Г) с учетом вышеизложенного осуществите восстановление речевого сообщения на приемной стороне

Б) исходя из приведенных характеристик речевых сообщений, с учетом требований по сокращению объемов их битовых представлений, приведите последовательность преобразования данных сообщений для передачи по каналу связи в цифровом виде

Для речевых сигналов с указанной выше полосой частот, согласно теореме Котельникова, необходимо использовать частоту дискретизации fд = 8 кГц. Именно это значение частоты дискретизации является общепринятым стандартом при цифровой обработке речевых сигналов.

Большое число разрядов в коде (n=12) при равномерном квантовании приводит к усложнению аппаратуры и неоправданно­му увеличению тактовой частоты. Устранить указанный сущест­венный недостаток можно, осуществляя неравномерное квантова­ние, которое используется в современных цифровых системах пе­редачи (ЦСП). Сущность неравномерного квантования заключа­ется в следующем. Для малых значений сигналов шаг квантования выбирают минимальным и постепенно увеличивают до макси­мального для больших значений сигналов. Амплитудная характе­ристика неравномерного квантователя показана на рис.1 а

Рис. 1 Примеры характеристик: а) характеристика неравномерного устройства квантования; б) характеристика сжатия; в) характеристика равномерного устройства квантования.

При этом для слабых сигналов мощность шумов квантования Ршкв уменьшается, а для силь­ных - возрастает, что приводит к увеличению защищенности от шумов квантования Aз.кв=10lg(Pc / Pш.кв.) для слабых сиг­налов и снижению Aз.кв для сильных, которые имели большой за­пас по помехозащищенности. В результате удается снизить раз­рядность кода до n = 8 (L=256), обеспечив при этом выполнение требований к защищенности от шумов квантования в широком ди­намическом диапазоне сигнала, составляющем около 40 дБ. Таким образом, происходит выравнивание в широком диапа­зоне изменения уровней сигнала.

Эффект неравномерного квантования может быть получен с помощью сжатия динамического диапазона сигнала с последую­щим равномерным квантованием. Сжатие динамического диапазо­на сигнала осуществляется с помощью компрессора, обладающего нелинейной амплитудной характеристикой. Чем большей нелиней­ностью обладает компрессор, тем больший выигрыш может быть получен для слабых сигналов (Рис. 1 б). Для сигналов малой амплитуды характери­стика сжатия имеет более крутой фронт, чем для сигналов большой амплитуды. Следо­вательно, изменение данного сигнала при малых амплитудах затронет большее число равномерно размещенных уровней квантования, чем-то же изменение при больших ам­плитудах. Характеристика сжатия эффективно меняет распределение амплитуд входного сигнала, так что на выходе системы сжатия уже не существует превосходства сигналов малых амплитуд. После сжатия деформированный сигнал подается на вход равномер­ного (линейного) устройства квантования с характеристикой, показанной на рис. 1,в. Для восстановления исходного динамического диапазона сиг­нала на приеме необходимо установить экспандер (расширитель), амплитудная характеристика которого должна быть обратной ам­плитудной характеристике компрессора (рис. 1, б). Таким образом, результи­рующая (суммарная) амплитудная характеристика цепи компрес­сор-экспандер (компандер) должна быть линейной во избежание нелинейных искажений передаваемых сигналов.

В) с учетом выбранных частоты дискретизации и числа уровней квантования определить скорость передачи речи по каналу связи и провести анализ существующих технологий цифровых систем связи

В результате преобразования аналогового сигнала в циф­ровой он превращается в поток информации в виде двоичных символов (бит) со скоростью передачи 64 кбит/с. Канал, в котором передается такой цифровой по­ток, получил название «Основной цифровой канал» (ОЦК) или по международ­ной классификации DSO. Из сказанного выше понятно, что 64 кбит/с — это скорость, соответствующая одному телефонному каналу.

В настоящее время широко используется несколько разновидностей технологий цифровых систем связи: плезиохронный (ПЦИ — на английском — PDH), синхронный (СЦИ —SDH), ATM (режим асинхронной передачи), к цифровым относятся компьютерные сети Ethernet, Internet и т. д.

В существующих линиях и сетях связи передается одновременно большое количество (группа) таких каналов. Следовательно, по всем линиям, за исключением абонентского участка (от АТС к абоненту и обратно), передает­ся групповой цифровой сигнал. Он формируется методом временного разделения каналов, состоящим в том, что импульсы основного цифрового потока DSO кван­туются по времени на более короткие импульсы, которые затем с соответствую­щими временными сдвигами располагаются в один ряд, образуя новый цифровой поток (частота, с которой происходит временное квантование, называется такто­вой). Для последующего выделения (разделения) каналов на приеме в этот цифро­вой поток на границах импульсов, соответствующих каждому основному каналу, добавляются идентификационные синхроимпульсы. Таким образом, в групповом канале скорость передачи информации возрастает в зависимости от количества основных каналов. Операция образования группового цифрового потока инфор­мации из ряда основных каналов DSO получила название мультиплексирования с временным разделением каналов.

В соответствии с нормами ITU-T и ГОСТ РФ на этих линиях в европейских странах и странах Латинской Америки передается 30 телефонных (т. е. основных) каналов DSO. Кроме этого, в групповом линейном потоке пере­дается еще два дополнительных канала сигнализации и управления. Таким обра­зом, фактически количество передаваемых каналов n = 32. Перемножение коли­чества каналов (32) на скорость основного канала (64 кбит/с) дает скорость пере­дачи группового цифрового потока, равную 2048 кбит/с (2,048 Мбит/с). В США и Канаде аналогичный канал имеет скорость 1544 кбит/с (24 канала DSO). Пара­метры систем с этими скоростями стандартизированы документами МСЭ-Т (ITU-T) соответственно Рекомендациям G.733 и G.732. Если исходный цифровой (абонент­ский) канал 64 кбит/с называется основным (ОЦК или DSO), то групповой циф­ровой канал со скоростью 2048 (или 1544) кбит/с называется первичным цифро­вым каналом (ПЦК или DS1). Очевидно, что количество телефонных каналов, равное 30 (24), особенно при передаче в региональных, а тем более в магистральных линиях, совершенно недо­статочно. Поэтому международными соглашениями было установлено, что скорость передачи ПЦК и каждого канала последующего порядка может быть увеличена с помощью мультиплексирования с коэффициентом, кратным 4. При этом используется тот же метод временного квантования импульсных последовательностей мультиплексируемых сигналов с новой, более высокой (в 4 раза) тактовой ча­стотой, которая может быть не синхронизированной с тактовой частотой исход­ных каналов ПЦК (или каналов предыдущего порядка). Таким образом, получает­ся ряд скоростей передачи информации: 2048, 8448, 34368, 139264 и 564992 кбит/с. Из приведенного ряда видно, что значения скоростей не точно кратны четырем. Объясняется это тем, что для идентификации групп каналов (или блоков, паке­тов, контейнеров) вводятся дополнительные биты, нарушающие указанную выше кратность. Вместе с тем, по числу основных каналов (DSO), которые передаются в групповых потоках с перечисленными выше скоростями, кратность четырем со­блюдается четко: 30 (DSO) — 120 — 480 — 1920 — 7680. Перечисленные скорости образуют иерархический ряд или цифровые иерархии. Для стран Европы и Латин­ской Америки каждая цифровая иерархия получила свое обозначение:

Е1 — Первичная цифровая иерархия — ПЦИ (2048 кбит/с)

Е2 — Вторичная цифровая иерархия — ВЦИ (8448 кбит/с)

ЕЗ — Третичная цифровая иерархия — ТЦИ (34368 кбит/с)

Е4 — Четверичная цифровая иерархия — ЧЦИ (139264 кбит/с)

Е5 — Пятеричная цифровая иерархия — ПЦИ (564992 кбит/с)

Отметим, что в перечисленных иерархиях скоростей передачи тактовые часто­ты соседних уровней, а тем более удаленных, не обязательно должны быть синхронизированы. Кроме того, частоты дискретизации в разных каналах также могут отличаться на небольшую величину. При этом используется внутренняя синхро­низация в индивидуальных каналах. В таких системах в процессе мультиплексиро­вания для выравнивания скоростей или тактовых частот добавляются (или изымаются) дополнительные биты. В результате на выходе мультиплексора формируется синхронизированная цифровая импульсная последовательность, скорость которой в n раз выше, чем в индивидуальных каналах (n кратно 4). Такие системы получи­ли название плезиохронных (плезио — почти) цифровых систем передачи, а циф­ровая иерархия — Плезиохронная цифровая иерархия — ПЦИ (PDH).

Приведенные выше системы ПЦИ были первоначально разработаны для ли­ний связи, в которых средой распространения групповых сигналов являлись либо электрический (металлический) коаксиальный кабель, либо радиорелейные ли­нии. Для таких линий передачи была разработана соответствующая аппаратура иерархий Е1 — Е4. В этих линиях связи вследствие малой полосы пропускания и большого затухания коаксиальных кабелей длина регенерационного участка для Е1 — Е2 не превышала 5 км, а для Е4 и того меньше — 1,5...2 км. Такие линии связи были очень дорогими и широкого распространения не получили (особенно это относится к Е4). Линии связи на коаксиальном кабеле для скорости 564992 кбит/с (Е5) имели регенерационный участок менее 1,5 км и по причине очень высокой стоимости не получили дальнейшего развития, малая длина регенерационных участков для Е4 и Е5 — не единственная причина того, что Е4 не получила широкого распространения в кабельных линиях на основе традицион­ных (металлических) кабелей, а Е5 не получила дальнейшего развития. Вторая, не менее важная причина указанного выше обстоятельства, связана с особенностями плезиохронных систем передачи. Отсутствие общей жесткой синхронизации так­товых частот различных уровней Е1 — Е5, а также добавление (или изъятие) вста­вок (стаффингов) в виде дополнительных бит в соответствующий код для вырав­нивания кодовых комбинаций приводят к невозможности выделения на ка­ком-либо промежуточном пункте зоновой или магистральной линии канала DSO или, скажем, DS1 из потока, например, уровня ЕЗ или Е4 без полного демультип­лексирования группового информационного потока. И если для уровня Е2 эта процедура не является сложной задачей и стоимость аппаратуры, осуществляю­щей эту операцию, повышается незначительно, то для уровня ЕЗ стоимость ана­логичных устройств существенно возрастает, а для уровней Е4 и Е5 в связи с не­обходимостью резкого повышения быстродействия электронных устройств эта стоимость возрастает до неприемлемых величин.

Развитие альтернативной среды распространения сигналов, переносящих ин­формацию, — оптического волокна, в котором носителем информации является не электрический ток, а оптическое излучение (поток фотонов), позволило мно­гократно увеличить длину регенерационных участков. Так, для иерархии ПЦИ Е1 и Е2 длина регенерационного участка возросла до 200 км, а для ЕЗ и Е4 — более 100 км. При этом из-за многократного уменьшения числа ретрансляторов стои­мость плезиохронных систем передачи для уровней Е1 — Е4 весьма существенно снизилась, благодаря чему такие системы для ВОЛС получили широкое распространение.

Недостатки плезиохронных систем передачи и прогресс в технологиях воло­конно-оптических систем, имеющих по сравнению с электрическими кабельными системами практически неограниченную полосу пропускания, с одной стороны, и растущие потребности в повышении качества традиционных услуг связи и предоставления новых услуг в сочетании с экспонен­циальным ростом числа потребителей, с другой, стимулировали разработку и внедрение новых цифровых систем передачи информации. Этому также способствовала актуальность проблемы создания глобальной интегрированной информационной сети, оснащенной гибкой и оперативной системой управления. Эти проблемы было невозможно решить на основе систем передачи плезиохронной цифровой иерархии (ПЦИ или PDH). Поэтому 1988 г. на заседании ко­миссии МККТТ (сейчас ITU-T) было достигнуто соглашение о принятии нового стандарта — Синхронной Цифровой Иерархии (СЦИ — SDH) и единой глобальной оптической сети. На основе SDH в различных странах были разработаны системы передач, в США и Канаде — это система SONET (Синхронная оптическая сеть — Synchronous Optical Network), в Европе — SDH (Synchronous Digital Hierarchy). При приня­тии нового стандарта цифровой связи — SDH, одним из требований к новой системе было обеспечение совместимости с системами PDH. Это относилось прежде всего к цифровому потоку уровня Е4 PDH (140 Мбит/с). Для решения этой зада­чи в цифровой поток Е4 была введена избыточность в виде дополнительных бит, в следствие чего скорость передачи нового уровня возросла до 155,52 Мбит/с. Такая скорость была принята для основного формата синхронного сигнала, полу­пившего название синхронный транспортный модуль — STM-1. Учитывая требование совместимости с сетями PDH, в США и Канаде было решено преобразо­вать американский стандарт PDH для скорости 44,736 Мбит/с в скорость 51,84 Мбит/с (это 1-й уровень SDH для США). Благодаря этому с помощью мультиплексирования такого потока с коэффициентом 3 достигается совместимость с Европейским транспортным модулем STM-1 — (51,84 Мбит/с) · 3 = 155,52 Мбит/с. Новая американская синхронная система получила наименование S0NET/SDH. В результате международных соглашений были установлены скорости передачи в виде синхронной цифровой иерархии (СЦИ — SDH), регламентируемые рекомендациями ITU-T (MKKTT) G.707, структура сигнала в интерфейсе сетевого узла — G.708, структура синхронного группообразования — G.709. Таким образом, была принята следующая градация скоростей для иерархий синхронных сигналов (SDH): STM-1 - 155,520 Мбит/с, STM-4 - 622,08 Мбит/с, STM-16 -2488,32 Мбит/с (2,488 Гбит/с), STM-64 - 9,953 Гбит/с, STM-256 (40 Гбит/с). Не­обходимо отметить, что скорость 40 Гбит/с (длительность тактового интервала 0,25 пико секунд) для электронных средств реализации является предельной. За исключением STM-1, скорость STM-4, STM-16 и т. д. применяются исключительно в волокон­но-оптических системах передачи, а иерархии STM-16, STM-64 и STM-256 — основа для использования в магистральных ВОСП.

В отличие от плезиохронных, в сетях синхронной цифровой иерархии исполь­зуется центральный опорный генератор синхрочастоты (таймер), вследствие чего в СЦИ средняя частота всех местных задающих генераторов синхронна с точно­стью не хуже 10-11. Жесткая синхронизация на всех уровнях СЦИ дает возмож­ность введения идентификационных бит, что позволяет получить целый ряд преи­муществ синхронных сетей, среди которых отметим следующие:

1) возможность выделения из общего группового потока высокого уровня иерархии цифровых потоков более низкого уровня вплоть до Е1 без полного де­мультиплексирования (или, наоборот, введения такого потока в групповой);

2) упрощение общей структурной схемы оборудования СЦИ благодаря тому, что все функции ввода—вывода выполняет один мультиплексор, в том числе он может вывести (ввести) цифровой поток El PDH из потока (фрейма) STM-1;

3) возможность выделения (или ввода) цифровых потоков любого уровня из группового потока более высокого уровня позволяет осуществлять оперативное переключение цифровых трактов в сетях, делая их более гибкими в плане конфи­гурирования;

4) скорость передачи групповых сигналов на стыках сетевых узлов совпадает в системах СЦИ с линейными скоростями, благодаря чему отпадет необходимость применения дополнительного преобразователя стыкового кода в линейный.

Гибкость сетей СЦИ, применение их совместно с волоконно-оптическими си­стемами, имеющими очень большую ширину полосы пропускания и высокое бы­стродействие квантово-электронных модулей, позволяет осуществлять автомати­ческую коммутацию цифровых потоков, а также компьютерное дистанционное управление сетью из одного центра. При этом процесс реконфигурации сети за­нимает считанные секунды. Перечисленные преимущества систем СЦИ на основе ВОСП позволяют оптимально использовать емкости каналов, осуществляя опера­тивную коммутацию цифровых потоков и резервных линий. В настоящее время в сетях связи крупных городов, а также в региональных и транспортных ВОСП тех­нология передачи СЦИ является основной. В большинстве магистральных ВОСП, построенных в России с середины 90-х годов, цифровой поток СЦИ СТМ-16 передается на одной длине волны в диапазоне С (3-e окно прозрачности 1500-1580 нм).

г) с учетом вышеизложенного осуществите восстановление речевого сообщения на приемной стороне

На приемной стороне осуществляется «разуплотнение» группового сигнала, т.е. выделение из него потока информации в виде двоичных символов (бит) со скоростью передачи 64 кбит/с. Далее этот поток поступает на ЦАП, с выхода которого отсчеты (величина которых соответствует поступившей на вход ЦАП 8-ми битовой кодовой комбинации), представляющие дискретизированный сигнал fΔt(t) = f (kΔt)* δ (t-kΔt) в виде суммы последовательных весовых δ – функций, сдвинутых на интервал Δt, со значениями веса, равными значениям отсчетов функции f (t) в моменты kΔt. При прохождении такого сигнала через систему с импульсным откликом h(t)= sinc(π fд t)= sin(π fд t)/(π fд t) каждая весовая δ – функция возбудит на выходе соответствующую последовательную серию сдвинутых и масштабированных копий оператора фильтра. Отсюда, с учетом очевидного равенства

δ (t- kΔt) * sinc(π fд t) = sinc(π fд (t- kΔt)),

выходной сигнал будет представлять собой сумму сдвинутых весовых импульсных откликов системы, где значение веса определяется отсчетами дискретного сигнала:

f (t) = f (kΔt) sinc(π f_д (t- kΔt)) = f (kΔt) sinc(π(t/ Δ t-k)).

Эта конечная формула носит название интерполяционного ряда Котельникова-Шеннона. Из нее следует, что если наибольшая частота в спектре произвольной непрерывной функции

f (t) не превышает частоты ее дискретизации, то она без потери точности может быть представлена в виде числовой последовательности дискретных значений f (kΔt), k = 0,1,2,..., и однозначно восстановлена по этой последовательности. В этом и состоит сущность теоремы отсчетов Котельникова. В зарубежной литературе она называется также теоремой Шеннона или теоремой дискретизации (sampling teorem).

Исходя из вышеизложенного, структурная схема обмена речевыми сообщениями между двумя аналоговыми абонентскими устройствами с учетом использования технологий построения цифровых систем связи, будет иметь следующий вид:

НАРИСОВАТЬ САМОМУ

Для подключения к сети ip-phone необходима мультимедийная карта, микрофон, динамики (или наушники), 8 Мбайт оперативной памяти, доступ к Интернет и соответствующее программное обеспечение. Качество передачи звука зависит от загруженности IP-канала. В качестве транспорта используется протокол UDP. Для обеспечения высокого качества звука нужна гарантированная ширина IP-канала, ведь задержанные сверх меры UDP-дейтограммы теряются безвозвратно, что и приводит к искажениям. Внедрение протоколов, гарантирующих определенную ширину канала сделают IP-phone значительно более привлекательным. Активно разрабатываются многие новые стандарты и протоколы для обеспечения передачи звука по ip-каналам, проведения видеоконференций и управления в реальном масштабе времени. К таким протоколам относятся RTP (real time protocol, RFC-1889, -1890), RTCP (real-time control protocol), который является дополнением RTP, и RSVP (resource reservation protocol, см. разделы проектов IETF nic.nordu.net, ftp.isi.edu, munnari.oz.au и ds.internic.net или ftp.ietf.org/internet-drafts/draft-ietf-rsvp-spec-16.txt), служащий для обеспечения своевременной доставки данных при работе в реальном времени. Протокол RTP способен работать помимо UDP/IP в сетях CLNP, ATM и IPX. Он обеспечивает детектирование потерь, идентификацию содержимого, синхронизацию и безопасность (доступ по шифрованному паролю, см. RFC-1423). Проблема синхронизации при передаче звука особенно важна, так как даже для локальных сетей время доставки пакетов может варьироваться в весьма широких пределах из-за используемого алгоритма доступа (например, CSMA/CD), а это приводит к искажениям при воспроизведении. Протоколы RTP и RTCP позволяют одновременное голосовое общение неограниченного числа людей в рамках сети Интернет. Протокол же RSVP (или его аналог) в случае внедрения гарантирует качество связи (разумеется, при достаточной широкополосности канала) за счет повышения приоритета пакетов реального времени. Следует иметь в виду, что голосовое общение, хотя и весьма привлекательно, не является единственной и даже главной целью разработчиков. По мере совершенствования протоколов Интернет сделает возможным управление в реальном масштабе времени довольно сложными удаленными объектами.

Это вид схемного решения передачи речи по каналам IP-телефонии

На рисунке MVW-модуль (Multiflex Voice/WAN), включаемый в маршрутизатор, например, CISCO-3662, служит для связи с общедоступной телефонной сетью. Если сеть “А” размещена в Рио-де-Жанейро, а “В” в Москве, то любой клиент нижней сети сможет разговаривать с клиентом в Рио “бесплатно”, а с клиентами телефонных сетей “А” и “B” по локальным тарифам. В левой части рисунка показаны телефонные аппараты, которые подключаются непосредственно к сегменту локальной сети. Такие приборы уже поступили в продажу. Связь может осуществляться как с традиционной старой аналоговой телефонной сетью, так и с ISDN. Телефонные аппараты могут подключаться непосредственно к интерфейсу маршрутизатора, к сетевой рабочей станции или к специальному сетевому адаптеру.

ДЛЯ специальности 210406.65 СС и СК. Поясните сущность термина «система связи», укажите особенности и принципы реализации различных способов формирования сигналов при передаче информации по каналам связи.

ДЛЯ специальности 210405.65 РРТ. Поясните сущность термина «система радиосвязи», охарактеризуйте входящие в неё элементы. (Здесь добавить информацию об особенностях реализации Возбудителей, выходных каскадов передатчика, типы АФУ, особенности построения супергетеродинных приемников)