Амплитудно-импульсная модуляция

Сигнал, получаемый при таком виде преобразования аналогового сигнала (или выполнения измерений дискретизации), представляет импульсы, имеющие постоянную частоту, однако амплитуда каждого импульса равняется амплитуде измеряемого в процессе дискретизации сигнала в момент проведения такого измерения.

Таким образом, импульсы являются модулированными по амплитуде, что продемонстрировано на рис. 6.16, а сам процесс получил наименование амплитудно-импульсной модуляции.

Рис. 6.16.Передача сигнала с использованием амплитудно-импульсной модуляции

Импульсы, полученные в результате дискретизации аналогового сигнала, могут пересылаться по цифровым каналам связи и затем, пройдя соответствующие фильтры на выходе канала, будут воспроизводить исходный сигнал и заключенную в нем информацию. Однако при этом возникает весьма существенная техническая проблема. Так как передача информации осуществляется с использованием зависимости с амплитудой импульсов, то должно быть установлено или определено соотношение между амплитудами импульсов. Любые искажения или шумы, вносимые в процессе передачи, в приемном терминале не могут быть устранены, так как приемное устройство не обладает механизмом, позволяющим распознать, был ли искажен при передаче результат какого-нибудь конкретного измерения, выполненного при дискретизации, либо нет. Дополнительно к этому возникает вторая проблема, заключающаяся в том, что при передаче импульсы стремятся расширяться и взаимодействовать друг с другом, что еще больше усложняет процесс восстановления исходного сигнала.

При амплитудно-импульсной модуляции используется несущая, которая характеризуется постоянным значением частоты. Амплитуда каждого из соответствующих импульсов равна амплитуде входного аналогового сигнала в соответствующей точке, в которой выполняется измерение дискретизации.

Из-за этих проблем амплитудно-импульсная модуляция, как правило, не используется для передачи сигналов на расстояние, превышающее порядка одного метра.

Кодово-импульсная модуляция.Для того чтобы избежать проблем, присущих амплитудно-импульсной модуляции, используется метод преобразования сигнала, получивший название кодово-импульсной модуляции. Информация, заключенная в результатах измерения амплитуды аналогового сигнала, преобразуется в число. Этот процесс преобразования данных из непрерывной формы в дискретную получил наименование дискретизации. Для передачи по цифровому каналу число представляется в виде двоичного кодового набора. Любой из битов (или разрядов) кодового набора имеет уровень сигнала, который соответствует одному и тому же уровню логического 0 либо логической 1. Информация представлена в закодированном виде, представляющем набор из двоичных цифр, а не в виде амплитуды, следовательно, амплитуда импульса может произвольной, не оказывая влияния на содержащуюся в нем информацию.

Кодово-импульсная, или импульсно-кодовая, модуляция (ИКМ) представляет измерение амплитуды в дискретных точках аналогового сигнала и преобразование (дискретизацию) результата каждого измерения в кодированный набор из двоичных цифр.

Дискретизация

Способ дискретизации или квантизации, при котором определенному (двоичному) числу ставится в соответствие конкретный результат измерений, выполняемых при дискретизации сигнала, изображен на рис. 6.17.

Рис. 6.17.Дискретизация аналогового сигнала

Электрическая схема, получившая название дискретизатора или квантователя, производит измерение амплитуды аналогового сигнала и воспроизводит соответствующее измерению число. При этом устанавливаются определенные пороговые значения, и полученные в результате измерений числа, соответствующие амплитудам аналогового сигнала, попадают в определенные полосы значений, которые ограничены установленными пороговыми значениями. В подавляющем большинстве случаев соотнесенные в процессе преобразования числа представляют известную аппроксимацию, а не точные значения, так как применение истинных значений потребовало бы гораздо большего количества разрядов в двоичном коде. Двоичный код имеет определенный набор из двоичных чисел, который ограничивает то количество однозначно определяемых чисел, которые могут быть соотнесены. Следовательно, для того чтобы отображать измеряемое в ходе дискретизации значение при кодировании, будет выбрано то значение, которое окажется наиболее близким к истинному значению из доступного набора чисел.

Схема дискретизации преобразует фиксированный или изменяющийся аналоговый сигнал в эквивалентный ему набор фиксированных или изменяющихся двоичных чисел.

Подобная замена истинного измеряемого значения приближенным приводит к появлению погрешности, которая представляет отклонение приближенного значения от истинного, измеряемого в процессе дискретизации. Величина данного отклонения указана на рис. 6.17 в виде значка Х. Данная погрешность дискретизации приводит к возникновению дополнительного шума в сигнале, получившего название шума дискретизации и прослушиваемого в телефоне в виде свистящих шумов. Шум дискретизации может быть уменьшен, если уменьшить пороговые значения для каждой полосы и сделать полосы уже. Это обеспечит большее количество интервалов или чисел, которые могут быть определены в области максимального значения амплитуды. Иными словами, это сделает разницу между дискретными значениями чисел меньше, что позволит уменьшить погрешность дискретизации. Однако увеличение количества интервалов или полос потребует большего количества битов в двоичном коде, следовательно, будет необходима более широкая полоса пропускания канала. Возникает определенный компромисс между большим количеством узких полос дискретизации (шире полоса пропускания, но ниже уровень шумов) и уменьшением количества таких полос (требуется более узкая полоса пропускания, но выше уровень шумов).

Погрешность дискретизации вызывает появление фонового шума в приемном устройстве в виде свистящих шумов. Сужение ширины интервалов полос при измерениях уменьшило бы величину шума, однако, потребовало бы увеличения количества битов (размера кодового набора или слова) и большей ширины полосы пропускания канала связи.

В некоторых устройствах дискретизации возникает эффект, получивший специальное название — шум незанятого канала. Этот эффект наблюдается при низких уровнях сигнала, когда шум дискретизации превышает уровень сигнала. Этот эффект особенно заметен в такой момент, когда в канале связи отсутствует любой другой сигнал, который мог бы замаскировать сигнал шума. Как показано на рис. 6.18, правильно выполненный расчет схемы дискретизации приводит к тому, что уровень сигнала шума оказывается меньше максимального значения первого интервала дискретизации (в рассматриваемом случае это будет «1»), для которого автоматически будет предопределено значение нуля.

Рис. 6.18.Шум незанятого канала связи, который возникает из-за погрешностей дискретизации

В этом случае только те значения амплитуды, которые превышают первое пороговое значение, будут давать вклад в выходной сигнал.

Этот прием обеспечивает эффективное автоматическое подавление при малых уровнях сигнала и значительно снижает уровень шума незанятого канала.

Кодирование

После того как результат измерения аналогового сигнала был преобразован методом дискретизации в дискретное число, это дискретное число должно быть представлено в битовой форме, то есть преобразовано в кодовый набор, имеющий несколько разрядов.

Устройство, которое преобразует или переводит дискретизированный сигнал, получило название устройства кодирования, или просто кодера. Устройство, установленное в приемной части канала и производящее обратное преобразование (переводит битовый код в число), получило название декодера. Комбинированное устройство, включающее оба типа вышеназванных и необходимое для системы двухстороннего действия, получило название кодека (аббревиатура от слов кодер и декодер).

Устройство кодирования (или просто кодер) переводит квантизированный сигнал в цифрой код для выбранной системы счисления. Декодер переводит код системы счисления обратно в аналоговый эквивалент.

Линейный кодер.В простейшем виде кодирование позволяет получить выходной сигнал, который связан линейной функцией с входным сигналом. Графически зависимость величины входного сигнала от выходного представлена на рис. 6.19.

Рис. 6.19.Линейное кодирование

Если величина входного дискретного сигнала равна единице в десятичной системы счисления, то выходной сигнал кодера будет соответствовать числу 001 в двоичной системе счисления.

Когда значение входного сигнала равно десятичной двойке, то выходной сигнал будет представлен в виде двоичного числа 010. И так далее. Эта схема очень проста для понимания. Она используется в ряде современных коммерческих систем телефонной связи и современных цифровых записывающих систем для высококачественного воспроизведения звуковых записей.

Каждому уровню дискретного сигнала сопоставлен индивидуальный 8-разрядный код. Семь разрядов (битов) кода предназначены для выражения уровня сигнала, а восьмой разряд — для идентификации его знака.

Количество разрядов в выходном сигнале кодера зависит от количества интервалов (или полос) дискретизации в схеме квантования. Количество интервалов по мере добавления количества разрядов в коде увеличивается пропорционально значению степени числа 2, как это продемонстрировано в табл. 6.2.

Таблица 6.2.Зависимость количества интервалов (полос) дискретизации от количества разрядов в коде

Так как сигнал необходимо дискретизировать как с положительной, так и отрицательной полярностью, то один из разрядов кода должен быть использован для обозначения знака. По этой причине количество интервалов дискретизации снижается (пропорционально значению степени числа 2), поэтому для восьмиразрядного кода будет возможным использование только 128 интервалов, так как один разряд из восьми необходимо использовать для идентификации знака сигнала. Количество разрядов в кодовой группе для требуемого количества интервалов определяется в соответствии с выражением:

n = log2(2*N),

где n — количество разрядов, а N — количество интервалов. Величина N увеличена на множитель 2, чтобы учесть дополнительный разряд для обозначения знака. Например, для 64 интервалов количество требуемых разрядов n составит:

n = log2(2*N);

n = log2(128);

n = 7 разрядов.

Компандирование

Одной из важнейших характеристик качества квантизатора является отношение уровня сигнала к уровню шума дискретизации аналогового сигнала (в англоязычной литературе используется сокращение SQR). Для линейных систем отношение уровней сигнала к шуму дискретизации представляет отношение величины входного сигнала к 1/4 величины интервала дискретизации. (Данное значение, равное 0,25 для усредненного значения шума дискретизации, определено статистическими методами при условии, что при достаточно большом промежутке времени кодированные входные сигналы имеют равномерное распределение уровней внутри каждой из полос, задаваемых пороговыми значениями.) Это означает, что отношение уровней сигнала к шуму дискретизации возрастает с увеличением амплитуды сигнала, поэтому сигналы с более высоким уровнем будут иметь более высокое значение отношения (выше качество), чем сигналы с малым уровнем, или слабые сигналы.

Одной очень важной характеристикой качества устройства дискретизации является величина соотношения уровней сигнала к уровню шума дискретизации. Интервалы дискретизации стараются установить как можно меньше для сигналов в области малого уровня и больше – для сигналов с высоким уровнем.

На рис. 6.20 показано, что слабый сигнал с амплитудой 1 имеет отношение уровней сигнала к шуму дискретизации, равное 4, тогда как сильный сигнал с амплитудой 5 имеет отношение уровней сигнал/шум дискретизации, равное 20.

Рис. 6.20.Отношение уровней сигнала к шуму дискретизации (SQR) возрастает с уровнем сигнала в линейном кодере

Это условие не является очень уж желательным, так как слабые сигналы всегда более вероятны, чем сигналы с высоким уровнем; кроме того, сигнал с более высоким уровнем имеет тенденцию маскировать любой присутствующий шум.

Средством, позволяющим исправить такое положение дел, является определение размеров интервалов дискретизации в зависимости от уровня входного сигнала, так чтобы интервалы были меньше для слабых сигналов и больше для сильных сигналов. Такое положение дел даст нелинейную зависимость уровня выходного сигнала от уровня входного и приведет к тому, что выходной сигнал будет сжат по отношению к входному. Соответствующая зависимость изображена на рис. 6.21.

Рис. 6.21. Кривая компандирования, используемая в компандере

Следует отметить, что на данном рисунке входной сигнал, который возрастает по амплитуде от значения 1/2 до 1, в кодированном виде изменяется в 16 раз, тогда как для входного сигнала, изменяющегося от 1/64 до 1/32, выходной сигнал в кодированном виде изменяется в то же самое количество раз — 16.

Таким образом, изменения в слабом сигнале производят такие же изменения значений выходного сигнала, как и в сигнале, большем по величине в 32 раза. Данный прием в технике получил название метода сжатия.

В приемном устройстве линии передачи сигнала у декодера имеется дополняющая функция расширения для того, чтобы восстановить линейность сигнала после произведенного сжатия. Комбинация таких блоков, определяющих характеристики сжатия и расширения (восстановления) в кодеке, получила название компандера (образовано из начальной и конечной частей английских слов compressor/expander, означающих устройства сжатия и расширения).

При использовании компандера отношение уровней сигнал/шум дискретизации, SQR, сохраняется практически постоянным во всем диапазоне изменения уровня входного сигнала. Совокупность всего оборудования цифрового канала, установленного в начале и в конце цифрового канала передачи данных в коммутируемых сетях общего пользования, которые предназначены для измерения величины аналогового сигнала при его дискретизации, дискретизации и кодирования для преобразования речевого сигнала в битовый формат, получила название совокупности оборудования и устройств сопряжения цифровых каналов связи с аналоговыми каналами (channel bank).

В приемном устройстве декодер воспроизводит рассмотренный процесс в обратном порядке. Интервалы дискретизации устанавливаются таким образом, чтобы они имели большие величины для слабых сигналов для того, чтобы исправить отношение сигнал/шум дискретизации.

Компандирование с использованием μ-характеристики

В широко развитой телефонной сети, такой, например, как система (сеть) телефонной связи компании Bell в США, большое количество цифровых каналов взаимодействуют друг с другом, поэтому каждая совокупность оборудования и устройств сопряжения цифрового канала связи должна использовать общую и стандартную для всех схему, выполняющую как преобразование аналогового сигнала в цифровую форму, так и операцию компандирования. Схема, удовлетворяющая данным требованиям, имеет достаточно длинное наименование «стандарт ИКМ цифрового кодирования с компандированием в соответствии с характеристикой, параметр которой μ = 255» и которая обычно для простоты обозначается как μ – характеристика (или микрозависимость). Работа схемы компандирования построена на использовании логарифмической зависимости, которая может быть выражена в виде соотношения:

где:

х — приведенное (нормализованное) значение входного сигнала (заключено между –1 и +1);

sgn(x) — знак положительной или отрицательной полярности входного сигнала;

μ — параметр сжатия, установлен равным 255 для сетей связи в странах Северной Америки;

Fμ(x) — значение сжатого выходного сигнала.

В любой сети цифровой системы связи должна быть стандартизованная схема, выполняющая компандирование (операции сжатия и расширения). Стандартом, принятым в системе телефонной связи компании Bell, является применение компандеров, в которых используется μ-характеристика (или микрозависимость).

При работе кодирующего устройства используется кусочно-линейная аппроксимация логарифмической кривой, которая представлена на рис. 6.21. Кодирующее устройство вырабатывает 8-разрядный выходной сигнал: 7 разрядов предназначены для кодирования величины сигнала, а восьмой — для характеристики его знака. Самый левый (самый старший значащий) разряд предназначен для обозначения знака. При положительной полярности входного сигнала в данном разряде используется двоичная 1, и для отрицательной полярности входного сигнала — двоичный 0. Остальные разряды кодовой группы (7 оставшихся битов) указывают абсолютное значение входного сигнала. Так как частота измерений при дискретизации, как было определено ранее, составляет 8000 замеров в секунду, скорость передачи данных по индивидуальному голосовому каналу при использовании для кодирования оборудования, использующего μ – характеристику, будет составлять: 8000 замеров в секунду, умноженные на 8 битов в секунду при каждом замере, что составит 64 тыс. битов в секунду. Реальная скорость передачи данных для большинства цифровых средств и оборудования намного выше, чем только что указанная, так как для подавляющей части каналов используется совместное мультиплексирование.

Аналоговый сигнал кодируется в 8-разрядный двоичный код. Семь разрядов (или битов) предназначены для кодирования и передачи уровня сигнала, а восьмой разряд указывает полярность сигнала (двоичная 1 используется для положительной полярности сигнала, двоичный 0 – для отрицательной). Скорость передачи определяется скоростью (частотой) измерений при дискретизации и числом битовых единиц, приходящихся на одно измерение.






Дата добавления: 2020-02-11; просмотров: 212;


Поделитесь с друзьями:

Вы узнали что-то новое, можете расказать об этом друзьям через соц. сети.

Поиск по сайту:

Введите нужный запрос и Знаток покажет, что у него есть.
Znatock.org - Знаток.Орг - 2017-2020 год. Материал предоставляется для ознакомительных и учебных целей. | Обратная связь
Генерация страницы за: 0.01 сек.