альтернативных разработок. Одной из характеристик, необходимой для инженеров телефонной связи, является качество речи, доставляемой слушателю. Измерения качества речи усложняются из-за субъективных свойств речи, которые юспринимаются типовым слушателем. Одна из особенностей субъективного восприятия шумов или искажений в речевом сигнале связана с частотным составом, или спектром мешающих воздействий в сочетании с уровнем их мощности. Эти эффекты влияния шумов в зависимости от частоты были рассмотрены в гл. 1 при введении понятий взвешивания при помощи С-контура и псофометри-ческого взвешивания. Последовательные ошибки квантования в ИКМ-кодере в общем случае предполагаются распределенными по случайному закону и не коррелированными друг с другом. Таким образом, совокупный эффект ошибок квантования в системах с ИКМ можно рассматривать как аддитивные шумы, имеющие субъективное воздействие, которое аналогично воздействию белого шума с ограниченной полосой. На рис. 3.9 представлена зависимость ошибок квантования от амплитуды сигнала для кодера с равномерными шагами квантования. Отметим, что если сигнал успевает измениться по амгуштуде на несколько шагов квантования, ошибки квантования станобятся независимыми. Если сигнал дискретизируется с частотой, HajyfHOro превышающей fg, то последовательные дискреты будуу цАсто приходиться на одни и те же шаги, что приведет к потере независимости ошибок квантования. / Ошибки, или шум квантования возникающие при преобразовании / аналогового сигнала в цифровую форму, обычно выражаются в виде средней мощности шума по отношению к средней мощности сигнала. Данное явление исторически получило название шум квантования (quantizing noise) и так и представлено в тексте, потому что именно это название употребляет автор книги. Однако в рекомендации G.701 МККТТ (определения), рекомендации G.712 и многих других, принятых в 1984 г., а также в большинстве последних публикаций, относящихся к ЦСП, взамен этого термина используется термин искажения квантования (quantizing distortion), так как при этом точнее отражается происхождение этих помех и не возникает путаница в представлениях об эффекте их воздействия на качество связи.- Прим. перев. Рис. 3.9. Зависимость ошибок квантования от амплитуды В соответствии с этим отношение сигнал-шум квантования можно определить как ОСШК = E{x-(t)\/E{ly(t)-x(t)] % (3.1) где £{ I - математическое ожидание, или среднее значение, х (t) - аналоговый входной сигнал, y(t) - декодированный выходной сигнал. При определении среднего значения шума квантования необходимо сделать три замечания. 1. Ошибка у (t) -x(t) ограничена по амплитуде значением q/2, где q - шаг квантования. (Декодированные выходные дискреты располагаются точно посредине шага квантования.) 2. Можно предположить, что значения дискретов с равной вероятностью могут попадать в любую точку в пределах шага квантования (предполагается равномерная плотность вероятности, равная l/q). 3. Предполагается, что амплитуды сигнала ограничены рабочим диапазоном кодера. Если значение дискрета превышает границу наивысшего шага квантования, то возникают искажения, вызванные перегрузкой. Если для удобства предположим, что нагрузочный резистор имеет сопротивление 1 Ом, то средняя мощность шума квантования (вычислена в приложении А) определяется выражением: Мощность шума квантования = q/l2. (3.2) Если все шаги квантования имеют равные значения (равномерное квантование) и шум квантования не зависит от значений дискретов, то отношение сигнал-шум квантования (в децибелах) определяется ОСШК= lOlg lxV(9/2)] = 10,8 + 201grv/Q;, (3.3) где V - среднее квадратическое значение амплитуды входного сигнала. В частности, для синусоидального входного сигнала отношение сигнал-шум квантования (в децибелах) при равномерном квантовании ОСШК= lOlg [(AV2)/(qV12)] = 7,78-1- 201g (A/q), (3.4) где A - амплитуда синусоиды. пример 3. 1. Синусоидальный сигнал с амплитудой 1 В следует преобразовать в цифровую форму таким образом, чтобы получить отношение сигнал-шум квантования не менее 30 дБ. Сколько потребуется одинаковых шагов квантования и сколько потребуется разрядов для кодирования каждого дискрета? Решение. С помощью формулы (3. 4) определяем максимальный размер шага квантования q= 10 *2=0,078 В. Таким образом, потребуется 13 шагов квантования для каждой полярности сигнала (общее число шагов квантования 26). Число разрядов, необходимых для кодирования каждого дискрета, определяется как Л = log2 26 = 4,7 5 разрядов на дискрет. При расчете отношений сигнал-шум квантования обычно сопоставляют нефильтрованный сигнал на выходе декодера с нефильтрованными ошибками квантования. На практике фильтр на выходе декодера уменьшает уровень мощности и сигнала и шума. Мощность шума уменьшается в большей степени, чем мощность сигнала, поскольку дискреты шума имеют более широкий спектр, чем дискреты речи. Вследствие этого отношение сигнал-шум квантования при наличии фильтра обычно выше рассчитываемых по этим формулам значений на 1 ... 2 дБ. При измерениях мощности шума квантования спектральные составляющие часто взвешивают тем же способом, что и шумы в аналоговых каналах. К сожалению, измерения взвешенных шумов не всегда отражают подлинное качество восприятия речи, прошедшей кодер (декодер). Если спектральное распределение шумов квантования более или менее повторяет спектральное распределение сигнала речи, эти шумы значительно менее заметны, чем шумы, некоррелированные с речью [7]. С другой стороны, если процесс квантования создает энергию на тональных частотах, отличных от тех, которые содержатся в конкретных звуках, эти искажения становятся более заметными. Высококачественные ИКМ-кодеры создают шум квантования, который равномерно распределен в диапазоне ТЧ и не зависит от кодируемого сигнала. В этом случае отношение сигнал-шум квантования (3. 4) является хорошей мерой качества ИКМ-преобразования. В некоторых видах кодеров, рассматриваемых далее (в особенности в вокодерах), знание мощности шума квантования не приносит большой пользы. В [8] описаны другие характеристики качества речи, прошедшей через кодер, которые лучше определяют восприятие речи слушателем. 3.2.2. Шумы незагруженного канала Анализ выражений (3.3) и (3.4) показывает, что отношение сигнал-шум мало для малых значений дискретов. Как показано на рис. 3. 10, шумы могут быть даже больше сигнала, если значения дискретов приходятся на первый шаг квантования. Этот эффект, особенно неприятный во время пауз речи, носит название шумов незагруженного канала. На рис. 3. И изображен один из методов минимизации шумов незагруженного канала в системах с ИКМ путем сдвига характеристики квантования от начала координат. В этом случае все значения дискретов, приходящиеся на центральный шаг квантования, постоянно декодируются как нулевой сигнал на выходе. В системах с ИКМ такого типа используется нечетное число шагов квантования, поскольку диапазоны кодирования для положительных и отрицательных сигналов обычно равцы. 2,0 1,0 -1.0 -2.0 -- Уровни на Нефильтрованный выходной сигнал выходе декодера / Моменты дискретизации Рис. 3.10. Шумы незагруженного канала, получаемые при квантовании в кодере с рабочей точкой, установленной на границе между шагами квантования 1,5 0.5 -0.5 -1,5 Входной сигнал Сигнал на выходе декодера Рис. 3.11. Устранение шумов незагруженного канала при квантовании в кодере с рабочей точкой, установленной посредине шага квантования Характеристики квантования, необходимые для получения сигналов, показанных на рис. 3. 10 и 3. И, представлены на рис. 3. 12 и 3. 13 соответственно. Первая характеристика (рабочая точка кодера находится на границе между двумя шагами квантования) не может дать на выходе нулевого сигнала. Вторая характеристика (рабочая точка кодера находится посредине шага квантования) очевидно более предпочтительна, поскольку в этом случае очень малые сигналы образуют на выходе декодера постоянный сигнал с нулевым значением. Однако, если амплитуда сигнала сопоставима с размером шага квантования или на входе кодера существует смещение постоянного тока, шумы незагруженного канала могут представлять проблему также и при установке рабочей точки кодера посредине шага квантования. Как уже упомянуто в гл. 1, шумы в паузах речи более неприятны, чем шумы с эквивалентными уровнями мощности во время речи. Вследствие этого шумы незагруженного канала нормируются в абсолютных значениях независимо от шума квантования, который нормируется по отношению к уровню сигнала. Например, спецификации на блок каналообразования типа D3, применяемый фирмой Bell System, содержат норму на максимальное значение шумов незагруженного канала, составляющую - 68 дБмОп [9]. I I I   Рис. 3.12. Характеристика квантователя с рабочей точкой, установленной на границе между шагами квантования Рис. 3.13. Характеристика квантователя с рабочей точкой, установленной посредине шага квантования 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 [18] 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 |