2.2.4. Дискретна модуляція аналогових сигналів

Однієї з основних тенденцій розвитку мережних технологій є передача в одній мережі як дискретних, так і аналогових по своїй природі даних. Джерелами дискретних даних є комп'ютери й інші обчислювальні пристрої, а джерелами аналогових даних є такі пристрої, як телефони, відеокамери, звуко- і відеовідтворююча апаратура. На ранніх етапах розв'язання цієї проблеми в територіальних мережах усі типи даних передавалися в аналоговій формі, при цьому дискретні за своїм характером комп'ютерні дані перетворювалися в аналогову форму за допомогою модемів.

Однак по мірі розвитку техніки прийому і передачі аналогових даних з'ясувалося, що передача їх в аналоговій формі не дозволяє поліпшити якість прийнятих на іншому кінці лінії даних, якщо вони істотно спотворилися при передачі. Сам аналоговий сигнал не дає ніяких вказівок ні про те, що відбулося перекручування, ні про те, як його виправити, оскільки форма сигналу може бути кожний, у тому числі і такий, котру зафіксував приймач. Поліпшення ж якості ліній, особливо територіальних, вимагає величезних зусиль і капіталовкладень. Тому на зміну аналоговій техніці запису і передачі звуку і зображення прийшов цифрова техніка. Ця техніка використовує так звану дискретну модуляцію вихідних безупинних у часі аналогових процесів.

Дискретні способи модуляції засновані на дискретизації безупинних процесів як по амплітуді, так і за часом (мал. 2.19). Розглянемо принципи дискретної модуляції на прикладі імпульсно-кодової модуляції, ІКМ (Pulse Amplitude Modulation, РАM), що широко застосовується в цифровій телефонії.

Мал. 2.19. Амплітуда модуляції неперервного процесу

Амплітуда початкової неперервної функції виміряється з заданим періодом — за рахунок цього відбувається дискретизація за часом. Потім кожен вимір представляється у виді двійкового числа визначеної розрядності, що означає дискретизацію за значеннями функції — неперервна множина можливих значень амплітуди заміняється дискретною множиною її значень. Пристрій, що виконує подібну функцію, називається аналого-цифровим перетворювачем (АЦП). Після цього перетворення сигнали передаються по каналах зв'язку у вигляді послідовності одиниць і нулів. При цьому застосовуються ті ж методи кодування, що й у випадку передачі початкової дискретної інформації, тобто, наприклад, методи, засновані на коді B8ZS чи 2B1Q, На прийомній стороні лінії коди перетворяться у вихідну послідовність біт, а спеціальна апаратура, яка називається цифро-аналоговим перетворювачем (ЦАП), робить демодуляцію оцифрованих амплітуд безупинного сигналу, відновлюючи вхідну неперервну функцію часу. 

Дискретна модуляції заснована на теорії відображення Найквіста — Котельнікова. Відповідно до цієї теорії, аналогова неперервна функція, передана у виді послідовності її дискретних за часом значень, може бути точно відновлена, якщо частота дискретизації була в два чи більше разів вище, ніж частота найвищої гармоніки спектра вихідної функції. Якщо ця умова не дотримується, то відновлена функція буде істотно відрізнятися від вхідної. Перевагою цифрових методів запису, відтворення і передачі аналогової інформації є можливість контролю вірогідності лічених з носія чи отриманих по лінії зв'язку даних. Для цього можна застосовувати ті ж методи, що застосовуються для комп'ютерних даних (і розглядаються більш докладно далі), — обчислення контрольної суми, повторна передача перекручених кадрів, застосування кодів, що самокорегуються. 

Для якісної передачі голосу в методі ІКМ використовується частота квантування амплітуди звукових коливань у 8000 Гц. Це зв'язано з тим, що в аналоговій телефонії для передачі голосу був обраний діапазон від 300 до 3400 Гц, що досить якісно передає всі основні гармоніки співрозмовників. Відповідно до теореми Найквіста — Котельнікова для якісної передачі голосу досить вибрати частоту дискретизації, у два рази перевищуючу найвищу гармоніку безупинного сигналу, тобто 2х3400 = 6800 Гц. Обрана в дійсності частота дискретизації 8000 Гц забезпечує деякий запас якості. У методі ІКМ звичайно використовується 7 чи 8 біт коду для представлення амплітуди одного виміру. Відповідно це дає 127 чи 256 градацій звукового сигналу, що виявляється цілком достатнім для якісної передачі голосу. При використанні методу ІКМ для передачі одного голосового каналу необхідна пропускна здатність 56 чи 64 Кбіт/с в залежності від того, якою кількістю біт представляється кожен вимір. Якщо для цих цілей використовується 7 біт, то при частоті передачі вимірів у 8000 Гц одержуємо:
8000 х 7 = 56000 біт/с чи 56 Кбіт/с;
а для випадку 8-ми біт:
8000 х 8 = 64000 біт/с чи 64 Кбіт/с.

Стандартним є цифровий канал 64 Кбіт/с, що також називається елементарним каналом цифрових телефонних мереж. Передача безупинного сигналу в дискретному виді вимагає від мереж твердого дотримання часового інтервалу в 125 мкс (відповідного частоті дискретизації 8000 Гц) між сусідніми вимірами, тобто вимагає синхронної передачі даних між вузлами мережі. При недотриманні синхронності прибуваючих вимірів вхідний сигнал відновлюється невірно, що приводить до перекручування голосу, чи зображення іншої мультимедійної інформації, яка передається по цифрових мережах. Так, перекручування синхронізації в 10 мс може привести до ефекту "місяця", а зрушення між вимірами в 200 мс приводять до втрати розпізновальності вимовних слів. У той же час втрата одного виміру при дотриманні синхронності між іншими вимірами практично не позначається на відтвореному звуці. Це відбувається за рахунок пристроїв, що згладжують, у цифро-аналогових перетворювачах, що засновані на властивості інерційності будь-якого фізичного сигналу — амплітуда звукових коливань не може миттєво змінитися на велику величину. На якість сигналу після ЦАП впливає не тільки синхронність надходження на його вхід вимірів, але і погрішність дискретизації амплітуд цих вимірів. В теоремі Найквиста — Котельникова передбачається, що амплітуди функції виміряються точно, у той же час використання для їхнього збереження двійкових чисел з обмеженою розрядністю трохи спотворює ці амплітуди. Відповідно спотворюється відновлений безупинний сигнал, що називається шумом дискретизації (по амплітуді).

Існують і інші методи дискретної модуляції, що дозволяють представити виміри голосу в більш компактній формі, наприклад у виді послідовності 4-бітних чи 2-бітних чисел. При цьому один голосовий канал вимагає меншої пропускної здатності, наприклад 32 Кбіт/с, 16 Кбіт/с чи ще менше. З 1985 року застосовується стандарт CCITT кодування голосу, називаний Adaptive Differential Pulse Code Modulation (ADPCM). Коди ADPCM засновані на перебуванні різниці між послідовними вимірами голосу, що потім і передаються по мережі. У коді ADPCM для збереження однієї різниці використовуються 4 біт і голос передається зі швидкістю 32 Кбіт/с. Більш сучасний метод, Linear Predictive Coding (LPC), робить виміри вхідної функції більш рідко, але використовує методи прогнозування напрямку зміни амплітуди сигналу. За допомогою цього методу можна понизити швидкість передачі голосу до 9600 біт/с.

Представлені в цифровій формі безупинні дані легко можна передати через комп'ютерну мережу. Для цього досить помістити кілька вимірів у кадр якої-небудь стандартної мережевої технології, постачати кадр з правильною адресою призначення і відправити адресату. Адресат повинний витягти з кадру виміри і подати їх з частотою квантування (для голосу — з частотою 8 000 Гц) на цифроаналоговий перетворювач. В міру надходження наступних кадрів з вимірами голосу операція повинна повторитися. Якщо кадри будуть прибувати досить синхронно, то якість голосу може бути досить високою. Однак, як ми вже знаємо, кадри в комп'ютерних мережах можуть затримуватися як у кінцевих вузлах (при чеканні доступу до поділюваного середовища), так і в проміжних комунікаційних пристроях — мостах, комутаторах і маршрутизаторах. Тому якість голосу при передачі в цифровій формі через комп'ютерні мережі звичайно буває невисокою. Для якісної передачі оцифрованих безупинних сигналів — голосу, зображення — сьогодні використовують спеціальні цифрові мережі, такі як ISDN, ATM, і мережі цифрового телебачення. Проте для передачі всередині корпоративних телефонних розмов сьогодні характерні мережі Frame relay, затримки передачі кадрів яких укладаються в припустимі рамки.


Попередня Перша Наступна