Основы цифровой обработки сигналов

Под сигналом понимают физический процесс (например, изменяю­щееся во времени напряжение), отображающий некоторую информацию или сообщение. Математически сигнал описывается функцией определен­ного типа.

Всякое сообщение является некоторой совокупностью сведений о со­стоянии какой-либо материальной системы, которые передаются челове­ком (или устройством), наблюдающим эту систему, другому человеку (или устройству), обычно не имеющему возможности получить эти сведения из непосредственных наблюдений. Эта материальная система, вместе с на­блюдателем, представляет собой источник сообщения. Для того чтобы со­общение было передано получателю, необходимо воспользоваться каким-либо физическим процессом. Изменяющаяся физическая величина (напри­мер, ток в проводе, электромагнитное поле, звуковые волны и т. п.), ото­бражающая сообщение, называется сигналом. Совокупность средств, предназначенных для передачи сигнала, называется каналом связи. Здесь под «средством» можно понимать как устройство, так и физическую среду, ^в которой распространяется сигнал. Сигнал принимается получателем.

Зная закон, связывающий сообщение и сигнал, получатель может выявить содержащиеся в сообщении сведения. Для получателя сообщения сигнал заранее не известен, и поэтому он является случайным процессом.

Сигнал может быть определен как функция, переносящая информа­цию о состоянии или поведении физической системы. Сигнал может при­нимать форму колебаний, зависящих от времени или от пространственных координат. Математически сигналы представляются в виде функций одной или более независимых переменных. Так, речевой сигнал математически представлен как функция времени.

Вид сигнала, проходящего по каналу связи, определяется физиче­скими особенностями среды между передатчиком и приемником. В элек­трических каналах связи сигнал представляет собой ток в проводе либо напряжение электрического поля, в акустических каналах - звуковое дав­ление и т. д.

Преобразование звукового сообщения в электрический сигнал осу­ществляется с помощью микрофона. Любой микрофон состоит из двух систем: акустико-механической и механоэлектрической частей

Устройство микрофонов: с7 - угольного; б - электромагнитного; 6- электродинамического; г-ленточного; д - конденсаторного; с -- пьезоэлектрического

Угольный микрофон - необратимый активный акустоэлектрический преобразователь. Принцип действия основан на свойстве угольного порошка изменять сопротивление электрическому току в зависимости от его плотности, изменяющейся под действием звуковых колебаний воздушной среды. Устройство угольного микрофона и схема его включения в электрическую цепь показаны на Рис. Основными элементами микрофона являются подвижный и неподвижный электроды, подключенные к электрической цепи, и угольный порошок, заполняющий пространство между электродами. Подвижный электрод жестко связан с мембраной, воспринимающей колебания окружающего слоя воздуха. Элементы микрофона помещены в общий корпус, изготовленный из токонепроводящего материала. Звуковые колебания воздуха приводят к соответствующим колебаниям мембраны. Вместе с мембраной колеблется, совершая горизонтальные движения, подвижный электрод, изменяющий плотность угольного порошка. При увеличении плотности порошка его сопротивление электрическому току уменьшается, а при уменьшении - увеличивается. Следовательно, ток в цепи будет изменяться прямо пропорционально изменению звукового давления (Рис).

После угольного появился электромагнитный микрофон (рис., б), который работает следующим образом. Перед полюсами (полюсными на­конечниками) 2 магнита 3 располагают ферромагнитную диафрагму 1 или скрепленный с ней якорь. При колебаниях диафрагмы под воздействием на нее звукового давления меняется магнитное сопротивление системы а зна­чит, и магнитный поток через витки обмотки, намотанной на магнитопро- вод этой системы. Благодаря этому на зажимах обмотки возникает пере­менное напряжение звуковой частоты, являющееся выходным сигналом микрофона. Широкое распространение получил также и электродинамиче­ский микрофон в своих двух модификациях - катушечной и ленточной.

Принцип действия электромагнитного телефона основан на взаимодействии магнитных потоков, создаваемых постоянным магнитом (Ф₀) и электромагнитом (Ф»). Под действием результирующего (суммарного) потока мембрана телефона совершает колебательные движение, совпадающее с изменениями электрического тока, поступающего в обмотку электромагнита.

Основными элементами телефона (Рис. 8.2) являются: постоянный магнит, электромагнит, состоящий из двух обмоток с сердечниками, и мембрана.

В телефонных аппаратах применяются так называемые капсюльные телефоны, размещаемые в микротелефонных трубках. Конструктивное исполнение их может быть различным.

В покое, т.е. при отсутствии тока в обмотках электромагнита, мембрана притянута к сердечникам под действием потока, создаваемого постоянным магнитом, имеет небольшой прогиб в сторону сердечников и неподвижна. Появление переменного электрического тока в обмотках электромагнита создает в сердечнике дополнительный переменный магнитный поток, имеющий направление совпадающее, либо противоположное направлению потока, создаваемого постоянным магнитом (Рис. 8.3). В результате мембрана будет совершать колебательные движения, соответствующие изменению величины тока. Колебательные движения мембраны создают распространяющиеся колебательные движения частиц воздуха, воспринимающиеся ухом человека как звук.

Для электроакустических трактов высокого качества наибольшее распространение в настоящее время получил конденсаторный микрофон (рис. 4.3, <Э). Принципиально он работает следующим образом. Жестко на­тянутая мембрана 1 под воздействием звукового давления может колебать­ся относительно неподвижного электрода 2, являясь вместе с ним обклад­ками электрического конденсатора. Этот конденсатор включается в элек­трическую цепь последовательно с источником постоянного тока Е и ак­тивным нагрузочным сопротивлением R. При колебаниях мембраны ем- ^Кость конденсатора меняется с частотой воздействующего на мембрану букового давления, в связи с чем в электрической цепи появляется пере­менный ток той же частоты, и на нагрузочном сопротивлении возникает изменение напряжения, являющееся выходным сигналом микрофона.

Нагрузочное сопротивление должно быть большим, чтобы падение напряжения на нем не уменьшалось сильно на низких частотах, где емко­стное сопротивление конденсатора очень велико и эксплуатация такого микрофона была бы невозможна из-за сравнительно небольшого сопро­тивления микрофонных линий и нагрузки. Но этой причине почти у всех современных конденсаторных микрофонов предусмотрены конструктивно связанные с самим микрофоном усилители, имеющие малый коэффициент усиления (порядка 1), высокое входное и низкое выходное сопротивления.

Некоторое распространение получили микрофоны пьезоэлектриче­ские (рис. 4.3, е). Их действие основано на том, что звуковое давление воз­действует непосредственно или через диафрагму 1 и скрепленный с ней стержень 2 на пьезоэлектрический элемент 3. При деформации последнего на его обкладках вследствие пьезоэлектрического эффекта возникает на­пряжение, являющееся выходным сигналом микрофона.

ПЕРЕДАЧА АНАЛОГОВОГО СИГНАЛА ПО ЦИФРОВОМУ КАНАЛУ СВЯЗИ

В современных телефонных сетях сигналы передаются в следующей форме: телефонный аппарат, стоящий у вас дома или в офисе (если в офисе используется местная АТС, то там все может быть устроено по-другому), соединен с телефонной станцией парой проводов, именуемой абонентским шлейфом, эта пара проводов используется и для подачи напряжения на цепь звукового сигнала телефонного аппарата при инициализации вызова, и для передачи звуковых сигналов АТС (непрерывный гудок, длинные или короткие гудки) на телефонный аппарат, и для передачи собственно речи во время связи.

Рассмотрим в первую очередь то, что происходит с голосовым сиг­налом на пути его передачи от микрофона одного телефонного аппарата к громкоговорителю другого. В настоящее время этот путь чаще всего вы­глядит (во всяком случае, должен выглядеть; в реальности это происходи: только в том случае, когда на АТС установлено современное оборудова­ние) следующим образом: микрофон преобразует звуки речи в аналоговый сигнал, передаваемый по абонентскому шлейфу к АТС. Если вызов адре­сован абоненту, находящемуся в зоне действия той же АТС. то коммута­ционная аппаратура просто замыкает абонентские шлейфы друг на друга, никак не вмешиваясь в процесс голосового обмена. Если же голос пред­стоит передавать дальше, то установленное на АТС оборудование оцифро­вывает его и передает полученную последовательность цифр по магист­ральным каналам связи. На противоположном конце АТС-адресат получа­ет поток цифровых данных, восстанавливает по ним аналоговый голосовой сигнал и передает этот сигнал по абонентскому шлейфу на телефонный аппарат. Оцифровывать голос при передаче начали, в первую очередь, по­тому, что цифровой сигнал более устойчив к помехам и его использование позволяет повысить качество связи. Поскольку всс преобразования из ана­логовой формы в цифровую производятся на аппаратном уровне, они не приводят к ощутимым для абонента задержкам (при использовании совре­менной аппаратной базы суммарная задержка, связанная с оцифровкой- восстановлением, составляет около 125 мкс).

Методы цифровой передачи речи (кодирования речи) ведут свою ис­торию от первых, еще аналоговых, вокодеров (VOice CODer), схем распо­знавания речи с магнитного носителя и способов прямого цифрового пред­ставления непрерывного сигнала (АЦП) [9]. Соответствующие устройства называют кодерами (при прямом преобразовании), декодерами (при обрат­ном преобразовании) или кодеками. В последние десятилетия применялись низкоэффективные устройства цифровой передачи речи; создание высоко­эффективных устройств сдерживалось неразвитостью элементной базы. Сейчас же практически любая разработка реализуется «в железе» и посту­пает па рынок в считанные месяцы.

В современных устройствах используются алгоритмы, рекомендо­ванные Международным союзом электросвязи для конкретных скоростей передачи (стандарты кодирования речи), алгоритмы для кодеков стандар­тов сетей передачи (например, GSM и Inmarsat), национальные стандарти­зированные алгоритмы (в частности, стандарт США на скорость 4,8 кбит/с). Кроме того, кодеки могут изготавливаться по оригинальным специализи­рованным алгоритмам.

Обобщенная структурная схема системы передачи аналогового сиг­нала по цифровому каналу связи приведена на рис. 4.4.

Предмет интереса цифровой телефонии - кодер источника речевого сигнала и его взаимодействие с остальными блоками в этой схеме. Каждый из блоков позволяет решать какую-либо одну прикладную задачу, что влияет не только на характеристики системы в целом, но и на выбор вхо­дящих в нее элементов. Спектр речи весьма широк (примерно от 50 до 10 ООО Гц), но для пе­редачи речи в аналоговой телефонии когда-то отказались от составляю­щих, лежащих вне полосы 0,3...3,4 кГц, что ухудшило восприятие ряда звуков (например, шипящих, существенная часть энергии которых сосре доточена в верхней части речевого спектра), но мало затронуло разборчи­вость. Ограничение частоты снизу (до 300 Гц) также ухудшает восприятие из-за потерь низкочастотных гармоник основного тона. А в цифровой те­лефонии к влиянию ограничения спектра добавляются еще шумы дискре­тизации, квантования и обработки, дополнительно зачумляющие речь.

Решающими в выборе полосы 0,3...3.4 кГц были экономические со­ображения и нехватка телефонных каналов. Более того, в те времена, когда время ожидания заказанного разговора составляло десятки часов, эконо­мические ограничения привели к установке на трансконтинентальных ли­ниях США и атлантическом кабеле так называемой аппаратуры J2, каналы которой и вовсе имели полосу 0,3...1,7 кГц. Такая аппаратура некогда ра­ботала и на линии Москва-Владивосток. Качество ее каналов едва дости­гало двух баллов MOS, но решающим оказалось двукратное увеличение числа телефонных соединений. Потребности пользователей в каналах сде­лали тогда вопросы качества речи второстепенными. Для совместимости по полосе с распространенными аналоговыми сетями в цифровой телефо­нии отсчеты аналоговой речи приходится брать согласно теореме Котель- никова с частотой 8 кГц - не меньше двух отсчетов на 1 Гц полосы. Прав­да, в цифровой телефонии существует принципиальная возможность ис­пользовать спектр речи за пределами полосы 0,3...3,4 кГц и тем самым по­высить качество, но эти методы не реализуются, так как они вычислитель­но пока еще очень сложны [11].

Рассмотрим метод цифрового предстааления речи, прямое аналого-циф­ровое преобразование (или импульсно-кодовая модуляция, ИКМ) (рис, 4.5).

Рис. 4.5. Преобразование речевого сигнала в дискретный

Прямое аналого-цифровое преобразование является низкоэффектив­ным (т. е. имеющим малую скорость кодирования при заданном качестве¹ высококачественным методом кодирования. Кодеки, построенные на базе данного метода, работают на скоростях не ниже 32 кбит/с. При этом поло­са входного аналогового сигнала 01раничена диапазоном 0,3...3,4 кГц. Для повышения качества преобразования полоса может быть расширена до 6 кГц, _что соответствует скорости передачи 88 кбит/с при частоте дискретизации 12 кГц (при дальнейшем расширении полосы качество представления речи не повышается). Еще в 60-х гг. был принят алгоритм оцифровки голоса иод названием импульсно-кодовой модуляции (Pulse-Code Modulation - PCM). Этот алгоритм (международный стандарт G.711) используется при переда­че голоса в коммерческих телефонных сетях. Оцифровка голосового сиг­нала включает измерение уровня аналогового сигнала через равные про­межутки времени. В соответствии со стандартом G.711 принимается, что для узнаваемости голоса необходимо обеспечить передачу его частотных составляющих в диапазоне от 200 до 3 400 Гц. Известно, что для правиль­ной передачи всех частотных составляющих необходимо измерять уровень сигнала с частотой 8 кГц. В стандарте также принимается, что оцифровка аналогового сигнала производится с восьмиразрядным разрешением. При этом обычно используется один из двух способов установления соответст­вия между амплитудой звукового сигнала и цифровым значением - либо А-кодирование (оно принято в Европе и Азии), либо ц-кодирование (при­нятое в США, Канаде и некоторых других странах). И то и другое - просто таблицы соответствия между измеряемым значением напряжения и чис­лом, при помощи которого оно кодируется. Для передачи одного голосо­вого канала в цифровом виде требуется пропускная способность 64 кбит/с (8 кГц • 8 разрядов).

В процессе формирования АИМ сигнала осуществляется дискрети­зация непрерывного (аналогового) сигнала во времени в соответствии с из­вестной теоремой отсчетов Уиттакера-Найквиста-Котельникова - Шенно­на (теорема Котельникова). Которая гласит, что если непрерывный сигнал x(t) имеет спектр, ограниченный частотой F_max, то он может быть одно­значно и без потерь восстановлен по своим дискретным отсчетам, взятым с частотой

F_дискр=2F_max

Процедура дискретизации непрерывного сигнала во времени осуще­ствляется в дискретизаторе с тактовой частотой

F_дискр=1/T_дискр

превышающей наивысшую частоту спектра сигнала вдвое. Частота дис­кретизации для телефонных сигналов выбрана 8 кГц.

Для обеспечения подавления спектральных компонентов сигнала с час­тотами большими половины частоты дискретизации на входе дискретизатора необходим фильтр нижних частот, ограничивающий спектр сигнала некоторой частотой. Для телефонных сигналов необходимо использовать ФНЧ с частотой среза 3,4 кГц.

Следующие процессы аналогово-цифрового преобразования осуще­ствляются в квантователе. Первый - квантование по уровню, второй - кодирование квантованных значений. Рассмотрим данные процессы под­робнее.

Речевой сигнал пропускается через фильтр нижних частот, и в ре­зультате дискретизации получается последовательность непрерывных ве­личин {х(n)}. Для того чтобы передать эту последовательность отсчетов по цифровому каналу связи, каждый отсчет необходимо проквантовать до ко­нечного множества значений, которое можно описать конечным множеством символов.

При равномерном квантовании весь диапазон значений передаваемо­го сигнала x(t) разбивают на N уровней квантования, отстоящих друг от друга на шаг квантования А так, что

x_max(t)- x_min(t)<N-∆

Поиск по сайту: