Появление высокоскоростной передачи голоса и данных привело к необходимости быстрой среды для передачи информации. Цифровые каналы или линии связи возникли из-за необходимости передавать голос или данные в цифровой форме.
Преобразование из аналоговой в цифровую форму выполняется в четыре этапа ( см. Следующий рисунок ) и будет подробно описано в следующих разделах.
отбор проб
Тональные частоты принимают форму аналогового сигнала, то есть синусоиды ( см. Следующий рисунок ). Этот сигнал должен быть преобразован в двоичную форму для его передачи по цифровому носителю. Первым этапом этого преобразования является преобразование аудиосигнала в сигнал импульсной амплитудной модуляции (PAM) . Этот процесс известен как выборка .
Процесс сэмплирования должен собирать достаточную информацию от входных речевых частот, чтобы можно было сделать копию исходного сигнала. Частоты речевых сигналов обычно находятся в диапазоне от 300 Гц до 3400 Гц , обычно называемых коммерческой речевой полосой .
Чтобы получить семпл, частоту семплирования применяют к исходной голосовой частоте. Частота дискретизации определяется по теореме выборки Найквиста , которая гласит, что «частота дискретизации должна быть как минимум вдвое больше, чем самая высокая частотная составляющая».
Это гарантирует, что выборка берется минимум один раз в каждом полупериоде, таким образом исключая возможность выборки в нулевых точках цикла, которые не имели бы амплитуды. Это приводит к тому, что частота дискретизации составляет минимум 6,8 кГц.
Европейский стандарт осуществляет выборку входящего сигнала с частотой 8 кГц , обеспечивая выборку каждые 125 микросекунд или 1/8000 секунды ( см. Следующий рисунок ).
квантование
Амплитуда каждой выборки в идеале должна иметь двоичный код (1 или 0), но так как может быть бесконечное количество амплитуд; следовательно, должно быть бесконечное количество доступных двоичных кодов. Это было бы нецелесообразно, поэтому необходимо использовать другой процесс, который известен как квантование .
Квантование сравнивает сигнал PAM со шкалой квантования, которая имеет конечное число дискретных уровней. Шкала квантования разделяется на 256 уровней квантования, из которых 128 являются положительными уровнями, а 128 — отрицательными уровнями.
Этап квантования включает в себя выделение уникального 8-битного двоичного кода, соответствующего интервалу квантования, в который попадает амплитуда сигнала PAM ( см. Следующий рисунок ).
Это включает 1 бит полярности с остальными 7 битами, используемыми для идентификации уровня квантования ( как показано на рисунке выше ).
Первый бит, который мы видели ранее, это бит полярности, следующие три бита для кода сегмента, дающие восемь кодов сегмента, и оставшиеся четыре бита для уровня квантования, дающие шестнадцать уровней квантования.
Компандирование
Сам процесс квантования приводит к явлению, известному как искажение квантования . Это происходит, когда амплитуда дискретизированного сигнала падает между уровнями квантования. Сигнал всегда округляется до ближайшего целого уровня. Эта разница между уровнем дискретизации и уровнем квантования является искажением квантования.
Скорость изменения амплитуды сигнала варьируется на разных участках цикла. Это происходит чаще всего на высоких частотах, поскольку амплитуда сигнала изменяется быстрее, чем на низких частотах. Чтобы преодолеть это, код первого сегмента имеет уровни квантования близко друг к другу. Следующий код сегмента затем удваивает высоту предыдущего и так далее. Этот процесс известен как компандирование , поскольку он сжимает большие сигналы и расширяет меньшие сигналы.
В Европе они используют A-закон компандирования по сравнению с Северной Америкой и Японией, которые используют закон μ .
Поскольку искажение квантования эквивалентно шуму, компандирование улучшает отношение сигнал / шум в сигналах с низкой амплитудой и создает приемлемое отношение сигнал / шум во всем диапазоне амплитуд.
кодирование
Для того чтобы двоичная информация передавалась по цифровому тракту, информация должна быть модифицирована в подходящий линейный код. Техника кодирования, используемая в Европе, известна как биполярный 3 высокой плотности (HDB3) .
HDB3 получен из строкового кода, называемого AMI или Alverate Mark Inversion . В кодировке AMI используются 3 значения: нет сигнала для представления двоичного 0 и положительного или отрицательного сигнала, который попеременно используется для представления двоичного 1.
Одна проблема, связанная с кодированием AMI, возникает при передаче длинной строки нулей. Это может вызвать проблемы петли фазовой синхронизации на приемнике удаленного конца.
HDB3 работает аналогично AMI, но включает дополнительный шаг кодирования, который заменяет любую строку из четырех нулей тремя нулями, за которыми следует «бит нарушения». Это нарушение имеет ту же полярность предыдущего перехода ( см. Следующий рисунок ).
Как видно из примера, 000V заменяет первую строку из четырех нулей. Однако использование этого типа кодирования может привести к тому, что в сигнал будет добавлен средний уровень постоянного тока, поскольку может присутствовать длинная строка нулей, причем все они кодируются одинаковым образом. Чтобы избежать этого, кодирование каждого последующего четырех нулей изменяется на B00V с использованием бита «биполярного нарушения», который чередуется по полярности.
Исходя из этого, можно предположить, что при кодировании HDB3 максимальное количество нулей без перехода равно трем. Этот метод кодирования часто называют форматом модуляции .