Принципы преобразования аналогового речевого сигнала в цифровую форму

Речевой сигнал представляет собой аналоговый сигнал, непрерывно изменяющийся во времени в частотном диапазоне стандартного голосового канала от 300 до 3400 Гц. Для передачи по цифровым системам связи этот сигнал должен быть преобразован в цифровую форму с помощью аналого-цифрового преобразователя (АЦП). После оцифровки речевой сигнал эффективно передается в виде дискретных импульсов, длительность которых может быть минимальной. Это позволяет размещать множество импульсов в интервале, соответствующем исходному сигналу, используя технику мультиплексирования с разделением во времени (Time-Division Multiplexing, TDM).

Процесс дискретизации аналогового сигнала. Процесс преобразования начинается с дискретизации аналогового сигнала. Если речь, преобразованная микрофоном в электрический сигнал, подается на осциллограф с высокой скоростью развертки, можно наблюдать волновую форму, аналогичную представленной на рис. 6.15. На осциллограмме отмечены временные отрезки, в которые производятся измерения амплитуды сигнала, необходимые для его представления в дискретной форме. В течение этих коротких промежутков времени амплитуда изменяется незначительно, что обеспечивает точность измерений.

Рис. 6.15. Измерения, выполняемые в процессе дискретизации аналогового сигнала

Достоверность представления сигнала зависит от частоты взятия отсчетов. Практически доказано, что для полного сохранения информации частота дискретизации (fs) должна как минимум вдвое превышать наивысшую частоту в спектре входного сигнала. Это фундаментальное положение, известное как теорема Котельникова-Найквиста (Nyquist-Shannon sampling theorem), было сформулировано Гарри Найквистом в 1933 году. Критерий выражается формулой: fs ≥ 2BW, где BW — ширина полосы пропускания сигнала.

Практическое применение критерия Найквиста в телефонии. В традиционных телефонных сетях верхняя граница частот голосового канала установлена на уровне 4000 Гц. Применяя критерий Найквиста, получаем минимальную частоту дискретизации: fs ≥ 2 × 4000 Гц = 8000 измерений в секунду. Эта стандартная частота дискретизации (8 кГц) обеспечивает точное восстановление исходного речевого сигнала на приемной стороне. Каждый отсчет амплитуды затем преобразуется в цифровой код, формируя импульсную последовательность, готовая для последующего кодирования и мультиплексирования в единый цифровой поток.

Такой подход лежит в основе импульсно-кодовой модуляции (ИКМ, Pulse Code Modulation - PCM), являющейся фундаментом современных цифровых систем передачи речи. Стандартизация частоты дискретизации 8 кГц и полосы 4000 Гц обеспечивает совместимость оборудования различных производителей по всему миру. Дальнейшая обработка включает квантование по уровню и кодирование, что в совокупности позволяет эффективно упаковывать множество голосовых каналов в стандартные цифровые потоки, такие как DS-1 (T1).

Сведения об авторах и источниках:

Авторы: Бигелоу С.Д., Карр Д.Д., Виндер С..

Источник: Энциклопедия телефонной электроники.

Данные публикации будут полезны студентам и специалистам в области телекоммуникаций и сетевых технологий, инженерам, изучающим принципы передачи данных, а также всем, кто интересуется историей и эволюцией модемной связи и базовыми сетевыми протоколами.