Слаботочка Книги MOM разряде для формата кодирования, симметричного относительно абсолютного значения величины сигнала, вызывает в декодере импульс ошибки, равный удвоенному значению дискрета . Поскольку значения большинства дискретов речевого сигнала меньше половины максимальной амплитуды, ожидаемая мощность шума, обусловленного ошибками при формате кодирования, принятом для блока D2, существенно снижается. Порог восприимчивости к ошибкам в канале для системы ИКМ при (i = 255 приблизительно соответствует 10 ~ . Фирмой Bell System ИКМ-радиоканал (или группа каналов) объявляется непригодным для эксплуатации, если коэффициент ошибок превышает порог, равный 10 ~ [40]. Чувствительность вокодеров к ошибкам в канале приблизительно равна чувствительности систем с ИКМ. Характеристики, связанные с ошибками в канале, можно значительно улучшить с помощью избыточного кодирования наиболее критичной информации в цифровом потоке. Если ошибки сгруппированы в пакеты, преимущество систем с дельта-модуляцией по чувствительности к ошибкам перед другими системами уменьшается, так как дополнительные ошибки в кодовой комбинации или блоке битов для других систем могут приводить к незначительному увеличению эффекта, вызываемого ошибкой. (Если ошибочно принят разряд полярности в кодовой комбинации ИКМ, то ошибки в разрядах, имеющих меньшее значение, несущественны.) 3.9.4. Форматы кодированных сигналов и структура цифрового сигнала Форматы кодированных сигналов в первую очередь являются предметом рассмотрения при передаче и коммутации, где существование структур, ориентированных на кодовые комбинации или блоки битов, требует цикловой синхронизации в цифровом потоке. Структура цифрового сигнала является предметом изучения для ряда систем передачи, в которых необходимо устранить определенные последовательности битов, чтобы минимизировать помехи от повторяющихся последовательностей, гарантировать выделение хронирующего сигнала в регенераторах или зарезервировать определенные сочетания символов для контроля линии передачи. Требования к цикловой синхронизации возникают в системах с ИКМ и ДИКМ и во всех типах вокодеров, поскольку цифровой поток содержит кодовые комбинации или блоки битов, в которых определенные биты требуют специфической интерпретации. С другой стороны, некоторые системы с ДМ (например, ДМНИК с компандиро- Для формата кодирования, симметричного по отношению к абсолютному значению дискретов сигнала и принятого в каналообразующих блоках типов 02 и D3, часто (особенно для чаще всего встречающихся сигналов с малой амплитудой) наиболее весомым разрядом является не разряд знака, а первый разряд номера сегмента, при искажении которого может возникнуть ошибка, во много раз превышающая значение дискрета.- Прим. перев. ванием, управляемым цифровым сигналом) вообще не предъявляют требований к цикловой синхронизации. Каждый бит в цифровом потоке формируется и обрабатывается однотипно. Отсутствие требований к цикловой синхронизации наиболее полезно в одноканальных системах с постоянной скоростью передачи (синхронных). В других системах необходимость синхронизации по кодовым комбинациям или блокам может и не быть недостатком. Например, в системе типа Т1 автоматически обеспечивается синхронизация по кодовым комбинациям для каждого канала, когда устанавливается цикл 24-канального сигнала из 193 битов. Кроме того, системы, в которых осуществляется передача, зависящая от активности, автоматически определяют блоки передачи. В этих случаях при алгоритмах кодирования с периодической передачей коэффициентов усиления или параметров подстройки эти показатели могут быть введены на заранее определенные места в передаваемых блоках без дополнительной цикловой синхронизации. Другая возможная особенность систем передачи состоит в том, что кодер может формировать последовательности битов, несовместимые со средой передачи. Например, в линии типа Т1 не может быть передана непрерьшная последовательность нулей. В каналообразующем блоке типа D1 и во всех других последующих модификациях каналообразующих блоков, используемых фирмой Bell System, приняты меры для предотвращения получения кодовых комбинаций из одних нулей. Хотя при этой операции умышленно вводятся ошибки кодирования, она необходима для обеспечения минимальной плотности токовых посылок в линии типа Т1. 3.9.5. Требования, касающиеся обработки сигналов Как уже упоминалось ранее, обработка цифрового сигнала, представляющего собой кодированный речевой сигнал, может дать определенные удобства при выполнении таких функций, как увеличение усиления или затухания, конференц-связь, определение активности речи или преобразование одного алгоритма кодирования в другой. Импульсно-кодовая модуляция с мгновенным компандированием (как по закону р. = 255, так и по закону А) была выбрана с целью упростить операции цифровой обработки. Большинство же остальных типов кодеров было разработано, однако, без специального учета требований дафровой обработки. В соответствии с этим функции обработки сигнала могут потребовать преобразования его в аналоговую форму или относительно сложного цифрового моделирования аналогового процесса. Был предложен ряд схем адаптивной ДМ, обладающих удобными карактеристиками для различных операций обработки, особенно для преобразования к формату ИКМ сигнала с логарифмическим компандированием (см., например, [41 и 42]). 3.9.6. Требования хронирования Как уже упоминалось в начале этой главы, первый шаг в цифровом преобразовании речевого сигнала состоит в дискретизации сигнала -193 импульса за 125 мкс- Хронирующий! сигнал линии L Хронирующий сигнал Бит циклового синхросигнала . дискретизации при ИКМ 1 Хронирующий сигнал при ДМ -8-1-8-1 -8- I I I Рис. 3.43. Требования к хронирующему сигналу дискретизации при ИКМ и ДМ, получаемому из хронирующего сигнала линии типа Т1 через одинаковые временные интервалы. Желательно, чтобы хронирующие сигналы дискретизации в кодере и декодере легко можно было получить из хронирующих сигналов линии. Это выполняется в системах типа Т1, где частота повторения циклов равна частоте дискретизации. Хронирующий сигнал дискретизации с частотой 8 кГц для каждого из 24 каналов может быть получен из хронирующего сигнала линии с помощью счетчика до 193 (1544- 10: 193= 8- 10. Более трудная ситуация возникает, если дельта-модулятор сопрягается с линией типа Т1. Если используется та же самая скорость передачи на канал, равная 64 кбит/с, то дельта-модулятор должен формировать восемь равномерно размещенных дискретов на каждый цикл (вместо одного дискрета на цикл, как в случае ИКМ-кодера). Хронирующий сигнал дискретизации с частотой 64 кГц непосредственно из линейного хронирующего сигнала не извлекается, так как моменты дискретизации не совпадают с переходами в линейном хронирующем сигнале. Вместо этого хронирующий сигнал дискретизации с частотой 64 кГц необходимо получать путем синхронизации каждого восьмого перехода в генераторе с частотой 64 кГц каждым 193-м переходом в линейном хронирующем сигнале с частотой 1,544 МГц. Эту проблему в упрощенном виде иллюстрирует рис. 3.43, где показаны основные требования этих двух систем к хронированию. Усложнения, относящиеся к хронированию при дельта-модуляции и сопряжению с линиями типа Т1, возникают вследствие того, что для целей цикловой синхронизации вводится 193-й символ. Без бита циклового синхросигнала скорость передачи в линии была бы равной 1,536 Мбит/с, и хронирующие сигналы дискретизации с частотой 8 кГц могли бы быть получены путем деления скорости передачи в линии на 24 (в счетчике до 24). Другие варианты цикловой синхронизации, не требующие дополнительного бита, рассматриваются в гл. 7. Здесь, очевидно, должно быть указано: частоты хронирующего сигнала линии , а не скорости передачи в линии .- Прим. перев. Один из них приведен в стандарте передачи МККТТ , который предо-i ставляет для циклового синхросигнала один из 32 каналов. В этом случае частоту дискретизации 64 кГц можно получить из тактовой частоты линии 2048 кГц с помощью счетчика до 32. Отметим, что для других типов кодеров, особенно тех, которые передают такую вспомогательную информацию, как коэффициенты усиления или предсказания, могут существовать трудности при получении хронирующих сигналов дискретизации, независимо от процедуры цикловой синхронизации в линии передачи. Во многих из таких систем, однако, стоимость оконечного оборудования может быть такова, что стоимость дополнительных цепей синхронизации несущественна по сравнению со стоимостью кодера при низких скоростях передачи. 3.9.7. Стоимость устройств Стоимость устройств рассматривается последней, но не потому, что она является самым несущественным фактором, а потому, что она обычно является наиболее важным фактором. Если рассматривать алгоритмы кодирования, реализуемые с помощью интегральной схемы, преимущества любых других сопоставимых алгоритмов являются, по-видимому, чисто теоретическими. В настоящее время ИКМ-кодеки с кодированием по законам р. = 255 и Л, а также ДМНИК-кодеки реализуются в виде интегральных схем и поставляются несколькими изготовителями интегральных схем. Следовательно, даже хотя другие алгоритмы с сопоставимой исходной сложностью, такие как адаптивная ДИКМ, могут дать лучшее качество речи или меньшую скорость передачи, их стоимость при реализации на навесных компонентах препятствует их использованию во всех случаях, кроме специальных. Еще не было сообщений о кодерах с низкими скоростями кодирования, но фирмами Texas Instruments [3] и Nippon Telegraph and Telephone [43] уже разработаны в виде БИС синтезаторы с линейным предсказанием. Эти синтезаторы используются в качестве блоков формирования речевого сигнала в устройствах Спик-энд-спел фирмы Texas Instruments. Что касается сопоставления дельта-модуляторов с ИКМ-кодеками при логарифмической характеристике компандирования, то ДМ-коде-ки с адаптацией более просты и всегда будут дешевле, чем ИКМ-кодеки с логарифмической характеристикой компандирования, особенно, если включить стоимость фильтров. Однако разница в стоимости при реализации в виде интегральных схем будет играть малую роль по сравнению с другими соображениями, такими как эксплуатационные качества, чувствительность к ошибкам и т. д. Представляется, что принятие ИКМ с логарифмической характеристикой компандирования всеми телефонными компаниями для систем передачи типа Т определило преобладание ИКМ и в других применениях, даже если другие применения не требуют совместимос- Вариант с дополнительным битом цикловой синхронизации, принятый в системах передачи типа Т1, также нормализован МККТТ в рекомендации G.733.- Прим. перев. ти с системами передачи типа Т. Стратегия торговли заставила нескольких производителей цифровых УТС использовать ИКМ как технику кодирования даже несмотря на то, что УТС обычно соединяются линиями с сетью общего пользования или другими УТС аналоговыми соединительными линиями. Время цифровых соединительных линий приближается, но большинство абонентов УТС еще должны будут ждать, пока их местная станция будет сделана цифровой или пока не будут предложены новые цифровые виды связи, такие как коммутируемая цифровая связь, объединяющая телефонию и передачу данных [44]. ЗАДАЧИ 3. I. Предположим, что сигнал состоит из трех синусоидальных колебаний: первое - с частотой 1 кГц, второе - с частотой 10 кГц и третье - с частотой 21 кГц. Колебания с какими частотами появятся на выходе АИМ-демодулятора, если частота дискретизации равна 12 кГц, а входной сигнал не подвергается фильтрации? (Примем, что частота среза фильтра на выходе равна 6 кГц.) 3. 2. Выведите выражение для средней мощности шума квантования в случае, когда дискреты на выходе декодера смещены относительно середины шага квантования на величину, равную 25 % от размера шага, т. е. выходной сигнал появляется в точке 75 7о вместо точки 50 %. Какую степень ухудшения в децибелах дает это смещение? (Примем, что.смещения некоррелированы.) 3. 3. На сколько улучшится отношение сигнал-шум квантования при ИКМ с равномерным квантованием, если добавить один разряд в кодовой комбинации? 3. 4. Сигнал черно-белого телевидения имеет полосу около 4,2 МГц. Какая скорость передачи необходима, если сигнал подлежит преобразованию в цифровую форму посредством ИКМ с равномерным квантованием при ОСШК порядка 30 дБ? Используйте такое же отношение частоты дискретизации к частоте f, как при кодировании речи методом ИКМ. 3.5. Каков динамический диапазон ИКМ-кодера с равномерным квантованием и 12-ю разрядами на дискрет при минимальном значении ОСШК, равном 33 дБ? 3.6. Каково отнощение сигнал-шум квантования, создаваемого ИКМ-кодером с сегментным законом компандирования при ц=255, если входной сигнал представляет собой треугольное колебание с размахом на весь диапазон кодера? (Примем, что частота повторения достаточно мала, так что фильтр, ограничивающий полосу, меняет форму сигнала незначительно.) 3.7. Задавшись значением дискрета, равным 420 мВ на входе ИКМ-кодера при (х=255 и максимальном уровне 2 В, определите следующее: а) кодовую комбинацию для компрессирования по закону ц=255; б) линейное представление этой комбинации; в) кодовую комбинацию, сформированную по закону А и полученную путем преобразования из комбинации, сформированной по закону ц=255; г) кодовую комбинацию, сформированную по закону ц и полученную путем обратного преобразования из кодовой комбинации, сформированной по закону А. 3.8. Определите кодовую комбинацию, соответствующую линейной сумме значений, отраженных в следующих кодовых комбинациях, сформированных по закону ц=255: О ПО 1001 и 1 011 0111. 3.9. Разработайте таблицу кодирования (т. е. соответствия шагов квантования и кодовых комбинаций) для величин сигнала при линейно-ломаной характеристике с тангенсами угла наклона сегментов, равными 1, 1/2, 1/4, 1/8. Примем, что в каждом сегменте содержатся четыре одинаковые шага. Примем, что в первом сегменте всё шаги имеют одинаковые размеры (как при кодировании по закону А). 3.10. Каково отношение сигнал-щум квантования для дискрета с амплитудой, охватывающей весь диапазон кодирования, в кодере, выполненном согласно задаче 3.9? 3.11. Каково отношение сигнал-шум квантования для дискрета с максимальной в пределах первого сегмента амплитудой? Кодер тот же, что и в предыдущей задаче. . . 3.12. Каков динамический диапазон в задачах 3.10 и 3.11? 3.13. Для кодера в задаче 3.9 определите число разрядов, необходимых для равномерного квантования с тем же динамическим диапазоном и с тем же размером минимального шага квантования. 3.14. Система ИКМ с равномерным квантованием предназначена для кодирования сигналов в диапазоне от -8159 до 4-8159 с шагами квантования, равными 2. (Шаг квантования в начале координат простирается от -1 до --1.) Сигналы кодируются с использованием формата кодирования, симметричного относительно абсолютного значения сигнала, причем разряд полярности принят равным единице для отрицательных сигналоа а) Сколько разрядов требуется для кодирования всего диапазона сигналов? б) Сколько имеется неиспользованных кодовых комбинаций? в) Определите шум квантования и его мощность, а также отношение сигнал-шум (в децибелах) для каждого из следующих значений дискретов: 30,2; 123,2; -2336,4; 8080,9. 3.15. Повторите часть в) задачи 3.14 для ИКМ с линейно-ломаной характеристикой при (1=255. 3.16. Для двух заданных кодовых комбинаций, образованных в соответствии с линейно-ломаной характеристикой по закону А (00110110 и 00101100), определите их линейные представления, сложите их и преобразуйте снова к представлению в компрессированном виде. 3.17. В каналообразующем блоке типа D3 для сигнализации частично используется бит, занятый для речевого сигнала, а именно, для сигнализации в течение каждого шестого цикла занимается наименее значащий разряд. Определите относительное увеличение шума квантования, вызванное этим процессом, при следующих условиях: а) в декодере эти биты сигнализации считаются речевыми битами и декодируются в составе ИКМ-дискретов; б) известно, какие из битов в декодере являются битами сигнализации, в результате чего на выходе декодера устанавливается дискрет со значениями, соответствующими середине шага квантования двойного размера, определяемого семью оставшимися разрядами. (Это фактически и реализовано в декодерах каналообразующих блоков типа D3.) 3.18. Добавив два разряда на дискрет в цифровом потоке ИКМ сигналов, насколько можно увеличить динамический диапазон, если шаги квантования подстроены таким образом, чтобы ОСШК увеличилось на 3 дБ? ГЛАВА 4 ЦИФРОВЫЕ ПЕРЕДАЧА И ГРУППООБРАЗОВАНИЕ Основное внимание при разработке цифровых систем передачи уделяется выбору конечного семейства дискретных электрических сигналов для кодирования информации. В этой главе под сигналами понимаются электрические колебания (импульсы), используемые в системе для передачи информации, а не управляющая информация (сигнализация), используемая для установления и контроля соединений в сети. В терминологии теории связи под обработкой сигнала понимаются фильтрация, формирование и преобразование электрических сигналов, но не обработка управляющих сигналов процессором коммутационной станции. Второй аспект цифровой передачи включает в себя установление определенных временных соотношений между передаваемыми сигналами. Передающее оконечное устройство осуществляет передачу 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 |
|