3.6. ЦИФРОВЫЕ МЕТОДЫ МОДУЛЯЦИИ

Цифровые виды модуляции используют для передачи непрерывных сообщений дискретными методами. Сущность цифровой модуляции заключается в том, что передаваемый непрерывный сигнал дискретизируется во времени, квантуется по уровню и полученные после этих операций отсчеты, следующие в дискретные моменты времени, рассматриваются в той или иной системе счисления как числа, которые затем кодируются для преобразования их в кодовые комбинации электрических сигналов. Полученной

последовательностью кодовых видеосигналов аналоговым или дискретным способом модулируют высокочастотный сигнал-переносчик.

Следовательно, цифровые методы модуляции основаны на трех необходимых преобразованиях полезных непрерывных сигналов: дискретизации, квантовании и кодировании. Четвертое преобразование — модуляцию — используют, как правило, при передаче сигналов в многоканальных системах. Наиболее распространенными цифровыми видами модуляции классов (см. § 3.1) являются импульсно-кодовая модуляция (ИКМ), дельта-модуляция (ДМ) и комбинированные виды ИКМ-ДМ.

Рассмотрим основные достоинства и недостатки, области применения цифровых видов модуляции, особенности представления непрерывных сигналов числами (кодовыми комбинациями), сущность дискретизации, квантования и кодирования при ИКМ и ДМ. Интенсивное внедрение систем с цифровыми способами передачи сигналов началось в 60-х годах, в настоящее время в мире насчитывается несколько миллионов эффективно эксплуатируемых систем с ИКМ [5, 8]. Быстрое развитие систем с цифровыми способами передачи сигналов обусловлено их важными достоинствами: слабое влияние неидеальности и нестабильности характеристик аппаратуры на качество передачи информации; высокая помехоустойчивость даже при использовании каналов с нестабильными характеристиками и большим уровнем шумов; возможность регенерации (восстановления) сигналов в узлах связи сетей, что значительно ослабляет эффект накопления искажений сигналов при передаче информации по линиям большой протяженности; универсальная форма представления сигналов для различных сообщений (речь, телевизионные изображения, дискретные данные, команды управления работой устройства связи и т. п.); низкая чувствительность к нелинейным искажениям в групповом тракте многоканальных систем; относительно простое согласование этих систем с ЦВМ и с электронными автоматическими телефонными станциями, что играет важную роль для построения интегральных сетей связи; возможность автоматизации передачи и обработки сигналов с помощью ЦВМ; возможность унификации и стандартизации элементов и устройств систем и сетей связи на основе интегральной микросхемотехники и цифровой вычислительной техники; применение малогабаритных цифровых фильтров для селекции сигналов.

Основными недостатками систем с цифровыми способами передачи сигналов являются: значительное расширение занимаемой полосы частот каналов, необходимость обеспечения точной синхронизации сигналов и построения аппаратуры для их регенерации на линиях большой протяженности. Например, при одинаковом числе каналов для передачи группового сигнала с ИКМ и временным разделением сигналов для многоканальной системы требуется полоса частот примерно в 15 раз большая, чем в системе с частотным разделением сигналов и однополосной модуляцией [8]. Фазовые ошибки тактовой синхронизации ограничивают

максимальную длину тракта передачи информации. Результаты исследований последних лет показывают, что эти недостатки не играют определяющей роли и цифровые методы передачи информации будут применяться все более широко.

Наметились следующие основные области применения цифровых видов модуляции: уплотнение действующих соединительных линий между АТС, построение интегральных сетей связи с электронными АТС, радиорелейные линии связи прямой видимости и дальние линии связи, спутниковые системы связи с многостанционным доступом, волноводные и оптические линии многоканальной связи, телеметрия. В настоящее время наибольшее развитие получили системы с ИКМ для уплотнения телефонных линий связи и в спутниковой связи. Принципиальная возможность применения цифровых видов модуляции обусловлена следующими причинами: абсолютно точная передача непрерывных сигналов не возможна из-за искажений и шумов в каналах связи, поэтому погрешности дискретизации и квантования сигналов являются допустимыми; разрешающая способность и точность работы устройств и операторов ограничены; непрерывные сигналы обладают значительной избыточностью.

Последовательно рассмотрим сущность операций дискретизации, квантования и кодирования применительно к цифровой передаче непрерывных сигналов.

На рис. 3.6 показаны временные диаграммы сигналов в системе с ИКМ. На рис. 3.6,а показаны исходный непрерывный сигнал с ограниченным

Рис. 3.6. Временные диаграммы сигналов в системе ИКМ

спектром и его дискретизация с интервалом где верхняя частота спектра сигнала, на рис. 3.6, б - полученная в результате квантования и кодирования последовательность двоичных видеосигналов. Из-за искажений сигналов и шумов в канале принятая видеопоследовательность (рис. 3.6,в) отличается от переданной. Выбирается порог Его превышение в моменты отсчета (стробирования) значениями сигнала означает наличие импульса, а непревышение — отсутствие; с помощью формирующих устройств из принятой видеопоследовательности создается «очищенная» — регенерированная последовательность сигналов (рис. 3.6,г), которая поступает на декодер. С выхода декодера импульсы, площадь которых равна соответствующим отсчетам исходного сигнала поступают на демодулятор— в простейшем случае фильтр нижних частот, на выходе которого восстанавливается копия исходного непрерывного сигнала (штриховая линия на рис.

Для получения регенерированной кодовой последовательности отсчеты принимаемого сигнала берут в середине каждого тактового интервала (рис. 3.6,б и в). Это делается для того, чтобы исключить влияние на работу демодулятора запаздывания и фазовых искажений сигналов в канале связи. В результате регенерируемая последовательность «задержана» на относительно переданной (рис. 3.6, б и г). Правильное декодирование сигналов требует также, чтобы были приняты все разряды кодовой комбинации. Из-за этого принятые отсчеты оказываются дополнительно задержанными относительно передаваемых на интервал дискретизации (рис. 3.6,а и (3). Важную роль играет идентификация разрядов кодовых комбинаций, выполняемая счетчиками импульсов, которые делят последовательность видеоимпульсов на комбинации требуемой длины. Для синхронизации работы счетчиков периодически передают легко индентифицируемую (тестовую, контрольную) кодовую комбинацию.

Дискретизация во времени — это преобразование непрерывного сигнала в дискретную последовательность отсчетов (рис. 3.6,а). Она осуществляется выбором отсчетов сигнала в определенные моменты времени Интервал (шаг) дискретизации, как правило, выбирают в соответствии с теоремой Котельникова (см. § 2.2). Погрешности дискретизации определяют как погрешности ортогональных разложений сигналов (см. § 2.1).

Квантование сигналов по уровню — это дискретизация полученной последовательности отсчетов по уровню. Сущность квантования как нелинейного преобразования заключается в том, что все отсчеты, попадающие в интервал квантования представляют одним значением которое называют квантованным (рис. 3.7). Квантованные значения сигнала указаны на рис. 3.7 точками. Процесс квантования определен, если задана характеристика квантования (рис. 3.8). Она связывает интервалы квантования и квантованные значения: каждому интервалу квантования ставится

в соответствие квантованное значение и. Часто интервалы квантования выбирают одинаковыми и говорят, что квантование производится с постоянным шагом. Если выбирать можно упростить схему устройства квантования (квантователя).

Характерной особенностью цифровых видов модуляции является то, что из-за погрешностей квантования копия сигнала отличается от оригинала даже при полном отсутствии помех и искажений в канале. Поэтому вводят такую характеристику, как шумы квантования и для копии сигнала используют выражение

Если квантование выполняют с равномерным шагом, то область изменения мгновенных значений шума квантования (абсолютной погрешности квантования) заключена в пределах от до На рис. 3.7 показано значение абсолютной погрешности квантования для момента дискретизации

Рис. 3.7. Квантование уровня отсчетов

Рис. 3.8. Характеристика квантования

Обычно ошибку квантования считают равномерно распределенной в интервале поэтому математическое ожидание и дисперсия ошибки

Дисперсию ошибки квантования рассматривают как мощность шумов квантования (мощность помех, обусловленных квантованием). Мощность шумов квантования падает с ростом числа уровней квантования и при правильном выборе этого числа может быть пренебрежимо мала по сравнению с мощностью помех в канале. Обычно при квантовании решают две основные задачи: анализ погрешностей квантования (анализ искажений полезного сигнала при квантовании) и оптимизация квантования с учетом помех в канале (оптимальный синтез квантователя, обеспечивающего минимальные погрешности). На практике во многих системах, например в многоканальных системах с ИКМ, равномерное квантование не применяют. Это обусловлено рядом причин:

распределение ошибки квантования отличается от равномерного; дйнамический диапазон передаваемых сигналов различен; для обеспечения максимальной скорости передачи информации стремятся обеспечить появление квантованных значений с одинаковой вероятностью (см. § 5.1).

Погрешности квантования можно уменьшить и при равномерном квантовании. Для этого необходимо сжимать динамический диапазон полезных сигналов. Такое сжатие называют компрессированием динамического диапазона. При этом уменьшается интервал квантования А и и соответственно падает мощность шумов квантования (3.32). Компрессирование сигналов выполняют перед квантованием. После декодирования и восстановления сигнала необходимо выполнить обратную операцию, называемую экспандированием. Обе операции называют компандированием сигнала. Таким образом, влияние шумов квантования и помех можно уменьшить, оптимально выбирая параметры процесса квантования и искусственно изменяя динамический диапазон полезных сигналов (применяя компапдирование). Управляемыми переменными при квантовании являются уровни квантования, интервалы квантования и квантованные значения.

Рис. 3.9. Временные диаграммы при дельта-модуляции

Более простой по сравнению с ИКМ является дельта-модуляция (ДМ). Она позволяет применить элементарный способ декодирования сигналов и использовать меньшую полосу частот. Сущность ДМ заключается в том, что в дискретный момент времени взятия отсчета передается положительный импульс, если производная сигнала в этой точке положительна, и отрицательный импульс, если она отрицательна (рис. 3.9). В результате кодирования в дельта-модуляторе непрерывный сигнал преобразуется в последовательность положительных и отрицательных видеоимпульсов (рис. 3.9,б). Так же, как и при ИКМ, эта последовательность в случае необходимости может быть использована для модуляции высокочастотного сигнала-переносчика. Декодер выполняют как простой интегрирующий контур, который суммирует все импульсы кодовой видеопоследовательности. На выходе контура получают копию полезного сигнала. Системы с ДМ обладают многими достоинствами систем с ИКМ, но применяемая в них аппаратура кодирования и декодирования является более простой. Поэтому разрабатывают и применяют комбинированные виды модуляции: ИКМ-ДМ.

Для кодирования квантованных значений сигнала при ИКМ с помощью примитивного (некорректирующего) кода необходимо так выбирать основание кода и значность кода чтобы

Если обеспечена одинаковая вероятность появления квантованных значений и интервал дискретизации выбран так, что они независимы, максимальная скорость передачи информации при ИКМ

где частота дискретизации полезного сигнала. Для двоичного кодирования максимальная скорость

В современных системах с цифровыми способами передачи сигналов начинают применять корректирующее кодирование. Это приводит к некоторому снижению скорости передачи информации, но увеличивает помехоустойчивость.

Контрольные вопросы

(см. скан)