1.6. Цифровая обработка сигналов в передающих терминалах с частотным разделением каналов

На таких телефонных станциях, как где сигналы коммутируются в цифровой форме, необходимо преобразовывать в цифровой вид все аналоговые сигналы, которые должны проходить через станцию. Это относится не только к индивидуальным абонентским линиям, но и к любым линиям с частотным разделением каналов, по которым передаются к станции группы модулированных аналоговых сигналов с одной боковой полосой. Очевидный подход здесь состоит в том, чтобы демодулировать сигналы с одной боковой полосой обычным методом и затем обрабатывать их так же, как сигналы индивидуальных абонентских линий. Однако существует возможность использования цифрового метода обработки на более высоком уровне за счет дискретизации сложного сигнала до его демодуляции и последующего цифрового разделения каналов. (Здесь описывается только приемная часть. Очевидно, что возможен симметричный процесс, т. е. преобразование цифровых речевых сигналов в сигналы с одной боковой полосой.)

В первую очередь следует выяснить, на каком уровне системы с ЧРК нужно производить преобразование. При стандартном уплотнении в телефонной линии речевые сигналы объединяются в 12-канальную группу, далее в 60-канальную супергруппу (5 групп) и 600-канальную сверхгруппу (10 супергрупп). Выбор уровня преобразования будет зависеть от 1) относительной стоимости и трудности кодирования и декодирования различных по объему пакетов сигналов с одной боковой полосой, 2) относительной стоимости цифровой обработки в каждом случае, 3) надежности, которая снижается при увеличении числа каналов, обрабатываемых одним устройством.

В экспериментальной системе, созданной фирмой Bell Laboratories, для преобразования был взят наименьший пакет (т. е. 12-канальная группа), хотя другие исследователи предлагали использовать 60-канальную супергруппу [9].

Рис. 1.3. Получение сигнала с одной боковой полосой методом Уивера.

Следующим важным вопросом является выбор алгоритма цифровой обработки, который должен быть использован для разделения преобразованных в цифровую форму сигналов с одной боковой полосой. Рассматривалось большое число рабочих алгоритмов Окончательный выбор алгоритма в значительной степени будет зависеть от наиболее эффективного согласования между различными алгоритмами и уровнем технологии производства цифровых ИС ко времени создания системы. Поскольку технология ИС постоянно развивается, в настоящий момент трудно предсказать окончательный вариант алгоритма. Одним из эффективных способов, который использовался в упомянутой выше экспериментальной системе, является вариант метода модуляции/демодуляции сигналов с одной боковой полосой, впервые предложенный Уивером [12]; он иллюстрируется на рис. 1.3.

Проще начать рассмотрение с аналогового варианта метода модуляции Уивера (естественно, этот метод относится к аналоговым системам, поскольку Уивер разработал его задолго до появления цифровой обработки сигналов). Кроме того, наиболее удобно рассмотреть устройство сопряжения, в котором сигналы базовой полосы преобразуются в сигналы с одной боковой полосой. Как и раньше, здесь существует абсолютно симметричный обратный процесс. Предполагается, что спектр каждого речевого полосового сигнала заключен в пределах от 100 Гц до 4 кГц.

Сигнал подается параллельно на два модулятора с несущими, сдвинутыми по фазе на 90° и равными средней частоте канала (2 кГц). Полученные спектры изображены на рис. 1.3. Эти спектры являются графическими представлениями преобразований Фурье, в которых перекрывающиеся боковые полосы показаны раздельно (без суммирования). Этот искусственный прием помогает

показать, как различные боковые полосы взаимно уничтожаются в соответствующих точках. Два идентичных фильтра нижних частот (ФНЧ) не пропускают энергию на частотах выше 2 кГц. На втором этапе модуляции полученные ранее комбинации боковых полос переносятся в нужный участок спектра группы полос (стандартная группа в телефонии состоит из 12 полос по 4 кГц, занимая диапазон частот от 60 до 108 кГц). Если теперь сложить два модулированных сигнала, то ненужные боковые полосы взаимно уничтожатся. Степень подавления, конечно, зависит от идентичности коэффициентов передачи для двух подавляемых боковых полос в двух сигнальных ветвях. Отметим, что именно поэтому трудно реализовать этот тип модуляции в системах с аналоговой обработкой сигналов.

Однако стабильность и высокая степень воспроизводимости являются основными достоинствами цифровых схем, а необходимая точность в цифровом варианте модулятора Уивера может быть получена выбором соответствующей длины слова для представления сигналов. Следует также отметить еще одно преимущество метода Уивера, состоящее в том, что подавление ненужной боковой полосы происходит здесь в самом рассматриваемом канале, а не в смежном, как это имеет место в других основных методах получения сигналов с одной боковой полосой частот. Эта особенность значительно снижает требования к степени подавления боковой полосы.

При проектировании цифрового варианта модулятора Уивера, в котором стандартные ИКМ-речевые сигналы с частотой дискретизации 8 кГц преобразуются в аналоговые сигналы с одной боковой полосой частот, необходимо ответить на ряд дополнительных вопросов. Первый вопрос касается того, какой должна быть общая частота дискретизации сигналов. Поскольку наибольшая частота всей группы сигналов равна 108 кГц, частота дискретизации должна бы быть по меньшей мере в два раза выше. Однако есть возможность использовать незанятый участок спектра на частотах ниже 60 кГц, размещая там псевдогруппу сигнала и затем отфильтровывая первое отображение этого сигнала, которое является результатом конечного цифро-аналогового преобразования (ЦАП). Легко убедиться в том, что подойдет любая частота дискретизации в диапазоне от 108 кГц до 2X60=120 кГц. Однако необходимо учесть, что сначала в системе обрабатываются стандартные ИКМ-сигналы, дискретизованные с частотой 8 кГц. Для упрощения синхронизации предпочтительно использовать частоту дискретизации, кратную 8 кГц. Окончательный выбор частоты дискретизации сводится к величине

После этого можно построить цифровой модулятор Уивера, работающий с частотой дискретизации 112 кГц; он аналогичен представленному на рис. 1.3 с той лишь разницей, что аналоговые модуляторы и фильтры заменены на цифровые. Необходимо будет,

конечно, заменить частоту дискретизации на входе с 8 кГц на 112 кГц, используя метод интерполяции отсчетов, описанный, например, в работе [13]. При этом, однако, сложные цифровые фильтры нижних частот должны работать на частоте дискретизации 112 кГц, хотя на самом деле и они, и предшествующие им модуляторы с несущей 2 кГц могли бы нормально работать на базовой входной частоте дискретизации 8 кГц.

Рис. 1.4. Цифровой модулятор Уивера.

Таким образом, имеет смысл переходить с 8 кГц на 112 кГц сразу после ФНЧ, поскольку это в 14 раз снижает количество элементов, необходимых для этих фильтров. Окончательный вариант цифрового модулятора Уивера показан на рис. 1.4. Подробно эта система описана в работах [10, 14].

Грубой оценкой сложности системы цифровой обработки служит число умножений в секунду и требуемая емкость памяти в

битах. Полезно сравнить эти показатели для различных разрабатывавшихся вариантов описанного выше модулятора Уивера. Ниже приводятся данные, соответствующие обработке одного канала.

Четвертый вариант, приводящий к дальнейшему уменьшению числа умножений, слишком сложен для краткого описания. В основе метода лежит сложение 12 каналов на выходе. Операции интерполяции и модуляции на выходе комбинируются таким образом, что математически этот вариант напоминает алгоритм быстрого преобразования Фурье.