Принцип ИКМ-кодирования по закону А. Основные характеристики ИКМ-канала. Сравнение с линейным кодированием.
Принцип ИКМ-кодирования по закону А. Основные характеристики ИКМ-канала. Сравнение с линейным кодированием.
Импульсно-кодовая модуляция используется для преобразования аналоговых сигналов в цифровые.Формирование цифрового сигнала из аналогового предусматривает последовательное выполнение трех
основных операций:
- дискретизация аналогового сигнала по времени, в результате чего формируется импульсный сигнал, промодулированный по амплитуде, т.е. АИМ-сигнал;
- квантование АИМ-сигнала по уровню; - кодирование отсчетов АИМ-сигнала.
Характеристиками квантующего устройства являются следующие:
- число уровней квантования NКВ; - шаг квантования δ - разность между двумя соседними разрешенными уровнями; - напряжение ограничения UОГР - максимальное значение амплитуды отсчета, подвергаемого квантованию. 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 Защищенность от шумов квантования определяется как
АЗ.КВ=10lg(PС/PШ.КВ).
Если входное напряжение выше порогового, на выходе квантователя формируются отсчеты с амплитудой UОГР - такой режим работы квантователя называется перегрузкой. При этом возникают шумы ограничения, мощность которых значительно превышает мощность шумов квантования. Недостатком равномерного квантования является меньшая защищенность от шумов квантования малых уровней сигнала.
ИКМ сводится к измерению амплитуды аналогового сигнала в моменты времени, отстоящие друг от друга на dt, и к кодированию этих амплитуд цифровым кодом. Величина dt определяется по теореме Котельникова:для неискаженной передачи нужно иметь не менее двух отсчетов на период колебаний,соответствующий высшей составляющей в частотном спектре сигнала.
Цифровые сигналы передаются по разным линиям связи. В зависимости от используемой среды распространения сигналам в линии придают различный вид, при котором параметры сигнала в наибольшей степени согласованы с параметрами линии связи. Эта операция называется линейным кодированием, при котором символы «1» и «О» информационного сигнала заменяются цифровым сигналом, характеристики которого в большей степени соответствуют параметрам линии. Полученный в результате линейного кодирования цифровой сигнал называется линейным кодом.
К линейным кодам предъявляются следующие требования:
однозначность декодирования, т.е. из линейного цифрового сигнала должна однозначно формироваться исходная последовательность двоичных символов; в энергетическом спектре линейного цифрового сигнала должны быть ослаблены низкочастотные и высокочастотные составляющие;
в линейном цифровом сигнале должна быть обеспечена высокая плотность импульсов, т.е. число импульсов, определяющих тактовые интервалы, должно быть существенно больше числа пробелов
(«нулей»).
В кодерах формы процесс кодирования направлен на наилучшую передачу формы исходного аналогового сигнала. При таких методах кодирования, как правило, достигается достаточно высокое качество восстановленного сигнала. Однако, скорость цифрового потока на выходе кодера формы достаточно высока. Так при передаче телефонных сообщений кодеры формы работают со скоростью от 24 до 64 кбит/с.
При блочном кодировании входные данные разбивается на блоки по к символов, которые преобразуются по определенному закону в n -символьные блоки, где n>к. Блочное кодирование предназначено в основном для обнаружения одиночных ошибок. Данный метод удобен для пакетной передачи данных.
При использовании дифференциальной (разностной) ИКМ (ДИКМ, Differencial PCM, DPCM) вместо кодирования отсчетов кодируются разности между соседними отсчетами. Обычно разности отсчетов меньше самих отсчетов. Скорость передачи цифрового потока снижается до 32-56 кбит/c. В системах с логарифмической ДИКМ используют А- и µ-законы компандирования для реализации неравномерного квантования.
Дельта-модуляция представляет собой вариант дифференциальной импульсно-кодовой модуляции, где для кодирования разностного сигнала используется только один бит. Этот бит служит для того, чтобы увеличить или уменьшить оценочный уровень.
Адаптивная ДИКМ (АДИКМ, Adaptive Differencial PCM, ADPCM) - система ДИКМ с адаптацией квантователя (АЦП и ЦАП) и предсказателя. При АДИКМ оцифровывается не сам сигнал, а его отклонение от предсказанного значения (сигнал ошибки, ошибка предсказания). Наиболее часто применяются следующие разновидности АДИКМ:
- рекомендация G.721 МККТТ (скорость передачи 32 кбит/с);
- рекомендация G.722 МККТТ (частота дискретизации 16 000 Гц);
- рекомендация G.723 МККТТ (скорость передачи 24 кбит/с);
- Creative ADPCM (4, 2,6 или 2 бита на отсчет);
- IMA/DVI ADPCM (4, 3 или 2 бита на отсчет);
- Microsoft ADPCM.
Рассмотренные выше методы могут вносить незначительные изменения и потери в речевые сигналы (например, сужение динамического диапазона в области высших частот, ограничение крутизны сигнала), которые практически не влияют на аутентичность речи.
Вокодер это устройство, позволяющее синтезировать речь на основе минимальной информации, некоторого кода. Так же под Вокодером подразумевается устройство, преобразующее живую речь в код сжимающий ее. Вокодер позволяет существенно (примерно в 10 раз) уплотнить линию связи при незначительном ухудшении качества передачи.
Вокодеры можно разделить на два класса: речеэлементные и параметрические.
В речеэлементных вокодерах при кодировании распознаются произносимые элементы речи (например, фонема) и на выход кодера подаются только их номера. В декодере эти элементы создаются по правилам речеобразования или берутся из памяти декодера. Фонемные вокодеры предназначены для получения предельной компрессии речевых сигналов. Область применения фонемных вокодеров - линии командной связи, управление и говорящие автоматы информационно-справочной службы. В таких вокодерах происходит автоматическое распознавание слуховых образов, а не определение параметров речи и, соответственно, теряются все индивидуальные особенности диктора.
В параметрических вокодерах с речевого сигнала выделяют два типа параметров и по этим параметрам в декодере синтезируют речь:
- Параметры, которые характеризуют источник речевых колебаний (генераторную функцию) - частота основного тона, ее изменение во времени, моменты появления и исчезновения основного тона (согласованные или гортанные звуки), шумового сигнала (шипящие и свистящие звуки);
- Параметры, которые характеризуют огибающую спектра речевого сигнала
- В декодере по заданным параметрам генерируются основной тон, шум, а затем пропускаются через гребенку полосовых фильтров для восстановления огибающей спектра речевого сигнала.
- По принципу определения параметров фильтровой функции различают вокодеры:
полосные (канальные); формантные; ортогональне. В полосных вокодерах спектр речи делится на 7 - 20 полос (каналов) аналоговыми или цифровыми полосовыми фильтрами. Большее число каналов в вокодере дает большую натуральность и разборчивость. С каждого полосового фильтра сигнал поступает на детектор для определения среднего уровня.
В формантных вокодерах огибающая спектра речи описывается комбинацией формант (резонансных частот голосового тракта). Основные параметры формант - центральная частота, амплитуда и ширина спектра.
В ортогональных вокодерах огибающая мгновенного спектра разлагается на составные части в ряд по выбранной системе ортогональных базисных функций. Рассчитанные коэффициенты этого расписания передаются на приемную сторону. Распространение получили гармонические вокодеры, которые используют расписание в ряд Фуръе.
Рассмотренные вокодеры обеспечивают сжатие сигнала до 1200-4800 Бит/с, позволяя восстановить в декодере частоту основного тона с дискретностью в несколько герц и с невысокой точностью огибающую спектра сигнала с периодом изменения 16-40 мс, при этом даже при достаточно высокой разборчивости речи теряются многие индивидуальные особенности диктора. Из-за сложности определения параметров генераторной функции появились полувокодеры (Voice Excited Vocoder, VEV), в которых вместо сигналов основного тона используется полоса речевого сигнала до 800 - 1000 Гц, которая кодируется, например, АДИКМ, и вместо характеристик основного тона передается на выход кодера. Такой алгоритм позволяет сжать речь до 4800-9600 бит/с, сохраняя генераторную функцию гортани (частоту и закон изменения основного тона) диктора.
Аналоговая модуляция является таким способом физического кодирования, при котором информация кодируется изменением амплитуды, частоты или фазы синусоидального сигнала несущей частоты. Основные способы аналоговой модуляции показаны на рис. 2.13. На диаграмме (рис. 2.13, а) показана последовательность бит исходной информации, представленная потенциалами высокого уровня для логической единицы и потенциалом нулевого уровня для логического нуля. Такой способ кодирования называется потенциальным кодом, который часто используется при передаче данных между блоками компьютера.
Рис. 2.13. Различные типымодуляции При амплитудной модуляции
(рис. 2,13, б) для логической единицы выбирается один уровень амплитуды синусоиды несущей частоты, а для логического нуля - другой. Этот способ редко используется в чистом виде на практике из-за низкой помехоустойчивости, но часто применяется в сочетании с другим видом модуляции -
фазовой модуляцией. При частотной модуляции (рис. 2.13, в) значения 0 и 1 исходных данных передаются синусоидами с различной частотой - f0 и f1. Этот способ модуляции не требует сложных схем в модемах и обычно применяется в низкоскоростных модемах, работающих на скоростях 300 или 1200 бит/с.
При фазовой модуляции (рис. 2.13, г) значениям данных 0 и 1 соответствуют сигналы одинаковой частоты, нос различной фазой, например 0 и 180 градусов или 0,90,180 и 270 градусов.
В скоростных модемах часто используются комбинированные методы модуляции, как правило, амплитудная в сочетании с фазовой. Для повышения скорости передачи данных используют комбинированные методы модуляции. Наиболее распространенными являются методы квадратурной амплитудной модуляции (Quadrature Amplitude Modulation, QAM). Эти методы основаны на сочетании фазовой модуляции с8значениямивеличин сдвига фазы и амплитудной модуляции с 4 уровнями амплитуды. Однако из возможных 32 комбинаций сигнала используются далеко не все. Например, в кодах Треллиса допустимы всего 6,7 или 8 комбинаций для представления исходных данных, а остальные комбинации являются запрещенными. Такая избыточность кодирования требуется для распознавания модемом ошибочных сигналов, являющихся следствием искажений из-за помех, которые на телефонных каналах, особенно коммутируемых, весьма значительны по амплитуде и продолжительны по времени.
При цифровом кодировании дискретной информации применяют потенциальные и импульсные коды.
В потенциальных кодах для представления логических единиц и нулей используется только значениепотенциала сигнала, а его перепады, формирующие законченные импульсы, во внимание не принимаются. Импульсные коды позволяют представить двоичные данные либо импульсами определенной полярности, либо частью импульса — перепадом потенциала определенного направления.
|
10) Методы сжатия тонального сигнала по принципу кодера формы. Блочное ИКМ-кодирование, дифференциальная ИКМ, дельта-модуляция, АДИКМ-кодирование. Принцип, основные характеристики и свойства.
