VII Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2015

Для передачи информации, в системах цифровой связи, часто требуется преобразование аналогового сигнала в цифровой. После преобразования обычно требуется сжатие этого сигнала, во-первых чтобы хранить аудиоинформацию (для высококачественного воспроизведения необходимо выполнять дискретизацию сигнала на большой частоте и с большой разрядной сеткой (32 бит), что приводит к большим размерам аудиофайлов), а во вторых низкая пропускная способность каналов передачи цифровой информации на расстояние. Применение компрессии/декомпрессии эффективно решает обе вышеуказанные проблемы.

Один из методов оцифровки сигнала, например речевого, является импульсно-кодовая модуляция (ИКМ) это преобразование сигнала, при котором опробования речевого или цифрового сигналов передаются в виде бинарных кодовых слов. ИКМ используется в технике связи как в цифровых системах передачи (ЦСП), так и в системах цифровой электронной коммутации (ЦЭАТС).

Рисунок 1 — Преобразование ИКМ

Ранее считалось, что достаточно иметь 12 разрядов для квантования речевого сигнала, но в более современных стандартах речь идет уже о 13 или 16 разрядах. Так как при передаче телефонной информации используется частота дискретизации 8 кГц, то при отсутствии компрессии, для передачи ИКМ-информации, по одному каналу требуется обеспечить его пропускную способность на уровне от 96 до 112 кбит/с. Исходя из этого, актуальной становится задача компрессии/декомпрессии оцифрованной речевой информации, чтобы ее можно было передавать по стандартному телефонному каналу. Сегодня это решается, путем применения различных алгоритмов компрессии/декомпрессии, среди которых наиболее распространённые - закон мю и закон А. Так уж принято, что в Америке и Японии используется закон мю, а в Европе и Азии закон А.

Используемый подход при компрессии данных во многом напоминает преобразование чисел в формате с плавающей запятой. В этом случае для представления числа отводится 3 поля: поле знака, поле мантиссы и поле порядка. В поле порядка содержится степень, в которую следует возвести число 2, чтобы при умножении результата этой операции на мантиссу получить истинное значение данного числа в формате с фиксированной запятой. Алгоритм по закону А преобразуют исходные отсчеты исходной последовательности сигнала в формате ИКМ в байтовые отсчеты. Каждый отсчет исходной последовательности преобразуется в один байт. Таким образом, пропускная способность канала для передачи преобразованной информации снижается до 64 кбит/с.

Алгоритм состоит из следующих шагов, первый шаг проверка числа на знак, если он отрицательный, число обращается, при этом знак принимает значения «0» иначе «1». Второй шаг 16 битное число преобразуется в 8 битное согласно таблице 1 приведенной в рекомендации G.711.

Таблица 1

Номер сегмента	Код до компрессии (16 битов)	Код после компрессии (8 битов)
7	P1WXYZ??????????	P111WXYZ
6	P01WXYZ?????????	P110WXYZ
5	P001WXYZ????????	P101WXYZ
4	P0001WXYZ???????	P100WXYZ
3	P00001WXYZ??????	P011WXYZ
2	P000001WXYZ?????	P010WXYZ
1	P0000001WXYZ????	P001WXYZ
0	P0000000WXYZ????	P000WXYZ

Третьим шагом является инвертирование сжатого 8 битного сигнала через один бит, применяется операция XOR 0X55h.

Так как в последнее время все чаще в разработках ЦСП или ЦЭАТС используются микросхемы с перепрограммируемой логикой (ПЛИС) или микроконтроллеры то данный алгоритм был реализован на VHDL, языке описания аппаратуры. Разработка и моделирование проекта велась в САПР ISE WebPack 12.3, где были получены следующие результаты, приведенные в таблице 2.

Таблица 2

Количество используемых таблиц истинности (LUT)	Количество используемых секций (Slices)	Максимальная задержка (Max Delay)
53	31	0,064 нс

На рисунке 2 представлены временные диаграммы работы алгоритма, где b[15:0] - 16-разрядный код до компрессии, c2 – тактовая частота, d[7:0] - 8-разрядный код после компрессии, p[15:0] - 16-разрядный код после выполнения 1 шага алгоритма, n[7:0] - 8-разрядный код после выполнения 2 шага алгоритма.

Рисунок 2 — Результат моделирования алгоритма сжатия по А-закону

Современные уровень развития технологий делает возможной и экономически оправданной реализацию различных методов обработки информации, применение их в технике связи, а именно в ЦСП и ЦЭАТС можно достаточно легко и быстро реконфигурировать структуру системы, а так же повышать производительность, что может удовлетворить требования к методам цифровой обработки сигналов.

Литература

1. Бернард Скляр Цифровая связь. Теоретические основы и практическое применение. Изд. 2-е, испр.: Пер. с англ.- М.: Издательский дом «Вильямс», 2003.- 1104 с.: ил. – Парал. тит. англ.

2. Прокис Джон Цифровая связь. Пер. с англ. /Под ред. Д.Д. Кловского. –М.: Радио и связь. 2000.-800 с.: ил.

3. Бабак В.П., Корченко А.Г., Тимошенко Н.П., Филоненко С.Ф. VHDL: Справочное пособие по основам языка. – М.: Издательский дом «Додэка-XXI», 2008. – 224 с.: ил. (Серия «Программируемы системы»).

Код для цитирования: Скопировать