Аналого-цифровое и цифро-аналоговое преобразования (АЦП/ЦАП)
Изначально, системы сотовой связи создавались для предоставления услуги телефония, поэтому одним из основных видов передаваемых данных является голос. Изначально, речь относится к аналоговому типу сигналов, т.е. функцию амплитуды речевого сигнала от времени можно определить для любого момента времени. В первых системах телефонной связи речь передавалась в аналоговом виде. Каждое телефонное соединение занимало полосу частот 4 кГц. Хотя спектр речевого сигнала гораздо шире и человек может улавливать звуки на частотах до 15 кГц, ограничение речевого потока частотой 4кГц не вредит распознаваемости отдельных слов и фраз, при этом значительно экономится ресурс канала связи.
Аналоговые телефонные системы связи достаточно просты в реализации и получили очень широкое распространение во всем мире. Однако передача речи в аналоговом виде обладает рядом недостатков, основными из которых является низкая помехоустойчивость и энергетическая эффективность. Эти факторы, а также рост потребности абонентов в новых дополнительных услугах, в том числе и передачи данных, дали толчок к появлению первых цифровых систем телефонии. Для передачи речевого сигнала по цифровому каналу связи необходима процедура аналого-цифрового преобразования (АЦП), которая состоит из 3 этапов: дискретизация, квантование и кодирование. Дискретизация представляет собой процедуру взятия отдельных значений сигнала через равные промежутки времени. Согласно теоремы Котельникова (отсчетов Найквиста) частота дискретизации должна быть как минимум в два раза выше, чем верхняя частота сигнала. Исходя из этого для речевого сигнала частота дискретизации должна быть 8 кГц. Далее значения сигнала округляются до ближайшего из заранее заданного набора, т.е. проводится процедура квантования. При этом, чем больше будет использоваться уровней, тем более точно можно будет восстановить сигнал к исходной форме на приемном конце. После этого значения сигнала кодируются двоичным кодом. Далее кодированные значения передаются по всем правилам передачи цифровых сигналов. При этом возможно применение различных методов шифрования, помехоустойчивого кодирования, сжатия и т.п. В конце цифрового тракта применяется обратная процедура – аналого-цифровое преобразование (ЦАП). Цель которой - получить аналоговый сигнал, максимально похожий на исходный.
Этапы аналого-цифрового преобразования
Одной из первых систем цифровой телефонии является ISDN (Integrated Services Digital Network) – цифровая сеть интегрального обслуживания. Данный стандарт подразумевает для передачи одного речевого сигнала канал со скоростью 64 кбит/сек. Эта скорость выбрана исходя из частоты дискретизации 8 кГц (см. выше), а также 8 битного шифрования значений сигнала (256 возможных уровней). Такие параметры позволяют обеспечить достаточное восстановление сигнала в аналоговую форму, чтобы собеседники могли понимать 90% отдельных слов и 99% фраз.
Начиная со второго поколения сотовой связи все стандарты предусматривают передачу информации только в цифровом виде, т.е. являются цифровыми системами. Это позволяет предоставлять широкий перечень высококачественных услуг, обеспечивать высокую энергетическую эффективность работы сети и безопасность.
