ЦИФРОВАЯ ТЕЛЕФОННАЯ СВЯЗЬ.

Вот как описывал процесс телефонной связи на заре возникновения цифровых телефонных систем автор книги «Посвящение в радиоэлектронику» В.Т. Поляков.

«Несколько лет назад мне довелось пройти на гидрографическом судне от Владивостока до Петропавловска-Камчатского. Естественно, что из каждого порта я звонил домой, в Москву, чтобы справиться о делах и здоровье близких. Владивосток был еще связан с Москвой старой системой аналоговой телефонной связи. Часа три приходилось ждать, пока телефонистки соединят линию. Наконец, еле-еле, сквозь шумы и трески послышался голос жены. Совсем иная картина была в Петропавловске. Там действовала цифровая телефонная связь. Прямо из кабины телефона-автомата можно набрать код Москвы, затем две-три служебные цифры и нужный номер в Москве. Весь процесс занял не более минуты, причем более половины этого времени ушло на то, чтобы разобраться в правилах пользования автоматом, вывешенных в кабине: какие набирать цифры, каких ждать гудков и т.д. Слышно было лучше, чем когда я звонил соседу по дому в Москве, так же хорошо слышали и меня, а помех практически не было. Надо ли говорить, что после состоявшегося разговора я стал ярым приверженцем цифровой телефонной связи»

ДИСКРЕТИЗАЦИЯ ПО ВРЕМЕНИ.

Так как же обычная человеческая речь превращается в поток цифр, ведь на выводах микрофона имеется быстро изменяющийся аналоговый речевой сигнал? Берутся отсчеты, т.е. значения этого сигнала через равные промежутки времени . Интервал должен быть настолько мал, чтобы речевой сигнал не успевал намного измениться между отсчетами.

Теорема Котельникова определяет минимальную частоту взятия отсчетов при равномерной дискретизации сигнала с ограниченным спектром, т.е. величину, обратную максимальному временному шагу дискретизации (интервалу Найквиста): . Минимальная частота отсчетов значений в секунду должна быть вдвое больше самой высокой частоты спектра, т.е. .

В телефонии принято передавать частоты только до 3400 колебаний в секунду, т.е. до 3,4 кГц. При этом разборчивость речи еще очень хорошая. Значит, частота взятия отсчетов должна быть не менее 6800 в секунду, или 6,8 кГц. Процесс взятия отсчетов называют дискретизацией по времени.

ДИСКРЕТИЗАЦИЯ ПО УРОВНЮ.

Для цифровой оценки отсчетов нужен процесс дискретизации по уровню. Каждый отсчет можно представить числом, соответствующим значению отсчета звукового напряжения. Например, если звуковое напряжение измерять в милливольтах, то число целых милливольт и будет отсчетом, а один милливольт - шагом дискретизации по уровню. Ошибка квантования по уровню в данном случае не превзойдет половины шага квантования, т.е. 0,5 мВ. Отношение максимальной амплитуды звукового напряжения к шагу квантования дает максимальное число, которое можно получить при отсчетах. Оно определяет динамический диапазон передаваемого сигнала.

Для хорошего качества речи, передаваемой по телефону, необходимо обеспечить отношение сигнал-шум по мощности примерно 10000, или 40 децибел (дБ): (дБ). Другими словами, необходимо обеспечить отношение сигнал-шум по напряжению примерно 100: (дБ). В приведенных формулах логарифм – десятичный. Для передачи одного отсчета двоичным кодом в этом случае достаточно разрядов: . В приведенной формуле логарифм – двоичный. Для хорошей передачи музыки требуется гораздо больший динамический диапазон.

Оценим поток информации при телефонном разговоре с хорошим качеством. Полагая полосу звуковых частот равной 3.4 кГц и частоту взятия отсчетов 6,8 кГц, получаем количество отсчетом в секунду 6800. При 40 шагах квантования по уровню каждый отсчет занимает 6 разрядов. Следовательно, в секунду передастся 6800 * 6 = 40800 двоичных разрядов, или бит информации.

Максимальную скорость передачи информации, измеренную в битах в секунду, можно выразить формулой:

(бит/c)

Перейдя на цифровую передачу, мы существенно улучшили качество связи. Но не даром же это досталось! Чтобы передать. цифровой сигнал со скоростью 40800 бит/c или 40,8 кбит/с, нужна полоса частот, пропускаемых каналом связи, не менее 40,8 кГц. А теперь вспомним, что для передачи обычного аналогового телефонного сигнала требуется полоса частот всего 3,4 кГц. Таким образом, цифровые системы связи оказываются широкополосными. Происходит как бы обмен полосы частот на отношение сигнал-шум, но обмен достаточно выгодный. Расширяя полосу частот примерно в десять раз при переходе к цифровой передаче, мы намного снижаем допустимое отношение сигнал-шум, или сигнал-помеха, в канале связи, и это при общем существенном улучшении качества.

Скорость передачи 40,8 кбит/с достаточно большая, но надо учесть, что при телефонном разговоре с речью как таковой передаются и интонации голоса, и эмоциональная окраска, что хорошо знают все, кто разговаривал друг с другом по телефону, да и не только по телефону. Телеграф, к сожалению, таких нюансов передать не может.