Рис. 7.10. Волна, полученная из ИКМ-сигнала с разрядностью 5 бит

Теорема Найквиста

Итак, какая частота дискретизации будет достаточной? Такой же вопрос задал себе в 20-х годах прошлого века инженер-электрик (и сотрудник AT&T/Bell) Гарри Найквист (Harry Nyquist). Теорема Найквиста гласит: «Чтобы можно было абсолютно точно восстановить исходный сигнал по его дискретной версии, частота дискретизации должна быть вдвое больше полосы частот входного сигнала»[79].

По существу, это означает следующее: чтобы точно кодировать аналоговый сигнал, частота замеров должна вдвое превышать максимальную частоту в частотном диапазоне, который требуется воспроизвести. Поскольку телефонная сеть не будет передавать частоты ниже 300 и выше 4000 Гц, частоты дискретизации 8000 замеров в секунду будет достаточно для воспроизведения любой частоты в частотном диапазоне аналогового телефона. Запомните величину 8000 замеров в секунду; мы поговорим об этом немного позже.

Компандирование по логарифмическому закону

Итак, мы рассмотрели основы квантования и обсудили тот факт, что большее количество интервалов квантования (то есть более высокая частота дискретизации) обеспечивают лучшее качество, но при этом требуется большая полоса пропускания. Наконец, мы обсудили, какой должна быть минимальная частота дискретизации для точного измерения диапазона частот, который мы хотим передавать (в случае с телефоном это 8000 Гц). Все это сводится к тому, что по проводам передается довольно большое количество данных, поэтому пришла пора поговорить о компандировании.

Компандирование - это метод улучшения динамического диапазона метода дискретизации без потери необходимого качества. Он заключается в квантовании более высоких амплитуд с намного меньшей частотой, чем меньших амплитуд. Иначе говоря, если кричать в телефон, ваш голос будет дискретизирован не так хорошо, как если бы вы говорили нормально. Крик также вреден для кровяного давления, поэтому лучше избегать его.

Обычно используется два метода компандирования: plaw[80] в Северной Америке и alaw в остальном мире. В них используется один принцип, но во всем остальном они несовместимы.

При компандировании волна делится на хорды, каждая из которых включает несколько шагов. Квантование заключается в сопоставлении измеренной амплитуды с соответствующим шагом хорды. Значение полосы и номера хорд (а также знак - плюс или минус) становятся сигналом. Приведенные далее диаграммы дают визуальное представление того, что происходит при компандировании. Они не основываются на каком-либо стандарте, а просто созданы как иллюстрация (опять же, в телефонной сети компандирование будет выполняться с разрядностью 8, а не 5 бит).

Рис. 7.11 иллюстрирует компандирование с разрядностью 5 бит. Как видите, дискретизация амплитуд, близких к нулевому уровню, намного выше, чем больших амплитуд (как в положительной, так и в отрицательной области). Однако, поскольку человеческое ухо, передатчик и приемник также будут искажать громкие сигналы, это не представляет проблемы.

Квантованный образец может выглядеть так, как представлено на рис. 7.12. Он обеспечивает получение следующего потока битов:

00000 10011 10100 10101 01101 00001 00011 11010 00010 00001 01000 10011 10100

10100 00101 00100 00101 10101 10011 10001 00011 00001 00000 10100 10010 10101

01101 10100 00101 11010 00100 00000 01000

Рис. 7.11. Компандирование с разрядностью 5 бит

Наложение частот

Если когда-нибудь при просмотре одного из старых вестернов вам казалось, что колеса повозки вращаются в обратном направлении, вы наблюдали эффект наложения частот. Частота смены кадров фильма не соответствует частоте вращения колес, и поэтому возникает впечатление вращения в обратную сторону.

В цифровой аудиосистеме (каковой является современная PSTN) наложение частот возникает, если в аналогово-цифровой преобразователь поступают сигналы частотой, превышающей половину частоты дискретизации. В PSTN это аудиосигналы частотой выше 4000 Гц (половина частоты дискретизации, которая составляет 8000 Гц). Эту проблему легко исправить, пропустив аудиосигнал через низкочастотный фильтр¹ перед его передачей в аналогово-цифровой преобразователь².

Рис. 7.12. Квантование и компандирование с разрядностью 5 бит

2

Низкочастотный фильтр, как следует из его названия, пропускает только частоты, которые меньше его частоты среза. Существуют еще высокочастотные фильтры (которые убирают низкие частоты) и полосные фильтры (которые отфильтровывают и высокие, и низкие частоты). Те, кому когда-либо приходилось делать аудиозаписи для системы, вероятно, пользовались полосным фильтром, который встроен в большинство телефонных аппаратов. Запись с использованием даже высококлассного звукозаписывающего оборудования может выявить разнообразнейший фоновый шум. Вы могли даже не слышать его, пока не выполнили понижающей дискретизации, при которой фоновый шум создает эффект наложения частот (что может порождать разнообразные странные звуки). С другой стороны, телефонные записи уже выполнены в соответствующем формате, поэтому шум никогда не попадает в аудиопоток. Из всего вышесказанного следует, что, независимо от того, какое оборудование используется для записи, следует избегать сред с большим количеством фоновых шумов. Обычные офисы могут быть намного более шумными, чем кажется, поскольку оборудование отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха может создавать шум, о котором мы даже не подозреваем.

Цифровая коммутируемая телефонная сеть

Более ста лет телефонные сети были исключительно коммутируемыми. Это означало, что для каждого телефонного звонка между двумя конечными точками устанавливалось выделенное соединение с фиксированной полосой частот, распределенной для этого канала. Создание такой сети было дорогим удовольствием, а использование ее на больших расстояниях обходилось вдвое дороже. Хотя все предсказывают окончание эпохи коммутируемой сети, многие люди по-прежнему пользуются ею каждый день и она, действительно, достаточно неплохо справляется со своими функциями.

Типы линий связи

В PSTN существует много разных линий, обеспечивающих различные нужды сети. Между центральной АТС и абонентом обычно достаточно одной или более аналоговых линий или нескольких десятков каналов, предоставляемых посредством цифровой линии. Между станциями PSTN (и большим количеством абонентов), как правило, используются оптоволоконные линии связи.

Простая DS-0 - основа всего

Поскольку стандартный метод оцифровки телефонного звонка - запись 8-битового замера 8000 раз в секунду, можно заметить, что телефонной линии с ИКМ понадобится полоса пропускания 8000 бит/с х 8, то есть 64 000 бит/с. Такой канал с полосой пропускания 64 Кбит/с называют DS-0. DS-0 - это основной строительный блок всех цифровых телекоммуникационных линий.

Даже вездесущая аналоговая линия переходит на DS-0 ускоренными темпами. Иногда это происходит в месте, где линия входит в центральную АТС, иногда намного раньше[81].

Линии с T-несущей

Т1 - один из самых известных терминов цифровой телефонии. Т1 - это цифровая линия, состоящая из 24 мультиплексирующихся каналов DS-0, обеспечивающих передачу данных со скоростью 1,544 Мбит/с[82]. Этот битовый поток определен как DS-1. Голос кодируется в T1 с использованием алгоритма компандирования plaw.

Европейская версия T1 была разработана Европейской конференцией почтовых и телекоммуникационных ведомств (European Conference of Postal and Telecommunications Administrations, CEPT) и сначала называлась CEPT-1. Теперь ее называют E1. E1 образована 32 каналами DS-0, но метод ИКМ-кодирования другой: Е1 использует закон компандирования аlaw. Это означает, что для соединения между сетями Е1 и Т1 всегда будет необходим этап перекодировки. Заметьте, что E1, хотя и имеет 32 канала, также считается линией DS-1. Е1 намного больше распространена, поскольку используется во всем мире, кроме Северной Америки и Японии.