Спосіб передачі аналогового сигналу з нерівномірним спектром

Настоящее изобретение относится к области электросвязи и может быть использовано при передаче сигналов речи, звукового вещания, телевизионных сигналов. Другая область применения для записи-воспроизведения аналоговых сигналов: систем оптической цифровой грамзаписи "компакт-диск", систем цифровой магнитной записи. Возможно его использование для цифрового радиовещания. В настоящее время в области связи все более широкое применение находит способ передачи аналоговой информации с применением импульсно-кодовой модуляции (ИКМ), а также способ записи -воспроизведения с применением ИКМ. Способ заключается в преобразовании аналогового сигнала в цифровую форму, передаче сигнала в цифровой форме и обратном преобразовании сигнала на приеме из цифровой в аналоговую форму. Такой способ передачи аналоговой информации позволяет резко снизить накопление помех в процессе передачи. Обычно помехи снижаются до такой степени, что определяющими в помехозащищенности передаваемого сигнала становятся искажения квантования, т.е. искажения, вносимые аналогоцифровым преобразователем. Уже известен способ передачи аналогового сигнала с использованием ИКМ [1], Способ заключается в ограничении спектра передаваемого сигнала, дискретизации аналогового сигнала во времени (амплитудноимпульсная модуляция АИМ), равномерном квантовании по уровню отсчетных значений сигнала и их кодировании. Обычно квантование и кодирование производятся в одном функциональном узле, называемом кодером. Квантование отсчетных значений сигнала применяется для получения конечного числа разрешенных для передачи уровней отсчетов взамен непрерывного бесконечно большого количества их значений. Квантование приводит к ошибке, которая может быть оценена разностью между истинным отсчетным значением напряжения сигнален его квантованной величиной. Амплитудная характеристика квантующего устройства имеет зону квантования и зону ограничения. Обычно уровень сигнала при передаче выбирается так, чтобы с учетом его статистических характеристик величина искажения ограничения была достаточно малой. В связи с этим определяющими являются искажения квантования. При равномерном квантовании для получения требуемой защищенности от шумов квантования кодирование должно производиться при достаточно большом числе разрядов кода, что весьма нежелательно. Ведь с увеличением числа разрядов кода расширяется спектр сигнала ИКМ, усложняются устройства кодирования и декодирования и увеличиваются требования к их быстродействию. Ближайшим по техническому существу к предлагаемому является способ передачи сигналов с неравномерным квантованием, когда шаг квантования невелик для слабых сигналов и увеличивается по мере возрастания уровня сигнала (1, с.280, 289 - 292). Способ позволяет заметно уменьшить число разрядов кода. Известный способ заключается в ограничении спектра передаваемого сигнала, дискретизации аналогового сигнала во времени и последующем неравномерном квантовании по уровню отсчетных значений сигнала и их кодировании. Для выравнивания величин защищенности от шумов квантования при изменении уровня сигнала в широких пределах применяют неравномерное квантование, при котором шаг квантования имеет минимальное значение для слабых сигналов и увеличивается с увеличением уровня сигнала. При неравномерном квантовании шкала квантования нелинейна. Шаг квантования выбирают с учетом минимального уровня средней мощности передаваемого аналогового сигнала. В известном способе учтены статистические характеристики передаваемого речевого сигнала: минимальный уровень средней мощности сигнала, дисперсия шумов ограничения сигнала, статистические характеристики распределения уровня средней мощности сигнала. Однако в известном способе передачи аналогового сигнала не учтено то обстоятельство, что в диапазоне рабочих частот сигнала с неравномерным спектром уровни спектральных составляющих различны в разных областях частот. Так например, в спектре речевого сигнала максимальный уровень на нижних частотах более чем на 20дБ выше, чем на верхних. При квантовании сигнала на верхних частота х не используется более 20дБ динамического диапазона квантователя, не используется часть разрядов кода. Кроме того, если для нижних частот речевого сигнала квантуются, с заданной помехозащищенностью спектральные составляющие, превышаемые в 99% интервалов времени длительного наблюдения, то для верхних частот - только примерно в 40% интервалов времени. В способе-прототипе передачи аналогового сигнала с неравномерным спектром для равновероятных уровней спектральных составляющих в разных частотны х областях помехозащищенность от искажений квантования различна, то есть максимальна для спектральных составляющих в одних часто тных областях и отлична от максимальной в других. Это ведет к росту нелинейных искажений передаваемого сигнала, снижению помехозащищенности, увеличению шумов молчания, снижению разборчивости, а, следовательно, и снижает качество передачи аналогового сигнала. В основу изобретения поставлена задача создания способа передачи аналогового сигнала, в котором за счет предыскажения увеличивают уровень слабой спектральной составляющей сигнала, что позволяет повысить помехозащищенность от помех квантования аналоговых сигналов при передаче с использованием ИКМ. Поставленная задача решается тем, что в способе передачи аналогового сигнала с неравномерным спектром, заключающемся в ограничении сигнала по спектру, дискретизации аналогового сигнала во времени, квантовании по уровню отсчетных значений сигнала, их кодировании, декодировании и последующем ограничении сигнала по спектру, согласно изобретению перед операцией квантования уровни спектральных составляющих передаваемого сигнала, величина которых менее максимального уровня, поднимают до уровня, не превышающего величину максимального уровня спектральных составляющих в спектре передаваемого сигнала путем амплитудно-частотных предыскажений сигнала, а после декодирования осуществляют компенсацию внесенных искажений путем амплитудно-частотной коррекции. К числу существенных признаков предлагаемого способа, являющихся общими с признаками известного способа передачи аналогового сигнала с неравномерным спектром, т.е. не представляющих в общем виде новизны являются: - способ передачи аналогового сигнала с неравномерным спектром; - ограничение сигнала по спектру; - дискретизация аналогового сигнала во времени; - квантование по уровню отсчетных значений сигнала; - кодирование отсчетных значений сигнала; - кодирование; - ограничение сигнала по спектру. К новым существенным признакам изобретения относятся следующие: - перед операцией квантования уровни спектральных составляющих передаваемого сигнала, величина которых менее максимального уровня, поднимают до уровня, не превышающего величину максимального уровня спектральных составляющих в спектре передаваемого сигнала путем амплитудно-частотных предыскажений сигнала; после декодирования осуществляют компенсацию внесенных искажений путем амплитудно-частотной коррекции. Существо изобретения заключается в следующем. В результате проведенной исследовательской работы создан новый способ передачи аналогового сигнала с неравномерным спектром, в котором благодаря введению в известный способ 2 новых операций: - - поднятия уровней спектральных составляющих передаваемого сигнала, величина которых менее максимального уровня, до уровня не превышающего величину максимального уровня спектральных составляющих в спектре передаваемого сигнала путем амплитудночастотных предыскажений сигнала проводимого перед операцией квантования; - компенсации внесенных искажений путем амплитудно-частотной коррекции после декодирования удалось получить качественно новый результат - повысить помехозащищенность от помех квантования аналоговых сигналов при передаче с использованием ИКМ. На фиг.1 показаны амплитудно-частотные характеристики относительных уровней: спектральных составляющих речевого сигнала (I), сигнала на входе квантователя (II), предыскажений (III); на фиг.2 - амплитудночастотные характеристики относительных уровней: спектральных составляющих сигнала звукового вещания (IV), сигнала на входе квантователя (V), предыскажений (VI); на фиг.3 функциональная схема устройства для осуществления предлагаемого способа. Предлагаемый аналоговый сигнал с неравномерным спектром ограничивают сверху по частоте путем фильтрации фильтром нижних частот (ФНЧ), подвергают амплитудно-частотным предыскажениям с помощью активного амплитудного корректора. Предыскажению подвергают спектральные составляющие передаваемого сигнала, уровни которых ниже максимального. Предыскажение заключается в поднятии этих уровней до значения равного максимальному. Далее сигнал дискретизирует во времени с помощью амплитудно-импульсного модулятора, квантуют отсчетные значения сигнала по уровню с помощью квантователя и кодируют сигнал, преобразуя его в цифровую форму. Сигнал передают в цифровой форме. Принятый сигнал подают на декодер, где сигнал из цифровой формы преобразуется в аналоговый. Затем путем амплитудно-частотной коррекции устраняют внесенные на стороне передачи искажения сигнала, используя амплитудно-частотный корректор. Наконец, с помощью ФНЧ сигнал ограничивают сверху по спектру и получают сигнал, соответствующий переданному. В предложенном способе передачи аналогового сигнала с неравномерным спектром, содержащим операцию квантования по уровню, предусмотрено следующее. Перед операцией квантования производят предыскажения уровней передаваемого аналогового сигнала следующим образом. Частотная зависимость уровней спектральных составляющих передаваемого сигнала в относительных единицах изображена на фиг.1 кривой 1. (Здесь для раскрытия сущности способа рассмотрим как пример передачу речевого сигнала). Как видно из фиг.1, в области нижней границы частотного диапазона передаваемого речевого сигнала уровни спектральных составляющих достигают максимума. В этой области уровни спектральных составляющих не изменяют. Уровни же спектральных составляющих для остальных частот рабочего диапазона поднимают до значения максимального уровня в спектре исходного сигнала. В результате предложенных предыскажений спектр передаваемого сигнала из неравномерного преобразуют в равномерный. На фиг.1 кривая II показывает преобразованный таким образом спектр передаваемого сигнала, Преобразованный сигнал передают на вход квантователя. Таким образом, уровни спектральных составляющих сигнала на входе квантователя одинаковы для всех частот и равны максимальному значению уровня в спектре исходного сигнала. Помехозащищенность сигнала от искажения квантования зависит от величины предыскажения. Если предыскажения равны нулю, нет и роста помехозащищенности, этот случай соответствует способу-прототипу. Если же с помощью предыскажений увеличить уровень слабой спектральной составляющей сигнала, помехозащищенность ее от помех квантования растет. Действительно, при неизменном шаге квантования растет уровень сигнала на входе квантователя, что эквивалентно уменьшению шага квантования при неизменном уровне сигнала на входе квантователя. Но в этом случае, в соответствии с (1, с.288, 291) помехозащищенность от искажений квантования растет пропорционально росту уровня сигнала на входе квантователя. Например, при вводе предыскажения для уровня спектральной составляющей на 10дБ, на столько же (10дБ) растет и помехозащищенность. Однако рост помехозащищенности в предложенном способе ограничен. Когда уровень спектральной составляющей увеличивают до значения, превышающего максимальный уровень в спектре исходного сигнала, растет помехозащищенность от искажений квантования, но резко возрастают искажения ограничения (перегрузки) и в результате суммарные искажения растут, а помехозащищенность падает. Таким образом, предложенный способ позволяет повысить помехозащищенность сигнала с неравномерным спектром во всем частотном диапазоне кроме тех частот, на которых уровни спектральных составляющих сигнала максимальны. Амплитудно-частотная характеристика (АЧХ) предыскажений зависит от вида передаваемого аналогового сигнала с неравномерным спектром. Очевидно, что для достижения максимальной помехозащищенности эта АЧХ должна быть обратной к спектральной характеристике передаваемого сигнала. На фиг.1 кривая III в относительных единицах отображает АЧХ предыскажений. Как видно из фиг.1, кривая III предыскажений обратна кривой I спектральной характеристики передаваемого речевого сигнала, в результате чего предыскаженный сигнал имеет равномерный спектр (кривая II) с уровнем, равным максимальному в исходном спектре передаваемого сигнала. Пример использования предложенного способа для передачи сигнала звукового вещания поясняет фиг.2. Здесь спектральная характеристика передаваемого сигнала звукового вещания в относительных единицах соответствует кривой IV, спектральная характеристика сигнала после предыскажений - кривой V и АЧХ предыскажений - кривой VI. Внесенные перед операцией квантования амплитудно-частотные предыскажения спектра передаваемого аналогового сигнала, после операции декодирования компенсируют операцией амплитудно-частотной коррекции. Эту операцию выполняет корректор, АЧХ которого для неискаженной передачи сигнала должна быть обратной АЧХ предыскажений. Для приведенных примеров АЧХ корректора при передаче сигналов речисоответствует кривой I фиг.1, а АЧХ корректора при передаче сигналов звукового вещания - кривой IV фиг.2. Устройство, реализующее способ передачи аналогового сигнала с неравномерным спектром, изображено на фиг.3. Устройство состоит из первого фильтра нижних частот (ФНЧ) 1, активного амплитудно-частотного корректора (активного АК) 2, амплитудно-импульсного модулятора (АИМ) 3, кодера 4, декодера 5, амплитудно-частотного корректора (АК) 6 и второго ФНЧ 7. Устройство работает таким образом. Передаваемый аналоговый сигнал поступает на первый ФНЧ 1, где ограничивается по спектру. Затем осуществляется выравнивание спектра сигнала в рабочем диапазоне частот с помощью активного АК 2, здесь также осуществляется усиление спектральных составляющи х, уровни которых меньше максимального, до уровня, не превышающего величину максимального уровня спектральных составляющих в спектре передаваемого сигнала. После этого с помощью АИ МЗ выполняется дискретизация аналогового сигнала во времени. Затем с помощью кодера 4 сигнал квантуется по уровню и кодируется. Достигнувший декодера 5 сигнал декодируется декодером 5 и поступает на АК 6, где компенсируются внесенные активным АК 2 предыскажения. Наконец сигнал ограничивается по спектру рабочим диапазоном частот с помощью второго ФНЧ 7 и поступает на вы ход устройства. Активный АК 2 и АК 6 могут быть построены известными способами, например (1, с.62). Преимущество предлагаемого способа повышение помехозащищенности от помех квантования аналоговых сигналов при передаче с использованием ИКМ. Повышение помехозащищенности достигнуто за счет использования статистических характеристик передаваемого сигнала спектральной характеристики. В соответствии с предложенным способом повышается уровень сигнала на входе квантователя, что эквивалентно снижению шага квантования при неизменном уровне на входе квантователя. Поэтому, а также учитывая (1, с.291) выигрыш в помехозащищенности для слабых сигналов превышает 20дБ на верхний частотах речевого диапазона. За исключением самых низких частот речевого диапазона способ позволяет получить выигрыш в помехозащищенности во всем рабочем диапазоне частот сигнала. Кроме того, расширяется динамический диапазон переданного сигнала в область более низких уровней.