Asterisk™: будущее телефонии Второе издание

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