Дискретна модуляція аналогових сигналів

Однією з основних тенденцій розвитку мережевих технологій є передача в одній мережі дискретних та аналогових за свою природою даних. Джерелами дискретних даних є комп’ютери та інші обчислювальні пристрої, а джерелами аналогових даних ­– телефони, відеокамери, звукова та відео апаратура. На ранніх етапах розв’язання цієї проблеми в територіальних мережах усі типи даних передавалися в аналоговій формі, при цьому дискретні за своїм характером комп’ютерні дані перетворювалися в аналогову форму за допомогою модемів [1, 4, 11, 17].

Однак із розвитком техніки прийому і передачі аналогових даних з’ясувалося, що передача їх в аналоговій формі не дозволяє поліпшити якість прийнятих на іншому кінці лінії даних, якщо вони істотно спотворились при передачі. Сам аналоговий сигнал не дає ніяких вказівок ні про те, що відбулось спотворення, ні про те, як його виправити, оскільки форма сигналу може бути різна, в тому числі і така, котру зафіксував приймач. Поліпшення ж якості ЛЗ, особливо територіальних, вимагає величезних зусиль і капіталовкладень. Тому на зміну аналоговій техніці запису та передачі звуку і зображення прийшла цифрова техніка. Остання використовує так звану дискретну модуляцію вихідних безперервних за часом аналогових процесів.

Дискретні способи модуляції засновані на дискретизації безперервних процесів як за амплітудою, так і за часом. Розглянемо принципи дискретної модуляції на прикладі імпульсно-кодової модуляції, ІКМ (Pulse Amplitude Modulation, РАM), яка широко застосовується в цифровій телефонії.

Амплітуда початкової неперервної функції вимірюється із заданим періодом – за рахунок цього відбувається дискретизація за часом. Потім кожен вимір представляється у вигляді двійкового числа визначеної розрядності, що означає дискретизацію за значеннями функції – неперервна множина можливих значень амплітуди заміняється дискретною множиною її значень. Пристрій, що виконує подібну функцію, називається аналого-цифровим перетворювачем (АЦП). Після цього перетворення сигнали передаються по ЛЗ у вигляді послідовності одиниць і нулів. При цьому застосовуються ті ж методи кодування, що й у випадку передачі початкової дискретної інформації, тобто, наприклад, методи, засновані на коді B8ZS або 2B1Q, На прийомній стороні коди перетворяться у вихідну послідовність біт, а спеціальна апаратура, яка називається цифро-аналоговим перетворювачем (ЦАП), робить демодуляцію оцифрованих амплітуд безперервного сигналу, відновлюючи вхідну неперервну функцію часу.

Дискретна модуляція заснована на теорії відображення Найквіста - Котельнікова. Відповідно до цієї теорії, аналогова неперервна функція, передана у вигляді послідовності її дискретних за часом значень, може бути точно відновлена, якщо частота дискретизації була в два або більше разів вища, ніж частота найвищої гармоніки спектра вихідної функції. Якщо ця умова не дотримується, то відновлена функція буде істотно відрізнятися від вхідної. Перевагою цифрових методів запису, відтворення і передачі аналогової інформації є можливість контролю вірогідності отриманих з носія або ЛЗ даних. Для цього можна застосовувати ті ж методи, що застосовуються для комп’ютерних даних – обчислення контрольної суми, повторна передача спотворених кадрів та застосування кодів, що самокорегуються.

Для якісної передачі голосу в методі ІКМ використовується частота квантування амплітуди звукових коливань у 8000 Гц. Це пов’язано з тим, що в аналоговій телефонії для передачі голосу був обраний діапазон від 300 до 3400 Гц, що досить якісно передає всі основні гармоніки співрозмовників. Відповідно до теореми Найквіста - Котельнікова для якісної передачі голосу досить вибрати частоту дискретизації, у два рази вищою найвищої гармоніки безперервного сигналу, тобто 2×3400 = 6800 Гц. Обрана в дійсності частота дискретизації 8000 Гц забезпечує деякий запас якості. У методі ІКМ зазвичай використовується сім або вісім біт коду для представлення амплітуди одного виміру. Відповідно це дає 127 або 256 градацій звукового сигналу, що виявляється цілком достатнім для якісної передачі голосу. При використанні методу ІКМ для передачі одного голосового каналу необхідна пропускна спроможність 56 або 64 Кбіт/с в залежності від того, якою кількістю біт представляється кожен вимір. Якщо для цих цілей використовується сім біт, то при частоті передачі вимірів у 8000 Гц одержуємо: 8000×7 = 56000 біт/с; а для випадку восьми біт: 8000×8 = 64000 біт/с.

Стандартним є цифровий канал 64 Кбіт/с, який також називається елементарним каналом цифрових телефонних мереж. Передача безперервного сигналу в дискретному вигляді потребує від мереж твердого дотримання часового інтервалу в 125 мкс (відповідного частоті дискретизації 8000 Гц) між сусідніми вимірами, тобто вимагає синхронної передачі даних між вузлами мережі. При недотриманні синхронності вимірів вхідний сигнал відновлюється неправильно, що приводить до спотворення голосу, зображення або іншої мультимедійної інформації, яка передається по цифрових мережах. Так, перекручування синхронізації у 10 мс може привести до ефекту “місяця”, а зрушення між вимірами в 200 мс приводять до втрати можливості розпізнавання вимовлених слів. В той же час втрата одного виміру при дотриманні синхронності між іншими вимірами практично не позначається на відтвореному звуку. Це відбувається за рахунок пристроїв, що згладжують і засновані на властивості інерційності будь-якого фізичного сигналу: амплітуда звукових коливань не може миттєво змінитися на значну величину. На якість сигналу після ЦАП впливає не тільки синхронність надходження на його вхід вимірів, а й похибка дискретизації амплітуд цих вимірів. В теоремі Найквиста-Котельникова передбачається, що значення амплітуд функції вимірюються точно, в той же час використання для їх збереження двійкових чисел з обмеженою розрядністю дещо спотворює ці амплітуди. Відповідно спотворюється відновлений безперервний сигнал, що називається шумом дискретизації (за амплітудою).

Є й інші методи дискретної модуляції, які дозволяють представити виміри голосу більш компактній формі, наприклад у вигляді послідовності 4-бітних або 2-бітних чисел. При цьому один голосовий канал вимагає меншої пропускної спроможності, наприклад 32 Кбіт/с, 16 Кбіт/с або ще менше. З 1985 року застосовується стандарт CCITT кодування голосу Adaptive Differential Pulse Code Modulation (ADPCM). Коди ADPCM засновані на знаходженні різниці між послідовними вимірами голосу, що потім і надсилаються мережею. У коді ADPCM для збереження однієї різниці використовуються 4 біт і голос передається зі швидкістю 32 Кбіт/с. Більш сучасний метод, Linear Predictive Coding (LPC), робить виміри вхідної функції рідше, але використовує методи прогнозування напрямку зміни амплітуди сигналу. За допомогою цього методу можна знизити швидкість передачі голосу до 9,6 Кбіт/с [1].

Представлені в цифровій формі безперервні дані можна легко передати через КМ. Для цього досить помістити кілька вимірів у кадр будь-якої стандартної мережевої технології та надіслати адресату. Адресат повинен отримати з кадру виміри і подати їх з частотою квантування (для голосу – з частотою 8 000 Гц) на ЦАП. В міру надходження наступних кадрів з вимірами голосу операція повинна повторитися. Якщо кадри будуть прибувати досить синхронно, то якість голосу може бути достатньо високою. Однак, кадри в КМ можуть затримуватись як у кінцевих вузлах (при чеканні доступу до розділюваного середовища), так і у проміжних комунікаційних пристроях – мостах, комутаторах і маршрутизаторах. Тому якість голосу при передачі у цифровій формі через КМ зазвичай буває невисокою. Для якісної передачі оцифрованих безперервних сигналів: голосу, зображення – сьогодні використовують спеціальні цифрові мережі, такі як, ATM та мережі цифрового телебачення. Проте для передачі корпоративних телефонних розмов сьогодні використовують мережі Frame relay, затримки передачі кадрів яких вкладаються у припустимі рамки [1, 4, 11, 17]