Спутниковое радиовещание


САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ТЕЛЕКОММУНИКАЦИЙ

им. проф. М.А. БОНЧ-БРУЕВИЧА

ФАКУЛЬТЕТ ВЕЧЕРНЕГО И ЗАОЧНОГО ОБУЧЕНИЯ










Контрольная работа

по курсу

Спутниковое радиовещание







Факультет ВиЗО

Группа Р-21з

№ зач. кн. ****21











г. Санкт-Петербург

2008 г.

КОНТРОЛЬНАЯ РАБОТА


Вопрос 21.

Что такое импульсно-кодовая модуляция (ИКМ), мгновенное компандирование (законы “А”=87,6/13 и “μ” = 15/7)? Перечислите области применения данных форматов цифровых звуковых сигналов.

Импульсно-кодовая модуляция (ИКМ или PCM — Pulse Code Modulation) используется для оцифровки аналоговых сигналов перед их передачей. Практически все виды аналоговых данных (видео, голос, музыка, данные телеметрии) допускают применение ИКМ-модуляции.

Чтобы получить на входе канала связи ИКМ-модулированный сигнал из аналогового, амплитуда аналогового сигнала измеряется через равные промежутки времени. Количество оцифрованных значений в секунду (или скорость оцифровки) кратна максимальной частоте в спектре аналогового сигнала. Мгновенное измеренное значение аналогового сигнала округляется до ближайшего уровня из нескольких заранее определенных значений. Этот процесс называется квантованием, а количество уровней всегда берется кратным степени двойки, например, 8, 16, 32 или 64. Номер уровня может быть соответственно представлен 3, 4, 5 или 6 битами. Таким образом, на выходе модулятора получается набор битов (0 или 1).

На приёмном конце канала связи демодулятор преобразует последовательность битов в импульсы с тем же уровнем квантования, который использовал модулятор. Далее эти импульсы используются для восстановления аналогового сигнала.

Наряду с равномерным квантование, при котором шаг квантования постоянен в пределах всего динамического диапазона изменения уровней, существует возможность согласования величины шага квантования с амплитудой сигнала. При этом для малых уровней сигнала величина шага квантования может быть малой, а для больших более грубой. Неравномерное квантование позволяет обеспечить требуемое высокое отношение С\Ш для малых сигналов и и определенное его уменьшение для сильных сигналов. Наиболее распространены два способа формирования неравномерной шкалы квантования: мгновенное и почти мгновенное компандирвание.

Устройство реализующее неравномерное квантование с использованием мгновенного компандирования состоит из последовательно включенных сжимателя, квантующего устройства и расширителя. Характеристика расширителя обратная характеристике сжимателя. Расширитель компенсирует искажения внесенные сжимателем. Коэфициенты передачи сжимателя и расширителя связаны соотношением Ксж*Красш=1. Существуют два закона сжатия, т.н. А и мю-закон. При мю-законе входное и выходное напряжение сжимателя связаны соотношением.

,
где μ — значение коэффициента сжатия. В соответствии с Рекомендациеями МККТТ равно 100 при цифровом представлении речевых сигналов телефонии и 15 при кодировании ЗС в радиовещании и ТВ. Отношение максимального шага квантования к минимальному определяется как Δмакс\Δмин=1+ μ.

А
-закон представлен следующим выражением

, где А — число равное 87.6 в многоканальных системах передачи. При этом сигналы напряжение которых меньше чем Uвх<Uвхмакс\А квантуются с постоянным шагом шагом, если больше то квантуются неравномерным шагом, изменяющимся по логарифмическому закону. При А-законе харакретистика С\Ш получается более плоской чем при мю-законе.

Компандер может быть как аналоговым, так и цифровым. В случае цифрового - плавная характеристика сжатия заменяется линейно-ломаной аппроксимирующей функцией. В зависимости от числа используемых сегментов (отрезков прямых линий) при аппроксимации и вида закона сжатия эту линейно-ломаную зависимость обозначают буквой и двумя цифрами. Например запись А 87,6/13 означает что используется аппроксимация по закону А с 13 аппроксимирующими отрезками. Запись μ 15/7 означает, что используется характеристика сжатия по закону μ, коэффициент сжатия равен 15, а график аппроксимируется 7 отрезками.

Н
астройка различных узлов систем телефонии на работу друг с другом подразумевает в том числе правильную настройку законов компандирования. Ошибочная настройка, когда один передающий и принимающий узлы настроены на разные законы, может быть индицирована, например, по существенным искажениям речи. Одним из следствий может быть нерабочая конфигурация, неспособная правильно обработать факсовые сигналы. При поднятии трубки человеку слышны сигналы, напоминающие факсовые, однако установить сеанс работы с факсом не удаётся.

Так же компандирование используется в профессиональных беспроводных микрофонах для улучшения динамического диапазона микрофона (динамический диапазон микрофона лучше динамического диапазона среды передачи).

µ-закон — закон компандирования, стандартный для Северной Америки и Японии.

A-закон — используется в Европе и России.

Вопрос 45.

Система ATSC Dolby AC-3: назначение, характеристики, цифровые потоки, модуляция несущей частоты.

Система Dolby АС-3 предназначена для кодирования сигналов многоканальной стереофонии и рекомендована национальным комитетом ATSC (Advanced Television System Committee) США для телевидения высокой четкости HDTV и других применений, таких как спутниковое вещание, передача звуковых сигналов по оптоволоконным линиям связи, запись на магнитные, оптические и другие носители информации.

После первичного кодирования на выходе аналого-цифрового преобразователя студийного тракта скорость цифрового потока аудиоданных обычно составляет 768 кбит/с на канал при частоте дискретизации звукового сигнала fД = 48 кГц и кодировании с разрешением 16 бит/семпл. Как известно, такой цифровой сигнал обладает существенной статистической и психоакустической избыточностью.

Избыточность сигнала устраняется в кодере источника. Цель компрессии цифровых данных состоит в снижении скорости передачи аудиосигналов путем устранения элементов звукового сигнала, не важных для слухового восприятия, и применения методов кодирования, учитывающих статистические особенности звуковых сигналов. После компрессии цифровые данные подвергаются помехоустойчивому кодированию, и далее передаются по каналу связи на приемную сторону системы передачи. Здесь выполняются обратные преобразования, затем реконструированный в декодере сигнал преобразуется в цифро-аналоговом преобразователе в исходную аналоговую форму.

Кодер системы Dolby AC-3 предназначен для обработки высококачественных звуковых сигналов различных форматов от 1/0 (моно) до 5.1 (многоканальное стерео). В последнем случае по каналам связи в едином цифровом потоке передаются каналы: левый, правый и центральный фронтальные, левый и правый тыловые пространственные, и дополнительный сигнал канала низких частот (Low Frequency Effects). В этот поток включены также форматы 2/0 (обычное стерео) и 3/2 (Dolby-Stereo,Dolby-Surround, Dolby-Pro-Logic).

Наиболее типичное применение алгоритма Dolby AC-3 спутниковые системы, например, цифровое спутниковое радиовещание и звуковое сопровождение телевидения высокой четкости HDTV. Для передачи многоканального сигнала формата 5.1 методом линейной ИКМ требуется пропускная способность канала связи более 3,5 Мбит/с. Кодер системы Dolby АС-3 преобразует исходную совокупность первичных цифровых ИКМ сигналов в последовательный поток цифровых данных уже со скоростью 384 кбит/с. Оборудование спутниковой системы передачи преобразует этот поток цифровых данных в высокочастотный модулированный QPSK-сигнал (Quadrature Phase Shift Keying), который затем с помощью антенны передается непосредственно на спутниковый ретранслятор.

Благодаря компрессии цифровых аудиоданных, необходимая полоса пропускания и мощность передатчика могут быть снижены примерно в десять раз. В приемнике принятый сигнал демодулируется, полученный на его выходе последовательный поток цифровых данных 384 кбит/с декодируется в декодере, на выходе которого получается исходная совокупность цифровых ИКМ сигналов.

Цифровой поток на выходе кодера Dolby AC3 представляет собой последовательность аудиофреймов. Содержащаяся в нем информация условно может быть разделена на две части: основную и дополнительную. Аудиофрейм кодера включает 6 аудиоблоков. Каждый аудио блок содержит информацию о 512 отсчетах для каждого из кодируемых сигналов (Audio 1, Audio 2, Audio n). Вследствие 50% временного перекрытия в аудиоблок для каждого из сигналов включаются 256 отсчетов предыдущего блока и 256 новых отсчетов. В 6-ти аудиоблоках аудиофрейма общее число обрабатываемых отсчетов для каждого из входных сигналов будет равно 512*6=3072. Если число кодируемых ЗС равно 5 (формат 3\2), то общее число отсчетов, информация о которых содержится в одном аудиофрейме, составит (512*5)*6=15360, однако с учетом 50% временного перекрытия здесь будет лишь 15320 \ 2 = 7680 новых отсчетов.

После сегментации по времени выборки отсчетов ЗС каждого канала преобразуются в новую совокупность цифровых данных посредством модифицированного дискретного косинусного преобразования (МДКП). Преобразование выборки ЗС из временной области может быть выполнено посредством одного длинного (512 точечного) или двух коротких (256 точечных) преобразований. В первом случае будет получено 256, а во втором – соответственно 128+128 значений коэффициентов МДКП. При короткой выборке коэффициенты МДКП обоих сегментов, содержащие по 128 значений, объединяются в один общий блок путем из чередования. В этом общем блоке также 256 коэффициентов МДКП. Длинное преобразование наиболее предпочтительно для сигналов медленно изменяющихся по амплитуде с течением времени. Оно имеет лучшее разрешение по частоте. Короткое преобразование обеспечивает лучшее разрешение по времени и применяется для сигналов, амплитуда которых быстро меняется во времени, например в области атаки звука.

При малых скоростях передачи цифровых данных в кодере Dolby AC3 предусмотрено использование специальной процедуры объединения канальных сигналов, позволяющей при их кодировании обойтись меньшим количеством бит.

Кодер Dolby Digital способен обработать входной сигнал с, по крайней мере, 20-ти разрядным динамическим цифровым сигналом с диапазоном частот от 20 до 20000 Гц ±0.5 дБ (-3 дБ на 3 и 20300 Гц). Низкочастотный канал покрывает диапазон от 20 до 120 Гц ±0.5 дБ (-3 дБ на 3 и 121 Гц). Частота дискретизации в 32, 44.1 и 48 кГц. Ширина выходного потока данных от 32 кбит/сек для одного монофонического канала, до максимума в 640 кбит/сек. Типичными являются скорости в 384 кбит/сек для "5.1" канального Dolby Digital потребительского формата, и 192 кбит/сек для двух канальной передачи звука.

Задача 21.

Для цифровой системы передачи звуковых сигналов с динамическим диапазоном 60 дБ и верхней частотой спектра 15 кГц выбрать число разрядов аналого-цифрового преобразователя, частоту дискретизации. Определите скорость передачи цифрового потока и ширину полосы частот, занимаемую цифровым сигналом, если для его передачи по радиоканалу используется QPSK-модуляция.

Дано:

Dc = 60 дБ

Fmax = 15 кГц

Решение:

В соответствии с теоремой отсчетов А.В. Котельникова неискаженная передача непрерывного сигнала с полосой 0…Fmax дискретной последовательностью его отсчетов возможна только в том случае, если частота fд связана с максимальной частотой Fmax исходного сигнала соотношением fд>2Fmax. При Fmax=15 кГц fд должно быть равно 30кГц. В случае же, если предполагается распространение звуковых сигналов через существующие телефонные сети (один звуковой сигнал вместо нескольких телефонных), то необходимо обеспечить, чтобы частота дискретизации ЗС была кратна частоте дискретизации телефонного канала (8 кГц). Таким образом, выбираем частоту дискретизации для ЗС 32 кГц. fд=32 кГц.

Будем использовать равномерное квантование сигнала. При равномерной шкале квантования и гармоническом сигнале (пик фактор q=1.41), отношение сигнал \ шум квантования, дБ, на выходе квантующего устройства определяется соотношением Pc / Pшкв = 6m -20lg q + 1.8, дБ

для q=1.41 Pc / Pшкв = 6m + 1.8, дБ

Для сигнала ЗС значение пик фактора зависит от жанра программы и меняется в пределах от 7 до 25 дБ. В среднем он равен 12..15 дБ.

Pc / Pшкв = 6m -8.2, дБ.

Для учета неодинаковой чувствительности слуха к составляющим разных частот, который определяется псофометрическим коэффициентом, необходимо уменьшить Pc / Pшкв  еще на 8.5 дБ.

Pc / Pшкв = 6m -16.7, дБ

Для избегания ограничения сигнала его квазипиковое значение не должно превышать порога ограничения квантователя. ∆u=6…10 дБ.

При m=17 битам получаем

Pc / Pшкв = 6m + 1.8, дБ = 103.8 дБ. Отсюда следует вычесть величину 1.5 дБ на погрешности аналого-цифрового и цифро-аналогового преобразования. В соответствии с рекомендацией МККР эту величину с учетом пик фактора надо уменьшить на 12 дБ. Для защиты канала от возможного превышения максимального уровня это значение уменьшается ещё на 10 дБ. Чтобы избежать слишком больших погрешностей при квантовании низких уровней и обеспечить при обратном преобразовании маскировку шумов квантования полезным сигналом, его уровень должен превышать уровень шумов на 20 дБ. С учетом этих факторов, при длине кодового слова m=17 бит получаем динамический диапазон ЗС Dc=(6m+1.8)-1.5-12-10-20=60.3 дБ. Таким образом через тракт можно передать ЗС с динамическим диапазоном 60 дБ.

Скорость передачи цифрового потока определяется по формуле Vпер=fд*m = 32*17 = 544 кбит\с. Для передачи стерео программы потребуется в два раза большая скорость передачи.

При использовании QPSK модуляции на один передаваемый символ приходится 2 бита информации. Т.о. символьная скорость модулированного потока составит SR = Vпер\ 2 = 544\2 = 272 к\симв. Для исправления возможных ошибок при передаче цифрового потока возможно применение сверточного кода Витерби. При применении кода Витерби символьная скорость увеличивается на коэффициент FEC = 1\2 …. 7\8 (типовые значения при передаче сигналов цифрового ТВ в стандарте DVB).

Таким образом, символьная скорость модулированного потока, при использовании кода Витерби составляет от 544 (FEC=1\2) до 310 (FEC=7\8) ксимв\сек. Согласно Intelsat Earth Station Standard 420:

Занимаемая полоса частот = (1+rolloff factor Найквиста)*SymbolRate.

Rolloff factor Найквиста примем равным 0.4.

QPSK сигнал занимает полосу частот BW = от 761 до 434 кГц в зависимости от символьной скорости.

Задача 8.

На вход декодера ИКМ, работающего в составе кодека “А”=87,6/13, подано кодовое слово 01110011. Импульс какой полярности и амплитуды будет сформирован на его выходе в следующих случаях, если декодер выполнен без инструментальных погрешностей. Номинальный шаг квантования принять равным 0,5 мВ.

Кодовое слово 01110011 состоит из: 0 — полярность, 111 — номер сегмента, 0011 — номер уровня в пределах сегмента. Отрицательная полярность, сегмент номер 7, уровень номер 3. В пределах каждого сегмента шаг квантования постоянен, но при переходе с одного сегмента к другому возрастает в 2 раза. Номинальный шаг квантования равен 0.5 мВ, такое значение он принимает в сегменте номер 1. Число шагов квантования в каждом сегменте равно 64 (24=64). Т.о. Δкв1=0.5 мВ

№ сегмента

Δкв, мВ

1

0.5

2

1

3

2

4

4

5

8

6

16

7

32

Т.о. Импульс на выходе декодера примет значение Uвых= 64*(0.5+1+2+4+8+16)+3*32=2016+96=2112 мВ. А с учетом знака импульс будет иметь значение -2.112 В.






Литература:

  1. http://en.wikipedia.org/wiki/Raised-cosine_filter

  2. http://en.wikipedia.org/wiki/Pulse_shaping

  3. http://www.ccas.ru/DCM/Chichag/4_COMPAN/H4VC.htm#lit

  4. http://en.wikipedia.org/wiki/A-law_algorithm

  5. United States Patent # 4507792 (PCM Encoder Conformable to the A-Law)

  6. Intelsat Earth Station Standard 420


вернуться назад
Ċ
alex zaharenkov,
7 июл. 2008 г., 12:11
Ċ
alex zaharenkov,
7 июл. 2008 г., 12:15
Ċ
alex zaharenkov,
7 июл. 2008 г., 12:23
Ċ
alex zaharenkov,
7 июл. 2008 г., 12:28
Ċ
alex zaharenkov,
7 июл. 2008 г., 12:36
Ċ
alex zaharenkov,
7 июл. 2008 г., 12:43
Ċ
alex zaharenkov,
7 июл. 2008 г., 12:47
Ĉ
alex zaharenkov,
7 июл. 2008 г., 12:10
Ċ
alex zaharenkov,
7 июл. 2008 г., 12:08
Ċ
alex zaharenkov,
7 июл. 2008 г., 12:10
Comments