Тема: Основные параметры сигналов.

Лекция №3

 

Содержание:

1. Длительность, ширина спектра и динамический диапазон.

2. Примеры: речевые (телефонные), вещательные, телевизионные телеграфные сигналы, сигналы передачи данных.

 

Длительность сигнала практически всегда конечна, а ширина частотного спектра ограничивается диапазоном частот гармоник, сумма которых описывает сигнал с приемлемой для практики допустимой погрешностью.

Длительность сигнала определяет время его существования, ширина спектра - диапазон частот, в котором сосредоточена основная энергия. Эти характеристики полезны при определении требований, предъявляемых к каналам связи. Например, для неискаженной передачи сигналов емкость канала (см. § 1.3) должна быть не меньше объема сигнала.

Длительность сигнала Pi1 0 задается изменением сдвига пневмоповторителя, а длительность сигнала Pi1 1 уже сдвигом другого пневмоповторителя.

 

Длительность сигнала и ширина его спектра подчиняются соотношению неопределенности, гласящему, что произведение этих параметров (база сигнала) не может быть меньше единицы. Ограничений максимального значения базы сигнала не существует. А вот короткий сигнал с узким спектром, согласно соотношению неопределенности, существовать не может.

 

Длительность сигнала и ширина набора частот волн, из которых сигнал состоит, связаны обратно пропорциональной зависимостью. Качественно это соотношение понятно: если имеется длинный обрывок синусоиды, соответствующий сигналу большой длительности (Д велико), то это почти монохроматическая волна (Дш мало), А чтобы составить короткий сигнал, нужно сложить много волн с разными частотами. Все, наверное, замечали, что удар молнии вызывает помехи в радиоприемнике во всех диапазонах частот.

 

Длительность сигнала (импульса электромагнитных волн) составляет миллионные доли секунды. На экране электронно-лучевой трубки радиолокатора луч развертывается с постоянной скоростью, причем частота развертки равна числу сигналов, посылаемых в секунду станцией. В момент отправления очередного импульса подается и импульс напряжения на пластины конденсатора, управляющего вертикальным смещением луча. После этого антенна радиолокатора переключается на прием. Радиосигнал, достигая цели, рассеивается на ней и частично отражается обратно. Отраженный сигнал принимается, усиливается и дает вторую вертикальную отметку на экране осциллографа. Положение первой отметки, получаемой при отправлении сигнала, строго неподвижно.

 

При рассмотрении вопроса о сжатии и растяжении сигнала стало ясно, что чем уже сигнал, тем более широкий у него спектр. Обычно как сигнал, так и его спектр, не бывают строго ограничены по времени или по частоте. Поэтому необходимо определить понятия длительность сигнала и ширина его спектра. При этом обычно используют два подхода:

энергетический;

информационный.

 

При энергетическом подходе длительность сигнала или ширину его спектра определяют по заданной доле от полной энергии сигнала. Так, например, для сигнала в виде прямоугольного импульса длительностью t спектральная плотность имеет бесконечно широкий спектр, однако анализ показывает, что первый лепесток спектра содержит 90% от полной энергии импульса, а сумма первого и второго уже 95%. Аналогично можно рассуждать и о длительности бесконечно длящегося сигнала с конечной энергией.

 

При информационном подходе важное значение имеет форма сигнала: чем шире взята за основу условная ширина его спектра, тем ближе по форме к исходному может быть воспроизведенный по ограниченному спектру сигнал. Иногда ширину спектра определяют по уровню от максимального значения. Для колоколообразных импульсов принята величина е-1/2=0,606 от максимума. Ширина спектра и длительность сигнала взаимосвязаны. Для выявления этой связи определяют так называемые эффективные длительность и ширину спектра, которые вычисляют с помощью следующих соотношений:

 

 

где

- середина импульса;

 

 

Полная длительность сигнала равна 2 , а полная ширина спектра, включая и отрицательные частоты, 2 , Произведение длительности на полосу равно:

 

Произведение * зависит от формы сигнала, но не может быть меньше 0.5(только для импульсов гауссовой формы это произведение равно 0.5). Не для всех сигналов данные интегралы имеют смысл(сходятся). Для определения и необходимо, чтобы функция s(t) убывала бы быстрее, чем 1/t, а функция S(w) быстрее, чем 1/ w.

 

Для сигналов, не удовлетворяющих этим условиям, и применяют энергетический, либо информационный критерий, но следует помнить, что с уменьшением длительности сигнала ширина его спектра увеличивается, т.е. произведение длительности на ширину спектра для данного типа сигнала величина постоянная.

 

Для решения практических задач радиотехники крайне важно знать значения длительности и ширины спектра сигнала, а также соотношение между ними. Знание длительности сигнала позволяет решать задачи эффективного использования времени, предоставляемого для передачи сообщений, а знание ширины спектра – эффективного использования диапазона радиочастот.

 

Решение указанных задач требует строгого определения понятий «эффективная длительность» и «эффективная ширина спектра». На практике существует большое число подходов к определению длительности. В том случае, когда сигнал ограничен во времени (финишный сигнал), как это имеет место, например, для прямоугольного импульса, определение длительности не встречает затруднений. Иначе обстоит дело, когда теоретически сигнал имеет бесконечную длительность, например, экспоненциальный импульс

В этом случае в качестве эффективной длительности может быть принят интервал времени , в течение которого значение сигнала . При другом способе в качестве выбирают интервал времени, в течение которого . То же самое можно сказать и в отношении определения эффективной ширины спектра .

 

Хотя в дальнейшем, некоторые из этих способов будут использоваться при анализе радиотехнических сигналов и цепей, следует отметить, что выбор способа существенно зависит от формы сигнала и структуры спектра. Так для экспоненциального импульса более предпочтителен первый из указанных способов, а для сигнала колоколообразной формы – второй способ.

 

Более универсальным является подход, использующий энергетические критерии. При таком подходе в качестве эффективной длительности и эффективной ширины спектра рассматриваются соответственно интервал времени и диапазон частот, в пределах которых сосредоточена подавляющая часть энергии сигнала

 

 

где – коэффициент, показывающий, какая часть энергии сосредоточена в интервалах или . Обычно величину выбирают в пределах .

 

Применим критерии (2.52) и (2.53) для определения длительности и ширины спектра прямоугольного и экспоненциального импульсов. Для прямоугольного импульса вся энергия сосредоточена в интервале времени или , поэтому его длительность . Что касается эффективной ширины спектра, то установлено, что более 90% энергии импульса сосредоточено в пределах первого лепестка спектра. Если рассматривать односторонний (физический) спектр импульса, то ширина первого лепестка спектра составляет в круговых частотах или в циклических частотах. Отсюда следует, что эффективная ширина спектра прямоугольного импульса равна

или

 

 

Телефония — область науки и техники, охватывающая изучение принципов построения систем телефонной связи, разработку аппаратуры для её осуществления и использования, а также оценку качества передачи речевой информации по таковым каналам связи. Современные системы связи предназначены для передачи разнообразнейших видов сообщений: телефонных, телеграфных, факсимильных, телевизионного и звукового вещания. В последнее время значительно расширились различные виды сигналов данных, предназначенных для связи между компьютерами или терминалами, для систем телесигнализации, теле-управления и прочее. Телефония позволяет организовывать (устанавливать соединение) и вести местные, внутризоновые, междугородные и международные телефонные переговоры и передавать факсы, а также устанавливать модемное соединение в режиме реального времени. В своей первичной форме TDM используется для коммуникационных схем, использующих постоянное число каналов и постоянную пропускную способность в каждом из каналов.

Главное отличие мультиплексирования с разделением во времени от статистического мультиплексирования, такого как пакетное мультиплексирование, это то, что таймслоты в нем следуют в заданном, периодически повторяющемся порядке, в отличие от пакетной обработки (по мере поступления пакетов). Статистическое мультиплексирование похоже, но не должно быть рассматриваемо как мультиплексирование с подразделением времени.

В динамическом TDMAccess алгоритм планирования динамически резервирует переменное число временных интервалов для организации динамического изменения пропускной способности, основанным на требованиях к трафику каждого потока данных. Динамический TDMA используется в:

IEEE 802.11;

IEEE 802.16a. Человеческая речь представляет собой случайный процесс с полосой частот от 80 до 12000 Гц. Однако форманты, определяющие разборчивость речи, расположены, в основном, в полосе частот 300-3400 Гц.

Речевой звук — звук, образуемый произносительным аппаратом человека с целью языкового общения (к произносительному аппарату относятся: глотка, ротовая полость с языком, лёгкие, носовая полость, губы, зубы) В сетях с коммутируемыми каналами связи, таких как, например, городские общественные телефонные сети, существует необходимость передавать одновременно множество звонков разных абонентов в одной среде передачи. Для реализации этой задачи можно использовать TDM. Стандартный голосовой сигнал(DS0) использует 64 кбит/с. TDM берет фреймы голосового сигнала и мультиплексирует их в TDM-фреймы, которые передаются с большей пропускной способностью. Таким образом, если TDM-фрейм содержит n голосовых фреймов, то пропускная способность будет n*64 кбит/с.

Каждый голосовой таймслот в TDM-фрейме называется каналом. В европейских системах TDM-фрейм состоит из 30-и цифровых голосовых каналов, в Американском стандарте их 24. Оба эти стандарта включают в себя битовые таймслоты для сигнализации (см.: ОКС-7) и синхронизационные биты.

Мультиплексирование более чем 30-ти и 24-х цифровых голосовых канала называется мультиплексирование высшего порядка, который может быть достигнут посредством мультиплексирования стандартных TDM-фреймов. Например, европейский 120-канальный TDM-фрейм формируется с помощью мультиплексирования четырех 30-канальных TDM-фреймов. При каждом мультиплексировании более высокого порядка комбинируются 4 фрейма предыдущего порядка, созданных мультиплексированием n×64 кбит/с, где n = 120, 480, 1920 и т. д. При разговоре, голосовые сигналы (слова, которые мы произносим) преобразуются в электрический сигнал, передаваемый через телефонную сеть другой стороне. Когда электрический сигнал достигает адресата, он преобразуется в голосовые сигналы оригинала. К достоинствам телефонии относятся её: распространённость, надёжность, весьма высокая скорость связи и простота использования, возможность быстрого и относительно недорогого развёртывания. Она использует технологию сжатия наших голосовых сигналов (TDM) при магистральной передаче (от АТС к АТС), а также использует существующую и развивающуюся ёмкость телефонных линий. Поэтому голосовые сигналы и даже различные их типы (речь/факс/модем) могут перемещаться по одной и той же магистральной линии передачи (от АТС к АТС или от офисной АТС к АТС) в одно и то же время. Наиболее известной характеристикой речевого сигнала является основной тон. Эта характеристика представляет собой обычную частотную модуляцию сигнала, параметры которой легко измеряются (установлено, что частота основного тона разных людей (мужчин, женщин, детей) находится в диапазоне 50-250 Гц.).

Классифицируется относительное изменение частоты, и траектория во времени при произнесении слова или фразы. Относительное изменение частоты может достигать 15 %, что в европейских языках передаёт эмоциональную составляющую речи (так, в русском языке различные траектории вызывают ощущение до 28 типов эмоций; однако ударение - музыкальное), а в некоторых восточных - смысловую (см., например, три явления в китайской фонетике). За барабанной перепонкой в среднем ухе есть три маленькие слуховые косточки, которые называются «молоточек», «наковальня» и «стремечко». Они связывают барабанную перепонку с эластичной мембраной, затягивающей овальное окно внутреннего уха. Звуковые волны, достигая наружного уха, продвигаются по слуховому проходу и вызывают колебания барабанной перепонки. Слуховые косточки по очереди усиливают и передают колебания в овальное окно внутреннего уха. Это вызывает вибрацию жидкости, наполняющей раковину внутреннего уха, или, как еще ее называют, ушную улитку. Ее крошечные клетки воспринимают звук специальными нервами. Они передают полученный сигнал в мозг, где он обрабатывается, и только после этого мы «слышим». Когда звуковые волны попадают в наружное ухо, они продолжают свой путь по наружному слуховому проходу. В его конце находится тонкая кожа, плотно натянутая поперек. Она отделяет наружное ухо от среднего и называется барабанной перепонкой. С внутренней стороны находится короткая трубка, которая называется «евстахиева труба», она ведет в гортань. Это обеспечивает одинаковое с атмосферным давление на барабанную перепонку со стороны полости среднего уха. В противном случае перепонка могла бы порваться из-за громкого звука. В телекоммуникациях мультиплексирование подразумевает передачу данных по нескольким логическим каналам связи в одном физическом канале. Под физическим каналом подразумевается реальный канал со своей пропускной способностью — медный или оптический кабель, радиоканал. Телефонный сигнал получается путем преобразования звуковых волн, образующихся при разговоре, в электрический сигнал при помощи микрофона.

В 30-х годах ХХ в. в различных странах мира (Великобритания, Франция, Германия, Япония, США и пр.) проводились измерения средней мощности телефонного сообщения с целью установления единого стандарта и была принята рекомендация МККТТ(Международный консультативный комитет по телефонии и телеграфии) на величину средней мощности

рk = 32 мкВт (-15 дБм). На рисунке: А, В и С — мультиплексируемые каналы с пропускной способностью (шириной) N и длительностью кадра Δt; E — мультиплексированный канал с той же длительносью Δt но с шириной M*N, один кадр которого (суперкадр) несёт в себе все 3 кадра входных мультиплексируемых сигналов последовательно, каждому каналу отводится часть времени суперкадра — таймслот, длиной ΔtM=Δt/M

и результат демультиплексирования совпадает с исходным потоком канала (А, В или С на рисунке) и по фазе, и по скорости, т. е. протекает незаметно для конечного получателя. При организации телефонной (речевой) связи по пакетной сети важную роль играют некоторые характеристики телефонного разговора, которые могут накладывают существенные ограничения на выбор той или иной модели передачи.

 

В самом общем виде схема организации телефонной связи по сети передачи данных с пакетной коммутацией представлена на Рис.

Для наглядности этой схемы, вводится понятие УСПРД (устройство совместной передачи речи и данных), включающее весь набор аппаратно-программных средств, реализующих возможность совместной передачи речи и данных по пакетной сети. Для организации телефонной связи по пакетной сети необходим набор аппаратно-программных средств, функциями которого является:

 

1. Преобразование речевого аналогового сигнала и сигналов телефонной сигнализации в информационные единицы протоколов (пакеты или кадры).

2. Объединение речевого трафика и трафика данных.

 

Для частичной реализации первой функции используется ЦПОС (цифровой процессор обработки сигналов), который необходим для преобразования речевого сигнала в цифровой вид и формирования речевых кадров. Остальные преобразования реализуются программными средствами с использованием обычных универсальных процессоров.

На Рис. изображена структура программного обеспечения (ПО) для реализации возможности передачи речи по пакетной сети. Программное обеспечение пакетирования речи выполняет подготовку речевого сигнала для дальнейшей передачи по пакетной сети. В связи с этим, в его основные функции входит: преобразование речевого сигнала методом ИКМ, кодирование речевого сигнала, эхоподавление, обнаружение активности речи и адаптация воспроизведения. Кроме того, для нужд системы сигнализации вырабатываются специальные тоны сигнализации.

 

Определение активности речи заключается в том, что полученный сигнал проверяется на наличие в нем речевой информации. Если в течение определенного времени активность не обнаружена, то ПО информирует об этом протокол пакетной передачи речи. Данная функция позволяет избежать передачу речевых пауз, что может существенно влиять на эффективность использования полосы пропускания. Экономия может достигать 60%.

 

Адаптация воспроизведения заключается в буферизации речевых кадров для их равномерного воспроизведения. Реализация этой функции имеет следующие особенности: организуется буфер FIFO, предназначенный для хранения речевых элементов перед воспроизведением и компенсации задержек при передачи речевых пакетов; выбирается время измерения джиттера, которое позволяет осуществлять адаптивный контроль задержки FIFO.

 

Структура модуля пакетирования речи представлена на Рис. 1.3. Данное ПО осуществляет телефонную сигнализацию для обнаружения нового вызова и собирает адресную информацию (номер вызываемого абонента), которая используется системой для передачи вызова в порт получателя. ПО взаимодействует с ЦПОС для детектирования и генерации тонов сигнализации, а также для управления режимами работы, основанное на наблюдении состояния телефонной линии. Кроме того, ПО взаимодействует с телефонным интерфейсом для обеспечения функций сигнализации.

 

Структура программного обеспечения шлюза телефонной сигнализации представлена на Рис.1.4. Функционирование ПО телефонной сигнализации происходит следующим образом: модуль телефонного интерфейса (цифровой вход) осуществляет периодический контроль интерфейсов сигнализации и в случае обнаружения вызова подключает модуль обработки вызовов, который поддерживает различные стандарты телефонной сигнализации. В модуле трансляции адресов телефонные номера преобразуются в сетевые адреса для передачи вызова по пакетной сети. На приемном конце модуль преобразования протоколов сигнализации переведет сообщения телефонной сигнализации, принятые в конкретной пакетной сети, в формат, совместимый с протоколом сигнализации инициатора сеанса связи.

 

Драйвер интерфейса ЦПОС занимается распределением управляющей информации между основным микропроцессором и одним или несколькими ЦПОС. Одним из основных узлов ПО пакетирования речи является вокодер.

Вокодер (от англ. voice - голос и coder - кодировщик) представляет собой устройство (или алгоритм), осуществляющее параметрическое компандирование речевого сигнала.

Компандирование - способ преобразования речевого сигнала, при котором на передающем конце тракта происходит сжатие по одному или нескольким измерениям (частотный диапазон, динамический диапазон, временной интервал), а на приёмном - восстановление первоначального объёма сигнала путём соответствующего расширения. Компандирование включает преобразования: компрессию (сжатие) и декомпрессию (восстановление) речевого сигнала. Наиболее эффективными являются вокодеры на основе метода линейного предсказания речи. Вокодеры данного типа работают уже с целыми блоками подготовленных отсчетов. Для каждого такого блока значений вычисляются его характерные параметры: частота, амплитуда и ряд других. Затем из значений этих параметров формируется речевой кадр, готовый для передачи. При таком подходе к кодированию речи, во-первых, возрастают требования к вычислительным мощностям ЦПОС, а во-вторых, увеличивается задержка при передаче, поскольку кодирование применяется не к отдельным значениям, а к некоторому их набору, который перед началом преобразования следует накопить в определенном буфере. Передача телефонного трафика по сетям с пакетной коммутацией сопряжена с определенными трудностями, которые вытекают из естественных особенностей телефонного разговора. Основное нежелательное явление - задержка передачи речевого сигнала от одного абонента другому.

Задержка вызывает два нежелательных явления - эхо и наложение речи.

Под эхом понимается физический процесс отражения звуковых сигналов, поступающих на дифсистему, осуществляющую согласование 4-проводного и 2-проводного каналов. Отраженные таким образом сигналы поступают обратно к говорящему абоненту и ухудшают разборчивость принимаемой речи. Наложение речи - процесс, при котором речь одного говорящего прослушивается в телефоне другого в тот момент, когда он ведет активный разговор, в отличие от эха, когда абонент прослушивает собственный голос. Согласно рекомендации ITU-T G.114 данная проблема становится существенной, если односторонняя задержка становится большей 150 миллисекунд. Общая задержка в сети является величиной, состоящей из следующих компонентов:

 

а) Задержка накопления. Эта задержка вызвана необходимостью подготовки кадра из последовательности речевых отсчетов, который будет обрабатываться вокодером. Величина данной задержки будет равна размеру (длительности) кадра выбранного типа вокодера. Время подготовки одного речевого отсчета равно 125 мкс. Спасибо за внимание!!! Работу выполнил Лим В.О.