Цифровая телефония

Задолго до того, как компьютерные сети получили широкое распространение, телефонные компании уже применяли технологии цифровой связи (впервые в США, 1962 г.). Стимулом к изучению проблем цифровой связи явилась необходимость поддерживать большое число высококачественных телефонных соединений, которые могли бы охватить большие расстояния.

Методы передачи аналоговых сигналов, применявшиеся в первых телефонных системах, не подходили для дальней связи, так как электрические сигналы по мере прохождения по медным кабелям постепенно затухают. Поэтому для повышения уровня сигнала требуются усилители, но, к сожалению, каждый усилитель, расположенный на пути прохождения сигнала, слегка искажает сигнал и вносит шум.

Цифровая связь позволяет устранить проблему шума, так как звуковой сигнал представляется в цифровой форме. Оцифрованная версия отправляется через сеть, после чего на другом конце соединения звуковой сигнал восстанавливается.

Аналоговый звуковой сигнал, представленный в дискретной форме, называется оцифрованным звуком, а процесс преобразования аналогового сигнала в цифровую форму называется оцифровкой. Устройство, преобразующее аналоговый сигнал в цифровой, называется аналого-цифровым преобразователем (АЦП), устройство, решающее обратную задачу – цифро-аналоговым преобразователем (ЦАП).

АЦП принимает на входе аналоговый сигнал, измеряет его напряжение через регулярные интервалы и представляет текущее напряжение в виде числа. Поэтому в результате оцифровки аналоговый сигнал превращается в непрерывный поток чисел.

N

 

 

 

 

0 1 3 4 4 5 5 3 3 2 3 4 4 5 4 3 2 t

Вертикальные отрезки представляют измеренные значения, а горизонтальные линии (ось до 9) показывают возможные значения.

При аналогово-цифровом преобразовании для каждого измеренного значения выбирается целое число, наиболее близкое к измеренному значению сигнала. Таким образом, оцифрованная форма сигнала для этого примера состоит из последовательности цифр.

Для нормального воспроизведения человеческой речи необходимо поддерживать частоты вплоть до 4000 Гц.

Согласно теореме Найквиста-Котельникова (если измерение напряжения первоначального сигнала происходит с частотой, которая в два раза превышает максимально значимую частоту сигнала, то первоначальный сигнал можно восстановить из дискретизированных значений, которые передаются по каналу связи) для оцифровки необходимо проводить измерения с частотой 8000 раз/сек.

Таким образом, АЦП, предназначенный для использования в телефонной системе, должен измерять напряжение сигнала, поступающего от микрофона через каждые 125 мкс (микросекунд). Это постоянное значение интервала измерения напряжения сигнала является важным критерием для цифровой телефонии (и не только).

Но! При проектировании методов цифрового воспроизведения звука необходимо выбрать не только частоту дискретизации, но и диапазон используемых целочисленных значений, то есть необходимо найти компромисс между точностью и объёмом передаваемых данных.

Для оцифровки речевого сигнала был выбран диапазон целых чисел [0..255]. То есть 8 бит на каждое измеренное значение.

8000*8=64000 бит/сек.

Описанная схема дискретизации, которая составляет часть всемирно признанных стандартов цифровой телефонии, называется импульсно-кодовой модуляцией.

Целочисленные значения, вырабатываемые в результате импульсно-кодовых модуляций (ИКМ) передаются по линиям дальней связи получателю, где они снова преобразуются в звуковой сигнал.

Вывод. ИКМ представляет собой стандартный метод оцифровки звука, используемый в телефонии. Этот метод предусматривает измерение напряжения сигнала через каждые 125 мкс и преобразование каждого измеренного значения в целое число из диапазона [0..255]. Скорость канала передачи речевых сигналов составляет 64 Кбит/сек.

Цифровой канал 64 Кбит/с, который также называется элементарным каналом цифровых телефонных сетей.