Дискретная модуляция аналоговых сигналов

По мере развития техники съема и передачи аналоговых данных выяснилось, что передача их в аналоговой форме не позволяет улучшить качество принятых на другом конце линии данных, если они существенно исказились при передаче. Сам аналоговый сигнал не дает никаких указаний ни о том, что произошло искажение, ни о том, как его исправить, поскольку форма сигнала может быть любой, в том числе и такой, которую зафиксировал приемник.Улучшение же качества линий, требует огромных усилий и капиталовложений.Поэтому на смену аналоговой технике записи и передачи звука и изображения пришла цифровая техника. Эта техника использует так называемую дискретную модуляцию исходных непрерывных во времени аналоговых процессов.

Поскольку человеку наиболее привычны представление и арифметика в десятичной системе счисления, а для компьютера - двоичное представление и двоичная арифметика,была введена компромиссная система двоично-десятичной записи чисел.

Преобразование десятичных чисел в двоичные:

Допустим, нам нужно перевести число 22 в двоичное. Можно воспользоваться следующей процедурой:

22 /2 = 11 с остатком 0

11 /2 = 5 c остатком 1

5 /2 = 2 с остатком 1

2 /2 = 1 с остатком 0

1 /2 = 0 с остатком 1

Итак, мы делим каждое частное на 2 и записываем остаток в начало двоичной записи. Продолжаем деление до тех пор, пока в делимом не будет 0. В результате получаем число 22 в двоичной записи: 10110.

Для преобразования из двоичной системы в десятичную используем следующую таблицу степеней основания 2:

Начиная с цифры 1 все цифры умножаются на два. Точка, которая стоит после 1, называется двоичной точкой.

В нашем примере, переведём число 10110 в десятичный вид используя эту таблицу :

Дискретные способы модуляции основаны на дискретизации непрерывных процессов, как по амплитуде, так и по времени (рис. 22).Рассмотрим принципы дискретной модуляции на примере импулъсно-кодовой модуляции, ИКМ (Pulse Amplitude Modulation, РАМ), которая широко применяется в цифровой телефонии. При использовании ИКМ процесс преобразования включает три этапа: отображение, квантование и кодирование

Первый этап – отображение. Амплитуда исходного непрерывного сигнала измеряется с заданным периодом, за счет чего происходит дискретизация по времени. На этом этапе аналоговый сигнал преобразуется в сигналы импульсно-амплитудной модуляции (ИАМ). Выполнение этапа базируется на теории отображения Найквиста-Котельникова, основное положение которой гласит: если аналоговый сигнал отображается (т. е. представляется в виде последовательности ее дискретных по времени значений) на регулярном интервале с частотой не менее чем в два раза выше частоты самой высокой гармоники спектра исходного непрерывного сигнала, то отображение будет содержать информацию, достаточную для восстановления исходного сигнала.

Рисунок 22. Дискретная модуляция непрерывного процесса

На этапе квантования каждому сигналу ИАМ придается квантованное значение, соответствующее ближайшему уровню квантования. Весь диапазон изменения амплитуды сигналов ИАМ разбивается на 128или 256 уровней квантования. Чем больше уровней квантования, тем точнее амплитуда ИАМ – сигнала представляется квантованным уровнем.

На этапе кодирования каждому квантованному отображению ставится в соответствие 7-разрядный (если число уровней квантования равно 128) или 8-разрядный (при 256-шаговом квантовании)двоичный код. На рис. 23 показаны сигналы 8-элементного двоичного кода00101011, соответствующего квантованному сигналу с уровнем 43. При кодировании7-элементными кодами скорость передачи данных по каналу должна составлять 56Кбит/с (это произведение частоты отображения на разрядность двоичного кода), апри кодировании 8-элементными кодами – 64 Кбит/с.

8000х7 = 56000 бит/с или 56 Кбит/с;

8000х8 = 64000 бит/с или 64 Кбит/с.

Стандартным является цифровой канал 64Кбит/с, который называется также элементарным каналом цифровых телефонных сетей.

Устройство, которое выполняет указанные этапы преобразования аналоговой величины в цифровой код, называется аналого-цифровым преобразователем (АЦП). На приемной стороне с помощью цифро-аналогового преобразователя (ЦАП) осуществляется обратное преобразование, т. е.производится демодуляция оцифрованных амплитуд непрерывного сигнала,восстановление исходной непрерывной функции времени.

Для качественной передачи голоса в методе ИКМ используется частота квантования амплитуды звуковых колебаний в 8000 Гц.Это связано с тем, что в аналоговой телефонии для передачи голоса был выбран диапазон от 300 до 3400 Гц, который достаточно качественно передает все основные гармоники собеседников. В соответствии с теоремой Найквиста -Котельникова для качественной передачи голоса достаточно выбрать частоту дискретизации, в два раза превышающую самую высокую гармонику непрерывного сигнала, то есть 2 х 3400 = 6800 Гц. Выбранная в действительности частота дискретизации 8000 Гц обеспечивает некоторый запас качества.

Рисунок 23 . Преобразование аналогового сигнала в 8-ми элементный цифровой код

Передача непрерывного сигнала в дискретном виде требует от сетей жесткого соблюдения временного интервала в 125 мкс(соответствующего частоте дискретизации 8000 Гц) между соседними замерами, то есть требует синхронной передачи данных между узлами сети. При несоблюдении синхронности прибывающих замеров исходный сигнал восстанавливается неверно, что приводит к искажению голоса, изображения или другой мультимедийной информации,передаваемой по цифровым сетям. Так, искажение синхронизации в 10 мс может привести к эффекту «эха», а сдвиги между замерами в 200 мс приводят к потере распознаваемости произносимых слов. В то же время потеря одного замера при соблюдении синхронности между остальными замерами практически не сказывается на воспроизводимом звуке. Это происходит за счет сглаживающих устройств в цифро-аналоговых преобразователях, которые основаны на свойстве инерционности любого физического сигнала - амплитуда звуковых колебаний не может мгновенно измениться на большую величину.

На качество сигнала после ЦАП влияет не только синхронность поступления на его вход замеров, но и погрешность дискретизации амплитуд этих замеров. В теореме Найквиста - Котельникова предполагается, что амплитуды функции измеряются точно, в то же время использование для их хранения двоичных чисел с ограниченной разрядностью несколько искажает эти амплитуды. Соответственно искажается восстановленный непрерывный сигнал, что называется шумом дискретизации (по амплитуде).

Существуют и другие методы дискретной модуляции, позволяющие представить замеры голоса в более компактной форме,например в виде последовательности 4-битных или 2-битных чисел. При этом один голосовой канал требует меньшей пропускной способности, например 32 Кбит/с, 16Кбит/с или еще меньше. Используется и такая концепция преобразования аналоговых сигналов в цифровые, при которой квантуются и затем кодируются не сами сигналы ИАМ, а лишь их изменения, причем число уровней квантования принимается таким же. Очевидно, что такая концепция позволяет производить преобразование сигналов с большей точностью.

Представленные в цифровой форме непрерывные данные легко можно передать через компьютерную сеть. Для этого достаточно поместить несколько замеров в кадр какой-нибудь стандартной сетевой технологии,снабдить кадр правильным адресом назначения и отправить адресату. Адресат должен извлечь из кадра замеры и подать их с частотой квантования (для голоса -с частотой 8000 Гц) на цифро-аналоговый преобразователь. По мере поступления следующих кадров с замерами голоса операция должна повториться. Если кадры будут прибывать достаточно синхронно, то качество голоса может быть достаточно высоким. Однако, как мы уже знаем, кадры в компьютерных сетях могут задерживаться как в конечных узлах (при ожидании доступа к разделяемой среде),так и в промежуточных коммуникационных устройствах - мостах, коммутаторах и маршрутизаторах. Для качественной передачи оцифрованных непрерывных сигналов -голоса, изображения - сегодня используют специальные цифровые сети, такие как ISDN, ATM, и сети цифрового телевидения. А также применяются различные программно-аппаратные способы, в частности реализация QoS.

QoS (англ. Quality of Service - качество обслуживания). Предоставление приоритезаци и различным приложениям, пользователям или потокам трафика, или гарантия определенного уровня производительности потока данных.

Сети, которые связывают хосты, используют разнообразные сетевые устройства, включая сетевые адаптеры хостов, маршрутизаторы, коммутаторы и хабы. Каждый из них имеет сетевые интерфейсы.Каждый сетевой интерфейс может принять и передать трафик с конечной скоростью.Если скорость, с которой трафик направлен на интерфейс, выше, чем скорость, с которой интерфейс передает трафик дальше, то возникает перегрузка.

Сетевые устройства могут обработать состояние перегрузки, организуя очередь трафика в памяти устройства (в буфере), пока перегрузка не пройдет. В других случаях сетевое оборудование может отказаться от трафика, чтобы облегчить перегрузку. В результате приложения сталкиваются с изменением времени ожидания (так как трафик сохраняется в очередях на интерфейсах) или с потерей трафика.

Способность сетевых интерфейсов к пересылке трафика и наличие памяти для сохранения трафика в сетевых устройствах (до тех пор, пока трафик не может быть послан дальше) составляют фундаментальные ресурсы, требующиеся для обеспечения QoS для потоков трафика приложений.

Устройства, поддерживающие QoS, разумно используют ресурсы сети для передачи трафика. То есть трафик приложений, более терпимых к задержкам, становится в очередь (сохраняется в буфере в памяти), а трафик приложений, критичных к задержкам, передается далее.

Для выполнения этой задачи сетевое устройство должно идентифицировать трафик путем классификации пакетов, а также иметь очереди и механизмы их обслуживания.

Механизм обработки трафика включает в себя:

· 802.1p

· Дифференцированные услуги per-hop-behaviors (diffserv PHB).

· Интегрированные услуги (intserv).

· ATM и др.

Большинство локальных сетей основано на технологии IEEE 802, включая Ethernet, Token Ring и др. IEEE 802.1p — это механизм обработки трафика для поддержки QoS в таких сетях.

IEEE 802.1p определяет поле (уровень 2 в сетевой модели OSI) в заголовке пакета 802, которое может нести одно из восьми значений приоритета. Как правило, хосты или маршрутизаторы, посылая трафик в локальную сеть, маркируют каждый посланный пакет, присваивая ему определенное значение приоритета. Предполагается, что сетевые устройства, такие, как коммутаторы,мосты и хабы, обработают пакеты соответствующим образом, используя механизмы организации очередей. Область применения IEEE 802.1p ограничена локальной сетью (LAN). Как только пакет пересекает локальную сеть (через уровень 3 OSI), приоритет 802.1p удаляется.

Diffserv (англ. Differentiated Services ) - простой метод классификации, управления и предоставления качества обслуживания в современных IP сетях. Он определяет поле в уровне 3заголовка пакетов IP, названных diffserv codepoint (DSCP).

Intserv (англ. integrated services ) - метод классификации, управления и предоставления гарантированного качества обслуживания в современных IP сетях. Гарантированный сервис обещает нести некоторый объем трафика с измеримой и ограниченной задержкой. Сервис, управляющий загрузкой, соглашается нести некоторый объем трафика с «появлением легкой загруженности сети». Это -измеримые услуги в том смысле, что они определены, чтобы обеспечить измеримый QoS к определенному количеству трафика.

ATM (англ. Asynchronous Transfer Mode — асинхронный способ передачи данных) — сетевая технология, основанная на передаче данных в виде ячеек фиксированного размера (53 байта), из которых 5 байтов используется подзаголовок.

Сеть строится на основе АТМ. коммутатора и АТМ. маршрутизатора. Технология реализуется как в локальных, так и в глобальных сетях. Допускается совместная передача различных видов информации, включая видео, голос. Ячейки данных, используемые в ATM, меньше в сравнении с элементами данных, которые используются в других технологиях.

Небольшой, постоянный размер ячейки,используемый в ATM, позволяет:

· передавать данные по одним и тем же физическим каналам, причём как при низких, так и при высоких скоростях;

· работать с постоянными и переменными потоками данных;

· интегрировать любые виды информации: тексты,речь, изображения, видеофильмы;

· поддерживать соединения типа точка-точка,точка-многоточка, многоточка-многоточка.

QoS имеет еще много разных сложных механизмов, обеспечивающих работу этой технологии. Отметим лишь один важный момент: для того, чтобы QoS заработала, необходима поддержка этой технологии и соответствующая настройка на всем протяжении передачи от начальной точки до конечной.