1.2. ПРЕОБРАЗОВАНИЕ АНАЛОГОВЫХ СИГНАЛОВ В ЦИФРОВУЮ ФОРМУ

Одним из основных элементов оборудования ЦСС является аппаратура преобразования аналоговых сигналов в цифровую форму (АЦП) и обратного преобразования (ЦАП). Этот элемент тракта важен для обеспечения качественных показателей передачи аналоговых сигналов по ЦССС, так как цифровая линия практически не влияет на качественные показатели передаваемых сигналов. Кроме того, выбор типа АЦП непосредственно влияет и на пропускную способность ЦССС, так как разные типы АЦП при примерно одинаковых качественных показателях аналогового сигнала на выходе системы АЦП - ЦАП требуют разной скорости передачи цифрового сигнала и обладают разной чувствительностью к ошибкам в цифровом канале. К этому следует добавить, что выбор типа помехоустойчивого кодирования, а иногда и метода модуляции также зависит от вида АЦП. Вышесказанное подтверждается большим числом публикаций по исследованию методов АЦП различных аналоговых сигналов применительно к цифровым ССС, а также разработкой аппаратуры для цифровых ССС с использованием различных методов АЦП. К наиболее распространенным АЦП для международных и национальных ЦССС в настоящее время можно отнести ИКМ, дифференциальную ИКМ (ДИКМ), адаптивную ИКМ (АИКМ) и дельта-модуляцию (ДМ). Краткому описанию принципов действия этих АЦП, их характеристик и сравнению их параметров посвящен настоящий параграф.

ИКМ - преобразование. Это наиболее распространенный вид АЦП аналоговых сигналов, принцип действия которого

Рис. 1.2. К пояснению принципа дискретизации по времени и по уровню

и характеристики отражены в литературе [5,6]. Напомним основы ИКМ и приведем основные параметры ИКМ систем, нормированные в рекомендациях МККТТ.

Первый этап ИКМ - представление аналогового сигнала с ограниченным спектром временными отсчетами, основанное на теореме В. А. Котельникова, согласно которой сигнал с ограниченным спектром частот можно полностью представить совокупностью отсчетов, взятых через интервалы времени с тактовой частотой, по крайней мере вдвое превышающей наивысшую частоту спектра сигнала

Это соотношение показывает, что для восстановления исходного сигнала по совокупности отсчетов взятых с частотой их следует пропустить на приеме через идеальный ФНЧ с полосой который имеет импульсную реакцию

Второй этап ИКМ преобразования — квантование аналогового сигнала. При этом непрерывный интервал значений передаваемого сигнала заменяется конечным множеством разрешенных для передачи значений. При равномерном квантовании весь диапазон Мин разбивают на уровней, отстоящих друг от друга на шаг квантования 6, так, что При этом возникает ошибка квантования равная разности между квантованным и истинным значениями сигнала. Процессы временной дискретизации и амплитудного квантования представлены на рис. 1.2 Амплитудная характеристика системы передачи, в которой осуществляется квантование сигнала по уровню, представляет ломаную линию.

Третий этап ИКМ преобразования — кодирование квантованных значений набором двоичных символов, наиболее просто осуществляемое записью номера уровня квантования в виде двоичного числа. Например, уровень 57 из 256 разрешенных уровней будет представлен в виде 00111001. Такое представление оказывается не самым удобным. Другие виды кодирования подробно рассмотрены в [5].

Ошибка квантования является случайной величиной, равномерно распределенной на интервале с дисперсией

(мощностью шума квантования) Искажения квантования оцениваются отношением мощности сигнала к мощности шума квантования Для гармонического сигнала с амплитудой мощность и отношение

Максимальное значение будет при . В этом случае

В [5,6] приведены аналогичные формулы для случайных входных сигналов с различными видами плотности вероятности мгновенных значений. В частности, при нормальном распределении входного сигнала получаем

Как следует из формулы (1.1), уменьшение мощности передаваемого сигнала приводит к снижению отношения сигнал-шум. Однако увеличение также ухудшает отношение сигнал-шум из-за наступающего при этом режима перегрузки.

В современных ИКМ системах используют неравномерное квантование, при котором малые уровни сигнала квантуются с меньшей ошибкой, чем большие. Изменяя шаг квантования пропорционально уровню входного сигнала, отношение будет сохраняться постоянным при изменениях уровня. Условно неравномерное квантование можно представить как последовательное соединение устройства компрессии входного сигнала с амплитудной характеристикой вида рис. 1.3 и равномерного квантователя, рассчитанного на максимальные уровни Для сохранения постоянства в широком диапазоне входных уровней характеристика компрессии должна быть близка к логарифмической [5]. В ИКМ системах основное применение находят два закона компандирования и Амплитудная характеристика компандера описывается следующими зависимостями для закона

Рис. 1.3. Характеристика компандера А-закона (1 - непрерывная, 2 — 13-сегментная)

Рис. 1.4. Зависимость шумов квантования от уровня сигнала: 1 — А-закон; 2 — -закон

для закона А:

На рис. 1.4 представлены зависимости на выходе ИКМ кодеков для двух приведенных выше законов компандирования при лодаче на их входы сигнала с нормальным распределением. Видно, что закон обеспечивает несколько лучшее качество передачи слабых уровней, что объясняется большей крутизной наклона амплитудной характеристики в области малых уровней.

На практике плавная характеристика законов компандирования аппроксимируется отрезками прямых линий (сегментная аппроксимация). Обычно используют по восемь сегментов с каждой стороны от нулевого уровня. Если при переходе к каждому следующему сегменту шаг квантования удваивается и сохраняется в пределах сегмента, то получается -сегментная характеристика, аппроксимирующая -закон компандирования для Если во втором сегменте шаг квантования такой же, как и в первом, а начиная с третьего удваивается по сравнению с предыдущим и также сохраняется постоянным в пределах каждого сегмента, то получается -сегментная характеристика, аппроксимирующая закон компандирования (см. рис. 1.3).

Международные нормы на основные параметры ИКМ канала телефонного сигнала (сигнала согласно Рекомендациям G.711 и G.712 МККТТ [7]

Частота дискретизации

Число двоичных разрядов на отсчет — 8 (скорость передачи

Законы компандирования

Отношение сигнал-шум квантования при гармоническом входном сигнале с частотой Гц должно быть выше пределов, указанных на рис. 1.5. Отношение сигнал-шум квантования при шумовом входном сигнале должно быть выше пределов, указанных на рис. 1.6.

Псофометрический шум в незанятом канале, не более

В отечественной аппаратуре ИКМ-30 используется компандирование по закону приведены соотношения по переходу от линейного -разрядного кода к

Рис. 1.5. Зависимость отношения сигнал-шум квантования от уровня гармонического входного сигнала

нелинейному по закону -сегментный код). В кодовой комбинации первый символ — знаковый, три следующих определяют номер сегмента, четыре последних — положение отсчета в сегменте.

Приведенные выше нормы рассчитаны на одно ИКМ преобразование. Если во всей линии связи несколько последовательных ИКМ преобразований, то суммарные характеристики могут выйти за указанные выше пределы. В частности, каждое дополнительное ИКМ преобразование увеличивает шумы квантования на 3 дБ.

В спутниковых системах в настоящее время широкое применение нашел метод передачи индивидуального ТЧ канала на отдельной несущей ОКН (см. § 1.2 и §7.2), в котором в качестве АЦП используют также ИКМ с компандированием по закону А, но с числом разрядов 7 (скорость передачи

Рис. 1.6. Зависимость отношения сигнал-шум квантования от уровня входного шумового сигнала

Рис. 1.7. Структурная схема кодека БИКМ: 1 - линейный АЦП; 2 - анализатор старшего разряда в блоке; 3 — ОЗУ; 4 - сумматор; 5 — разделение масштабной и информационной последовательностей; 6 — линейный ЦАП

56 кбит/с), а не 8, как это рекомендует ККТТ. Нормы на такой канал отвечают всем требованиям МККТТ, за исключением отношения которое на ниже, чем это нормировано трафаретами рис. 1.5 и 1.6 для синусоидального и шумового испытательных сигналов. Кроме того, запас на перегрузку установлен равным рекомендует [7]. Выбор -разрядного кода объясняется тем, что качество передачи при -разрядной ИКМ достаточно высокое, а получающееся при этом снижение скорости от 64 кбит/с до 56 кбит/с позволяет пропорционально увеличить пропускную способность ССС. Для стандартного ствола системы «Интелсат» увеличение составляет около 100 каналов ТЧ.