Особенности цифровой обработки сигналов

Обработка в компьютерных сетях звуковой, видео-, графической и других видов информации требует преобразования аналоговых (непрерывных) сигналов в дискретные, цифровые при вводе информации в компьютер и обратного преобразования сигналов при ее выводе.

Указанные преобразования сигналов осуществляются также в цифровых системах передачи данных, в которых вся информация, включая и аналоговую, представляется и передается в дискретном (цифровом) виде.

Появление цифровых систем передачи в первую очередь связано со стремлением повысить скорости передачи информации. Так, в аналоговых телефонных сетях предельная скорость передачи информации равна 19200 бит/с. В то же время, в цифровых системах передачи даже по обычной телефонной линии можно передавать данные со скоростью до 2 Мбит/с на расстояние до 1,6 км. При установке повторителей это расстояние может быть увеличено. Применение же оптоволоконных каналов передачи данных обеспечивает надежную высокоскоростную передачу с регенерацией сигналов через 20-30 км.

Естественно, что подключение аналоговых средств к цифровым каналам передачи данных предполагает наличие специальных устройств преобразования аналоговых сигналов в дискретные и обратного преобразования. Однако это не является серьезным препятствием для развития цифровых телекоммуникаций, так как современный уровень микроэлектроники позволяет создавать относительно дешевые малогабаритные преобразователи сигналов. Следует подчеркнуть, что стоимость цифровых коммуникационных устройств меньше, по сравнению с подобными аналоговыми устройствами. Все это является хорошими экономическими предпосылками широкого развития цифровых коммуникационных сетей.

Кроме того, использование цифровых каналов для передачи аналоговых сигналов имеет ряд преимуществ по сравнению с аналоговыми каналами. В частности, цифровые сигналы проще поддаются восстановлению, так как требуется распознать только два состояния сигнала (0 и 1). В отличие от аналоговых эти сигналы можно многократно восстанавливать без внесения дополнительных искажений. Кроме того, цифровые сети обеспечивают более высокий уровень защиты от ошибок. Все это позволяет передавать по ним аналоговую информацию практически без искажений.

Преобразование аналоговых сигналов в цифровые и обратно как в компьютерных сетях, так и в цифровых системах передачи данных выполняется с помощью устройства, называемого кодек (образованного от слов кодер и декодер), основными элементами которого являются аналого-цифровой и цифро-аналоговый преобразователи. Процесс преобразования аналоговых сигналов в цифровые включает съем значений аналогового сигнала, его квантование и кодирование. В технике средств связи преобразования аналоговых сигналов в цифровые принято называть модуляцией (манипуляцией) сигналов. Существуют различные методы модуляции, например, импульсно-кодовая модуляция (рис. 3.5). В этом случае процесс модуляции можно разделить на три этапа. Сначала аналоговый сигнал представляется в виде множества дискретных значений (отображений), каждое из которых называется сигналом в импульсно-амплитудной модуляции.

Рис. 3.5. Преобразование аналоговых сигналов в цифровые

Затем каждому сигналу в зависимости от требуемой точности преобразования присваивается определенное числовое значение в диапазоне от 1 до 128 или от 1 до 256. Этот процесс называется квантованием (оцифровыванием). Полученные числовые значения переводятся в двоичный код. Для отображения значений в диапазоне от 1 до 128 требуется 7 двоичных разрядов (2⁷=128), а в диапазоне от 1 до 256 - 8 двоичных разрядов (2⁸=256).

Принятая в промышленности частота отображений составляет 8000 сигналов в секунду, что позволяет точно восстановить сигнал частотой 4 кГц. Как известно, верхняя частотная граница телефонной линии составляет 3 кГц. Таким образом, используемая частота отображений обеспечивает представление сигналов телефонных линий без искажений. Однако для их передачи в цифровом виде требуются более высокоскоростные каналы, например, при 7 битовом кодировании скорость передачи должна быть 56 Кбит/с (8000·7=56000), а 8 битовом кодировании - 64 Кбит/с.

Для высококачественного представления акустического сигнала необходимо 2048 шагов квантования или, соответственно, 11 бит для кодирования отображения, что требует скорость передачи 88 Кбит/с. Поэтому желательно использовать специальные методы кодирования, уменьшающие количество шагов квантования без снижения качества передаваемого сигнала, таких как метод расширения сигналов и метод нелинейного кодирования.

Кроме импульсно-кодовой модуляции в цифровых сетях используется ряд других методов преобразования аналоговых сигналов, которые можно разделить на два класса: анализ формы волны (огибающей) и параметрическое кодирование.

Анализ огибающей. Метод называются так потому, что в нем проводится анализ амплитуды сигнала, которая потом отображается в цифровые коды. К данному классу относится рассмотренный выше метод импульсно-кодовой модуляции. В настоящее время используются более сложные методы, в частности метод дифференциальной импульсно-кодовой модуляции.

При этом методе передают не фактические отображения, а разницу между соседними отображениями сигнала. Кодирование осуществляется с помощью дифференциального цифрового устройства, которое запоминает каждое предыдущее отображение. Затем измеряется разность между двумя последовательными отображениями, которая и кодируется цифровым образом. Поскольку соседние отображения аналоговых сигналов мало отличаются друг от друга, требуется совсем немного битов для представления разности сигналов и, соответственно, меньшей скорости передачи сигналов, по сравнению с обычной импульсно-кодовой модуляцией.

Особым видом импульсно-кодовой модуляции является дельта-модуляция, при которой для каждого отображения используется только один бит. При дельта-модуляции определяется знак разницы последовательных отображений, затем, если разница увеличивается, то бит устанавливается в единицу, если же разница уменьшается, то бит принимает нулевое значение. Сигнал кодируется как "лесенка" из нисходящих и восходящих последовательностей.

При относительно простой реализации дельта-модуляция требует более частого съема значения аналогового сигнала, чем при импульсно-кодовой и дифференциальной импульсно-кодовой модуляции, поскольку каждое из отображений несет слишком мало информации. При дельта-модуляции предполагается, что форма кодированного сигнала отличается от формы сигнала отображения не более, чем на одну "ступеньку". Однако сигнал может изменяться более быстро, нежели способен реагировать модулятор при создании "ступенек", создавая проблему, именуемую фронтальная перегрузка. И наоборот, медленно меняющийся сигнал также создает искажения, которые называются дробным шумом. В общем, эффекты неточности представления формы аналогового сигнала называют шумом кодирования.

Параметрическое кодирование (вокодеры). В отличие от большинства методов кодирования при параметрическом кодировании форма входного сигнала не сохраняется. Входной сигнал преобразуется в набор параметров, характеризующих его акустические свойства. Полученные значения параметров сравниваются с табличными, среди которых подбираются наиболее близкие к кодируемому сигналу. Эти параметры передаются через канал для последующего воспроизведения акустического сигнала.

Системы с параметрическим кодированием предназначены в основном для кодирования звуковых сигналов и практически не пригодны для сигналов с произвольными характеристиками. Вокодеры обычно используются для записи информационных сообщений, для звукового выхода в персональных компьютерах и в электронных игровых устройствах. Преимущество этого метода заключается в том, что он позволяет осуществлять передачи со скоростью значительно ниже, чем требуется для методов анализа формы волны. Основным недостатком метода параметрического кодирования является более низкое качество воспроизведения звуков.