Преобразование сигнала в цифровую форму

Необходимо вспомнить, что речевой сигнал представляет аналоговый сигнал, который непрерывно меняется со временем по частоте в пределах частотного диапазона голосового канала, для которого определен промежуток частот от 300 до 3000 Гц. Для того чтобы передать речевой сигнал по цифровой системе связи, аналоговый сигнал должен быть преобразован в цифровой (иногда используется жаргонный термин «оцифрован») с использованием аналого-цифрового преобразователя. После такого преобразования речевой сигнал может очень эффективно передаваться в виде дискретных импульсов, так как импульсы, представляющие цифровой сигнал, могут иметь очень маленькую длительность.

В результате период длительности импульсов может быть уменьшен до предела для того, чтобы в одном и том же промежутке времени, соответствующем реальному времени исходного речевого сигнала, можно было бы разместить как можно большее количество таких импульсов. Данный технический прием получил специальное название — мультиплексирование с разделением во времени. Более подробно он будет обсужден чуть позже в этой главе, однако прежде следует рассмотреть, каким образом получают импульсы, представляющие преобразованный в цифровую форму аналоговый речевой сигнал.

Дискретизация аналогового сигнала.Если человек говорит в микрофон и если при этом электрический сигнал, генерируемый в результате воздействия звуковой волны, подать на экран осциллографа, скорость развертки которого будет достаточно высокой для того, чтобы можно было наблюдать полупериод изменяющегося сигнала, то можно будет легко наблюдать речевой сигнал, осциллограмма которого будет очень близка к представленному на рис. 6.15.

Рис. 6.15.Измерения, выполняемые в процессе дискретизации аналогового сигнала

На осциллограмме рассматриваемого акустического сигнала показаны отрезки времени, в течение которых производятся его измерения, необходимые для представления аналогового сигнала в дискретной или цифровой форме.

Очевидно, что амплитуда сигнала меняется очень незначительно в пределах тех очень коротких промежутков времени, через которые производятся измерения амплитуды. Таким образом, измерение сигнала в любой промежуток времени будет являться достаточно точным представлением данного сигнала, если интервалы времени малы, а значения, полученные в результате изменений сигнала по обе стороны от точки, в которой проводится дискретизация, не сильно отличаются.

На практике было доказано, что если измерения сигнала при дискретизации проводятся с частотой, которая как минимум вдвое превышает частоту самого высокочастотного компонента поступающего сигнала, то в результате дискретизации будет полностью сохранена вся информация, передаваемая в исходном сигнале. Это фундаментальное открытие в теории дискретизации сигнала было сделано в 1933 г. Гарри Найквистом и известно в качестве критерия (устойчивости) Найквиста. В виде простого соотношения данный критерий выражается следующим образом:

fs ≥ 2BW,

где fs — частота, или скорость, с которой выполняются измерения при дискретизации, а BW — ширина полосы пропускания входного сигнала.

В случае речевых сигналов, передаваемых по телефонным линиям, для ширины полосы пропускания голосового канала установлено значение 4000 Гц. Применение критерия Найквиста для частоты измерений аналогового сигнала при его дискретизации в системах телефонной связи дает значение

fs ≥ 2*4000,

которое определяет минимальное значение частоты дискретизации сигнала, равное 8000 измерений в секунду.