Дискретная модуляция аналоговых сигналов

Дискретная модуляция применяется для передачи в одной сети как дискретных, так и аналоговых по своей природе данных. Дискретные способы модуляции основаны на дискретизации непрерывных процессов, как по амплитуде, так и по времени. Обычно это происходит с помощью импульсно-кодовой модуляции (ИКМ), которая широко применяется в цифровой телефонии. Устройство, которое выполняет эту функцию, называют аналого-цифровым преобразователем (АЦП). Дискретная модуляция основана на теории отображения Найквиста-Котельникова. В соответствии с этой теорией аналоговая непрерывная функция передается в виде дискретных по времени значений. При этом она может быть точно восстановлена, если частота дискретизации была в два или более раз выше, чем частота самой высокой гармоники спектра исходной функции.

Для качественной передачи голоса в методе ИКМ используется частота квантования амплитуды звуковых колебаний в 8000 Гц. Это связано с тем, что в аналоговой телефонии для передачи голоса выбран диапазон от 300 до 3400 Гц. В соответствии с теоремой Найквиста-Котельникова для качественной передачи необходимо выбрать частоту дискретизации в два раза превышающую самую высокую гармонику непрерывного сигнала, т. е.2×3400 = 6800 Гц. Выбранная в действительности частота дискретизации 8000 Гц обеспечивает некоторый запас качества. В методе ИКМ обычно используют 7 и 8 бит кода для представления амплитуды одного размера. Соответственно это дает 127 или 256 градаций звукового сигнала, что вполне достаточно для качественной передачи голоса. Если используется для представления амплитуды 7 бит, то при частоте дискретизации 8000 Гц, мы получим скорость передачи 8000×7 = 56 000 бит/с или 56 кбит/с. Для случая представления амплитуды 8 бит, скорость передачи будет равна 8000×8 = 64 000 бит/с или 64 кбит/с. Стандартным является цифровой канал 64 Кбит/с, который называется элементарным каналом цифровых телефонных сетей. Передача непрерывного сигнала в цифровом виде требует от сетей жесткого соблюдения временного интервала: в 125 мкс (соответствующего частоте дискретизации 8000 Гц) между замерами, то есть требует синхронной передачи между узлами сети.

Существуют и другие методы дискретной модуляции. Эти методы позволяют в более компактной форме представлять замеры голоса, например, в виде последовательности 4-битных или 2-битных чисел. При этом один голосовой канал требует меньшей пропускной способности, например, 32 кбит/с и 16 кбит/с. С 1985 года применяется стандарт CCITT (Consultative Committee for Interna-tional Telegraphony — сектор стандартизации связи ITU) кодирования голоса, называемый ADPCM (Adaptive Differential Pulse Code Modulation). Эти коды основаны на нахождении разности между последовательными замерами голоса, которые затем и передаются по сети. В коде ADPCM для хранения одной разности используется 4 бит и голос передается со скоростью 32 кбит/с. Более современный метод LPC (Linear Predictive Coding) делает замеры исходной функ-ции реже, но использует прогнозирование направления, в котором изменяется амплитуда сигнала. При помощи этого метода можно понизить скорость передачи до 9600 бит/с.

Представленные в цифровой форме аналоговые сигналы можно легко передать через компьютерную сеть. Для этого несколько размеров помещают в кадр какой-нибудь стандартной сетевой технологии, снабдив кадр правильным адресом назначения. Адресат должен извлечь из кадра замеры и подать их с частотой квантования (для голоса — с частотой 8000 Гц) на цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП). Если кадры будут поступать достаточно синхронно, то качество голоса будет высоким. Однако, кадры в компьютерных сетях могут задерживаться как в конечных узлах (при ожидании доступа к разделительной среде), так и в промежуточных коммуникационных устройствах-мостах, коммутаторах, маршрутизаторах. Поэтому при передаче голоса через компьютерные сети его качество бывает невысоким. Для качественной передачи оцифрованных непрерывных сигналов сегодня используются специальные цифровые сети (например, ISDN, ATM), а также сети цифрового телевидения.