Б) и в) — в азимутальной и меридиональной плоскостях

Для радиосвязи и радиовещания на значительные расстояния (тысячи километров) используются декаметровые радиоволны. Особенности их распространения таковы, что антенны должны сформировывать направленное излучение с максимумом излучения под некоторым углом к поверхности Земли. Самыми распространенными типами передающих антенн, отвечающими этим требованиям, являются проволочныеантенны: вибраторные, ромбические и синфазные в виде решетки из вибраторов, возбужденных определенным образом. Простейшая из этих антенн — горизонтальный симметричный вибратор — показана на рис. 12.4.

Рис. 12.4. Проволочная антенна — вибратор горизонтальный диапазонный

На местных радиолиниях протяженностью 50...100 км также используются в основном декаметровые радиоволны и простые антенны в виде вертикально подвешенного провода (Т- и Г-образные).

Диапазон метровых радиоволн используется главным образом для организации телевизионного и звукового вещания, а также для связи с подвижными объектами в пределах определенной зоны обслуживания. Передающие антенны, как правило, должны создавать ненаправленное излучение в горизонтальной плоскости.

Диапазоны дециметровых, сантиметровых и более коротких радиоволн применяются для организации радиорелейной связи. Антенны, устанавливаемые на радиорелейных линиях, должны обладать высокой направленностью, их диаграммы направленности должны иметь «игольчатую форму» (рис. 12.5). Наиболее распространены апертурные (зеркальные) антенны. Схема простейшей из них — параболической антенны — приведена на рис. 12.6. Особенность распространения метровых, дециметровых, сантиметровых и более коротких радиоволн такова, что антенны необходимо размещать на специальных опорах высотой десятки и даже сотни метров.

Рис. 12.5. Диаграмма направленности «игольчатой формы»

Особенности приемных антенн различных диапазонов. Антенна — устройство обратимое. Если антенна хорошо излучает радиоволны, то она хорошо их и принимает. Форма диаграммы направленности антенны не зависит от того, работает она на передачу или на прием. Содержание понятия «диаграмма направленности» для приемной антенны несколько отличается от приведенного выше для передающей антенны. Это график зависимости напряжения на входе радиоприемника от направления прихода принимаемой электромагнитной волны.

В качестве приемных антенн в километровом и гектометровом диапазонах используется рамочная антенна. В декаметровом диапазоне наиболее распространена антенна «бегущая волна». Антенна «волновой канал» является типичной для диапазона метровых волн, в частности для приема телевизионных сигналов. В диапазоне дециметровых и сантиметровых волн антенны являются обычно приемопередающими. Характерная схема одной из таких антенн показана на рис. 12.6.

Электрическая цепь и вспомогательные устройства, с помощью которых энергия радиочастотного сигнала подводится от радиопередатчика к антенне или от антенны к радиоприемнику, называется фидером. Передающие антенны, используемые в километровом и гектометровом диапазонах радиоволн, соединяются с радиопередатчиком с помощью многопроводных коаксиальных фидеров. В декаметровом диапазоне фидеры обычно выполняются в виде проволочных двух- или четырехпроводных линий.

Рис. 12.6. Принцип построения однозеркальной параболической антенны

К антеннам метровых радиоволн энергия обычно подводится с помощью коаксиального кабеля. На более коротких волнах, в частности в сантиметровом диапазоне, фидер выполняется в виде полой металлической трубы — волновода прямоугольного, эллиптического или круглого сечения.

В связи с наблюдающейся тенденцией умощнения передающих радиостанций, работающих в диапазонах километровых, гектометровых и декаметровых радиоволн, очень важным представляются вопросы конструирования антенн и фидеров с повышенной электрической прочностью, т.е. разработка конструкций, способных работать со сверхмощными радиопередатчиками.

Значительный интерес представляет разработка устройств, обеспечивающих возможность подключения к одной антенне нескольких мощных радиопередатчиков, работающих на разных частотах.

Для радиоприема на декаметровых волнах перспективным представляется создание устройств, позволяющих управлять диаграммой направленности приемных антенн в соответствии с изменением направления угла прихода радиоволны. Следует ожидать, что в дальнейшем антенны с электрически управляемыми характеристиками займут доминирующее положение во многих областях антенной техники. Антенны радиорелейных линий совершенствуются в части увеличения концентрации энергии в главном направлении и снижения излучения в направлениях, несовпадающих с главным.

Радиорелейные системы передачи

Радиосистема передачи, в которой сигналы электросвязи передаются с помощью наземных ретрансляционных станций, называется радиорелейной системой передачи (рис. 12.7).

Рис. 12.7. Принцип радиорелейной связи

На частотах ОВЧ- и СВЧ-диапазона надежная связь с низким уровнем помех может быть получена только в условиях прямой видимости между антеннами, излучающими радиоволны. Расстояние между антеннами радиорелейных систем зависит от структуры земной поверхности и высоты антенн над ней. Типичные расстояния составляют 40…50 км при высотах башен и мачт, на которых устанавливаются антенны, около 100 м. Ограниченность расстояния прямой видимости не следует рассматривать как недостаток. Именно за счёт невозможности свободного распространения радиоволн на большие расстояния устраняются взаимные помехи между радиорелейными системами передачи внутри одной страны и разных стран. Кроме того, в указанных диапазонах практически отсутствуют атмосферные и промышленные помехи.

Антенны могут работать в режиме передачи и приема для одновременной передачи в противоположных направлениях с использованием двух частот: f₁ и f₂. При этом, если станция передает сигнал на частоте f₁ и принимает на частоте f₂, то соседние с ней станции передают на частоте f₂, а принимают на частоте f₁. Эта пара частот, соответствующая двухчастотному плану частот МСЭ-Р, образует радиочастотный ствол.

Радиорелейные линии (РРЛ) занимают диапазоны ОВЧ и СВЧ, причем граница между аналоговыми и цифровыми радиорелейными системами (РРС) лежит вблизи частоты 11 ГГц.

Рис. 12.8. Приёмопередающая аппаратура с усилением на СВЧ и преобразованием частоты

Аналоговые РРС предназначены в основном для передачи многоканальных телефонных сигналов в аналоговой форме и сигналов данных с низкой и средней скоростью по каналам ТЧ, а также сигналов телевидения. Цифровые РРС используются для организации цифровых трактов со скоростями от 2 до 140 Мбит/с.

Большинство станций РРЛ составляют промежуточные радиостанции (ПРС), играющие роль активных ретрансляторов. На всех станциях РРЛ целесообразно иметь однотипную, унифицированную приемопередающую аппаратуру (ППА), удовлетворяющую требованиям заданного частотного плана.

Перспективным вариантом построения ППА является вариант с усилением на СВЧ и преобразованием частоты (рис. 12.8). Недостатком подобной схемы является необходимость обработки сигнала на СВЧ.

Наиболее часто используется ППА, в которой обработка сигналов производится на промежуточной частоте f_пч (рис. 12.9). Номинальное значение f_пч выбирается в соответствии с рекомендациями МСЭ-Р и обычно составляет 70 МГц.

Применение промежуточной частоты для обработки сигнала позволяет унифицировать аппаратуру усиления сигнала, а также ввода и вывода информационных сигналов на промежуточных, узловых и оконечных станциях.

Рис. 12.9. Приёмопередающая аппаратура с обработкой на промежуточной частоте

Тропосферные радиорелейные системы передачи

Тропосфера — нижняя часть атмосферы Земли (см. рис. 5.11). В тропосфере всегда есть локальные объемные неоднородности, вызванные различными физическими процессами, происходящими в ней. Волны диапазона 0,3...5 ГГц способны рассеиваться этими неоднородностями. Принцип образования тропосферных радиоволн условно показан на рис. 12.10.

Учитывая, что неоднородности находятся на значительной высоте, нетрудно представить, что рассеянные ими радиоволны могут распространяться на сотни километров. Это дает возможность разнести станции на расстояние 200...400 км друг от друга, что значительно больше расстояния прямой видимости.

Линии на основе тропосферных радиорелейных систем передачи строятся, как правило, в труднодоступных и удаленных районах.

Значительные расстояния между станциями, безусловно, выгодны при организации протяженных линий, поскольку требуется меньшее число станций. Однако за счет глубоких замираний из-за неустойчивости пространственно-временной структуры тропосферы и крайне малой мощности радиосигнала в точке приема организация хорошего качества связи и значительного количества каналов затруднена.

Радиосистемы передачи на декаметровых волнах

Радиосистема передачи, в которой используется отражение декаметровых волн от ионосферы, называется ионосферной системой передачи на декаметровых волнах.

В ионосфере (рис. 5.11) происходит, строго говоря, не отражение радиоволны, а поворот ее траектории за счет неоднородности диэлектрических свойств вертикального профиля ионосферы. Траектория распространения радиоволн от одной точки на поверхности Земли к другой с одним отражением от ионосферы называется ионосферным скачком. Расстояние между пунктами приема и передачи, измеренное вдоль поверхности Земли, составляет около 2000 км. Траектория распространения радиоволн может быть образована несколькими ионосферными скачками. Условия распространения радиоволн, а следовательно, и качество радиосвязи зависят от состояния ионосферы, определяемого временем года, суток и циклом солнечной активности.

Рис. 12.10. Принцип тропосферной радиосвязи

В результате ионосферные системы передачи на декаметровых волнах не позволяют организовать большого числа каналов, и обычно количество каналов не превышает одного-двух телефонных или нескольких телеграфных.

Радиосистемы, использующие ионосферное рассеяние радиоволн

и отражение от следов метеоров

Радиосистема передачи, в которой используется рассеяние метровых волн на неоднородностях ионосферы, называется ионосферной системой передачи на метровых волнах. Образование ионосферных волн в метровом диапазоне во многом сходно с образованием тропосферных волн. Разница заключается в том, что рассеяние происходит не в тропосфере, а в ионосфере на высоте 75...95 км. Предельная дальность связи в этом случае 2000...3000 км, наиболее подходящие частоты 40...70 МГц. При ионосферном рассеянии в пункт приема приходит только ничтожная часть излучаемой энергии, что вынуждает использовать мощные радиопередатчики и большие по размеру антенны. Такие системы позволяют организовать с удовлетворительным качеством до трех телефонных каналов.

В атмосферу Земли непрерывно проникают потоки мелких космических частиц — метеоров. Большинство из них сгорает на высоте 80...120 км, образуя ионизированные следы. Протяженность следа 10...25 км, а время существования от 5 мс до 20 с. Радиосистемы, использующие отражения от следов метеоров, работают в диапазоне 30...70 МГц. Время прохождения радиосигналов при метеорной связи составляет только 2...4 ч в сутки.

Обычно с помощью этих радиосистем организуется передача телеграфных сигналов, причем таких, для которых задержка в передаче не играет существенной роли. Метеорные системы передачи применяются для дублирования ионосферных систем на декаметровых волнах в полярных широтах, для связи в метеорологической службе и некоторых других целей.

Спутниковые системы связи

23 апреля 1965 года был запущен на высокую эллиптическую орбиту первый отечественный спутник связи «Молния-1», который ознаменовал становление в нашей стране спутниковой радиосвязи. Почти одновременно в США был запущен на геостационарную орбиту первый спутник коммерческой связи «Intelsat-1».

Таким образом, была реализована заманчивая идея резкого увеличения дальности радиосвязи благодаря размещению ретранслятора высоко над поверхностью Земли, что позволило обеспечить одновременную радиовидимость расположенных в разных точках обширной территории радиостанций. Преимуществами систем спутниковой связи (ССС) являются большая пропускная способность, глобальность действия и высокое качество связи.

Конфигурация ССС зависит от типа искусственного спутника Земли (ИСЗ), вида связи и параметров земных станций. Для построения ССС используются в основном три разновидности ИСЗ (рис. 12.11) — на высокой эллиптической орбите (ВЭО), геостационарной орбите (ГСО) и низковысотной орбите (НВО). Каждый тип ИСЗ имеет свои преимущества и недостатки.

Примером ИСЗ с ВЭО могут служить отечественные спутники типа «Молния» с периодом обращения 12 часов, наклонением 63°, высотой апогея над северным полушарием 40 тысяч км. Движение ИСЗ в области апогея замедляется, при этом длительность радиовидимости составляет 6...8 ч. Преимуществом данного типа ИСЗ является большой размер зоны обслуживания при охвате большей части северного полушария. Недостатком ВЭО является необходимость слежения антенн за медленно дрейфующим спутником и их переориентирования с заходящего спутника на восходящий.

Рис. 12.11. Виды орбит ИСЗ

Уникальной орбитой является ГСО — круговая орбита с периодом обращения ИСЗ 24 часа, лежащая в плоскости экватора, с высотой 35875 км от поверхности Земли. Орбита синхронна с вращением Земли, поэтому спутник оказывается неподвижным относительно земной поверхности. Достоинства ГСО: зона обслуживания составляет около трети земной поверхности, трех спутников достаточно для почти глобальной связи, антенны земных станций практически не требуют систем слежения. Однако в северных широтах спутник виден под малыми углами к горизонту и вовсе не виден в приполярных областях.

«Низколеты» запускаются на круговые орбиты, плоскость которых наклонена к плоскости экватора (полярные и квазиполярные орбиты) с высотой порядка 200..2000 км над поверхностью Земли. Запуск легкого ИСЗ на низкую орбиту может быть осуществлен с помощью недорогих пусковых установок. Однако скорость перемещения ИСЗ относительно поверхности Земли достаточно велика, в результате длительность сеанса от восхода спутника до его захода не превышает несколько десятков минут.

Диапазоны рабочих частот систем СС регламентированы МСЭ-Р, различны для участков Земля-ИСЗ и ИСЗ-Земля и лежат в пределах 2…40 ГГц.

Для систем СС существуют некоторые особенности передачи сигналов:

· запаздывание сигналов — для геостационарной орбиты около 250 мс в одном направлении. Является одной из причин появления эхо-сигналов при телефонных переговорах;

· эффект Доплера — изменение частоты сигнала, принимаемого с движущегося источника. Для скоростей много меньших скорости света v_r/c << 1 изменение частоты составляет f = f₀/(1± v_r/c). Наиболее сильно эффект Доплера проявляется для ИСЗ, использующих негеостационарные орбиты.

В зависимости от назначения системы СС и типа земных станций регламентом МСЭ различаются следующие службы:

§ фиксированная спутниковая служба для связи между станциями, расположенными в определенных фиксированных пунктах, а также распределения телевизионных программ;

§ подвижная спутниковая служба для связи между подвижными станциями, размещаемыми на транспортных средствах (самолетах, морских судах, автомобилях и пр.);

§ радиовещательная спутниковая служба для непосредственной передачи радио и телевизионных программ на терминалы, находящиеся у абонентов.

Фиксированная спутниковая служба (ФСС). На начальном этапе развития ФСС развивалась в направлении создания систем магистральной связи с применением крупных земных станций с диаметрами зеркала антенн порядка 12...30 м. В настоящее время функционирует около 50 систем ФСС. Развитие ФСС идет по направлениям увеличения срока службы ИСЗ, повышения точности удержания ИСЗ на орбите, разработки и совершенствования многолучевых антенн, а также возможности работы на антенны земных станций с апертурой сверхмалого диаметра (1,2...2,4 м) (системы VSAT — Very Small Aperture Terminal).

Подвижная спутниковая служба (ПСС). В силу международного характера работы транспорта для его управления создаются международные системы глобальной спутниковой связи, например, система морской спутниковой связи «Inmarsat», которая введена в действие в 1982 году. Функционально она содержит геостационарные спутники, расположенные над Атлантическим, Индийским и Тихим океанами; береговые станции, установленные на различных континентах, и разветвленную сеть судовых станций различных стандартов. В настоящее время системой «Inmarsat» пользуется более 15 тысяч судов.

Успехи в космических технологиях последних лет, а также достижения в микроэлектронике, появление эффективных алгоритмов параметрического ком­пандирования речевых сигналов, разработка лазерных линий межспутниковой связи вызвали большой интерес к использованию легких низколетящих ИСЗ для ПСС. Поддержание большой (десятки аппаратов) группировки ИСЗ на НВО для обеспечения непрерывности связи оказывается экономически целесообразно, во-первых, ввиду упоминавшейся выше относительно малой стоимости вывода спутника на НВО и, во-вторых, в связи возможностью создания систем с малогабаритными абонентскими станциями, имеющими изотропные антенны.

Различают два типа ССС с НВО. В наиболее простых из них пакеты информации передаются через ИСЗ-ретранслятор непосредственно или с задержкой на время пролета по трассе. Второй тип систем обеспечивает непрерывную связь. Зоны радиовидимости отдельных ИСЗ объединяются в единое информационное пространство.

Радиовещательная спутниковая служба (РСС). РСС реализует одно из основных направлений развития телекоммуникаций — персонализацию, т.е. телевизионные программы принимаются непосредственно на индивидуальные приемники абонентов. МСЭ утвердил международный план спутникового ТВ вещания в диапазоне 12 ГГц. В планах зафиксированы точки стояния ИСЗ на ГСО, номера частотных каналов, параметры бортовой передающей аппаратуры.

Формирование цифрового сигнала из аналогового предусматривает последовательное выполнение следующих трех основных операций:

1. дискретизация аналогового сигнала по времени, в результате чего формируется импульсный сигнал, промодулированный по амплитуде, т.е. АИМ-сигнал;

2. квантование АИМ-сигнала по уровню;

3. кодирование отсчетов АИМ-сигнала.

В цифровых системах передачи (ЦСП) формируется групповой цифровой сигнал, иначе называемый сигналом импульсно-кодовой модуляции (ИКМ). При формировании группового ИКМ-сигнала добавляется еще одна операция: перед квантованием по уровню производится объединение индивидуальных АИМ-сигналов (рис. 13.1).

Рис. 13.1. Преобразование аналогового сигнала в цифровой ИКМ-сигнал

Преобразование ИКМ-сигнала в аналоговый предусматривает последовательное выполнение основных операций:

· декодирование (преобразование ИКМ-сигнала в АИМ);

· восстановление аналогового сигнала (выделение из спектра АИМ-сигнала исходного сигнала).

В ЦСП соответствующие операции обработки производятся отдельными устройствами. Операции квантования и кодирования в ЦСП обычно объединяют в одном устройстве.

Дискретизация сигнала во времени

В процессе формирования АИМ сигнала осуществляется дискретизация непрерывного (аналогового) сигнала во времени в соответствии с известной теоремой дискретизации (теоремой В.А. Котельникова): любой непрерывный сигнал, ограниченный по спектру верхней частотой F_В полностью определяется последовательностью своих дискретных отсчетов, взятых через промежуток времени T_Д = ½F_В, называемый периодом дискретизации. В соответствии с ним частота дискретизации, т.е. следования дискретных отсчетов, выбирается из условия F_Д ≥ 2F_В.

Поскольку все реально существующие непрерывные сигналы связи представляют собой случайные процессы с бесконечно широким спектром, причем основная энергия сосредоточена в относительно узкой полосе частот, перед дискретизацией необходимо с помощью фильтра нижних частот ограничить спектр сигнала некоторой частотой F_В. Для телефонных сигналов необходимо использовать ФНЧ с частотой среза F_В = 3,4 кГц. Частота дискретизации для телефонных сигналов выбрана равной 8 кГц.

Рис. 13.2. Устройство выборки и хранения

Устройство, выполняющие дискретизацию во времени, называют устройством выборки и хранения (УВХ) (рис. 13.2). УВХ могут выпускаться в интегральном исполнении. Вид сигналов в точках 1, 2 и 3 УВХ показан, соответственно, на рис. 13.3, рис. 13.4 и рис. 13.5.

Квантование мгновенных значений сигнала

В процессе квантования по уровню значение каждого АИМ-отсчета заменяется ближайшим разрешенным значением.

Характеристиками квантующего устройства являются следующие:

- число уровней квантования N_кв;

- шаг квантования δ — разность между двумя соседними разрешенными уровнями;

- напряжение ограничения U_огр — максимальное значение амплитуды отсчета, подвергаемого квантованию.

Если δ = const, то квантование называют равномерным. Амплитудная характеристика равномерного квантователя показана на рис. 13.6.

Ошибка квантования — разность между истинным значением отсчета и его квантованным значением. При равномерном квантовании величина ошибки квантования не превышает половины шага квантования.

При квантовании возникает так называемый шум квантования, мощность которого определяется выражением P_ш.кв = δ²/12. Защищенность от шумов квантования определяется как А_з.кв = 10lg(P_с/P_ш.кв).

Если входное напряжение выше порогового, на выходе квантователя формируются отсчеты с амплитудой U_огр — такой режим работы квантователя называется перегрузкой. При этом возникают шумы ограничения, мощность которых значительно превышает мощность шумов квантования. Необходимо применять специальные меры, предотвращающие перегрузку квантователя.

Недостатком равномерного квантования является меньшая защищенность от шумов квантования малых уровней сигнала.

Для обеспечения А_з.кв не менее 30 дБ во всем динамическом диапазоне речевого сигнала требуется 2¹² = 4096 уровней квантования.

Большое число разрядов в коде (m=12) при равномерном квантовании приводит к усложнению аппаратуры и неоправданному увеличению тактовой частоты. Устранить указанный существенный недостаток можно, осуществляя неравномерное квантование, которое используется в современных ЦСП. Сущность неравномерного квантования заключается в следующем. Для малых значений сигналов шаг квантования выбирается минимальным и постепенно увеличивается, достигая максимального для больших значений сигналов. Амплитудная характеристика неравномерного квантователя показана на рис. 13.7.

При этом для слабых сигналов Р_ш.кв уменьшается, а для сильных — возрастает, что приводит к увеличению А_з.кв для слабых сигналов и снижению А_з.кв — для сильных, которые имели большой запас по помехозащищенности. В результате удается снизить разрядность кода до m=8 (N_кв=256), обеспечив при этом выполнение требований к защищенности от шумов квантования в широком динамическом диапазоне сигнала D_с, составляющем около 40 дБ. Таким образом происходит выравнивание А_з.кв в широком диапазоне изменения уровней сигнала.

Эффект неравномерного квантования может быть получен с помощью сжатия динамического диапазона сигнала с последующим равномерным квантованием. Сжатие динамического диапазона сигнала осуществляется с помощью компрессора, обладающего нелинейной амплитудной характеристикой. Чем большей нелинейностью обладает компрессор, тем больший выигрыш может быть получен для слабых сигналов.

Для восстановления исходного динамического диапазона сигнала на приеме необходимо установить экспандер (расширитель), амплитудная характеристика которого должна быть обратной амплитудной характеристике компрессора. Таким образом, результирующая (суммарная) амплитудная характеристика цепи компрессор-экспандер (компандер), должна быть линейной во избежание нелинейных искажений передаваемых сигналов.

В современных ЦСП находят применение две логарифмические характеристики компандирования (типов А и μ ), которые удобно изображать и описывать в нормированном виде у = f(х), где у = U_вых/U_огр, x = U_вх/U_огр:

где А = 87,6 и μ = 255 — параметры компрессии.

Характеристика компандирования типа А используется в ЦСП, соответствующих европейской ПЦИ, а типа μ — в ЦСП, соответствующих североамериканской ПЦИ.

Кодирование и декодирование сигналов

В процессе кодирования амплитуда каждого квантованного по уровню АИМ отсчета представляется в виде двоичной последовательности, содержащей m символов.

Как говорилось выше, для качественной передачи телефонного сигнала при равномерном и неравномерном квантовании нужно иметь соответственно 4096 и 256 уровней квантования, т.е. необходимо использовать 12- и 8-разрядный двоичный код.

Линейным кодированием называется кодирование равномерно квантованного сигнала, а нелинейным — неравномерно квантованного сигнала.

Код, формируемый в кодере, называется параллельным, если импульсные сигналы (1 и 0), входящие в состав m-разрядной кодовой группы, появляются на разных выходах кодера одновременно, причем каждому выходу кодера соответствует сигнал определенного разряда. Код называется последовательным, если все сигналы, входящие в состав m-разрядной кодовой группы, появляются на одном выходе кодера поочередно со сдвигом по времени (обычно начиная со старшего по весу разряда). Параллельный код может преобразовываться в последовательный и наоборот.

Часто функции квантования и кодирования (соответственно декодирования и деквантования) выполняет одно устройство.

При кодировании с неравномерной шкалой квантования могут использоваться следующие способы:

1. аналоговое компандирование, характеризующееся компрессией (сжатием) динамического диапазона сигнала перед линейным кодированием, и экспан­дированием (расширением) динамического диапазона сигнала после линейного декодирования;

2. нелинейное кодирование, характеризующееся кодированием сигнала в нелинейных кодерах, сочетающих функции аналого-цифрового преобра­зования и компрессора;

3. цифровое компандирование, характеризующееся кодированием сигнала в линейном кодере с большим числом разрядов с последующей нелинейной цифровой обработкой результата кодирования.

На практике наиболее часто используется нелинейное кодирование.

Рис. 13.8. Структурная схема ЦАП

При частоте дискретизации F_Д = 8 кГц (T_Д = 125 мкс) и разрядности кода m = 8 получаем скорость передачи сформированного ИКМ-сигнала 64 кбит/с, которая и является скоростью основного цифрового канала (ОЦК). Преобразование аналогового сигнала в сигнал ИКМ стандартизировано МСЭ-Т Рекомендацией G-711.

Устройства, в целом выполняющие преобразования аналоговых сигналов в цифровые и обратно, называются, соответственно, аналого-цифровыми (АЦП) и цифро-аналоговыми преобразователями (ЦАП).

Примеры построения ЦАП и АЦП приведены на рис. 13.8 и рис. 13.9 соответственно.

Рис. 13.9. Структурная схема АЦП

Методы разностного квантования аналоговых сигналов

Между соседними отсчетами речевого сигнала имеется значительная корреляция, которая слабо убывает по мере увеличения интервала между отсчетами. Это означает, что речевой сигнал изменяется медленно и разность между соседними отсчетами будет иметь меньшую дисперсию, чем исходный сигнал, что позволяет применять методы разностного квантования речевого сигнала (рис. 13.10), где z — входной сигнал; ž — оценка предсказанного значения входного сигнала; ẑ — квантованный входной сигнал; d — ошибка предсказания; đ — квантованная ошибка предсказания; e — ошибка квантования; d = z – ž; ẑ = ž + đ. Учитывая, что đ = d + e и d = z – ž , получим ẑ = z + e .

Линейная дельта-модуляция (ДМ) использует (рис. 13.11) одноразрядный (двух­­уров­невый) квантователь и предсказатель 1 порядка ž(k) = ẑ(k - 1) + đ(k).

При этом входной сигнал квантователя имеет вид:

d(k) = z(k) – ž(k – 1) = z(k) – z(k – 1) – e(k – 1) .

Рис. 13.10. Структурная схема кодера разностного квантования

Восстановление аналогового сигнала из сигнала линейной ДМ осуществляется суммированием шага квантования.

Рис. 13.11. Линейная дельта-модуляция: аналоговый сигнал (кривая 1) и

сигнал квантователя линейной ДМ (кривая 2)

Линейная ДМ технически реализуется относительно просто, но обладает рядом недостатков:

- перегрузка по крутизне;

- шум дробления (шум незанятого канала).

Кроме того, для обеспечения приемлемого качества восстановления речевого сигнала требуется высокая скорость преобразования (передачи) — порядка 200 кбит/с.

Адаптивная ДМ. Шаг квантования меняется в зависимости от крутизны исходного сигнала от минимального до максимального значения. Возможны различные схемы (алгоритмы) адаптивной модуляции. Отслеживается выходной поток квантователя — при чередовании 0 и 1 шаг уменьшается, при последовательных 0 или 1 шаг увеличивается. Данный вид модуляции не получил широкого применения.

Дальнейшим развитием систем разностного квантования является адаптивная дифференциальная ИКМ. Методы адаптации распространяются как на квантователь, так и на предсказатель. Осуществляется передача цифровых представлений адаптивного шага и коэффициентов предсказателя. Удовлетворительные результаты были получены при скорости передачи 32 и 24 кбит/с. МСЭ-Т стандартизировал данный вид модуляции в Рекомендации G.726 для скорости передачи 32 кбит/с.

Параметрическое компандирование речевых сигналов

Речевой сигнал, как процесс, протекающий во времени, характеризуется рядом параметров, которые также являются функциями времени. Параметры, описывающие речевой сигнал, изменяются значительно медленнее, чем процесс в целом. Если по каналу связи передавать не сам речевой сигнал, а информацию об описывающих его параметрах, то для этого потребуется канал связи с меньшей пропускной способностью.

Если речевой сигнал представлен в виде совокупности медленно меняющихся параметров, то говорят о его параметрическом компандировании. На базе параметрического компандирования строятся вокодерные системы (voice coder). Обычно к параметрическим (вокодерным) относят системы, требующие скорости передачи меньшие 16 кбит/с.

Выделение и кодирование параметров речевых сигналов требует применения сложных алгоритмов цифровой обработки сигналов. Обычно, для обеспечения меньшей скорости передачи требуется применение более сложных алгоритмов, т.е. более производительных процессоров.

Таблица 13.1

Рис. 13.12. Зависимость средней субъективной оценки (MOS) от вида