ПРИНЦИПЫ КОДОВО-ИМПУЛЬСНОЙ МОДУЛЯЦИИ

Краткое содержание

В новейших работах описываются опыты по передаче речи при помощи кодово-импульсной модуляции (КИМ). В этой статье в общем виде показаны преимущества КИМ и установлены различия в возможностях КИМ и других широкополосных смстем, как, например, ЧМ с большим индексом. Ставится цель — по возможности просто разъяснить ряд вопросов, не входя в детали и не затрагивая некоторые вопросы, возникающие при конструировании соответствующих устройств.

1. КИМ и ее свойства

В систему КИМ входит ряд важных элементов. Эти элементы и роль, которую они играют, будут описаны в данном разделе.

Отсчитывание

Назначением системы передачи является, вообще говоря, воспроизведение на выходе системы некоторой функции времени, заданной на входе. Во всякой реальной системе приходится иметь дело только с определенным классом функций на ее входе, а именно с функциями с ограниченным спектром. Сигнал, не содержащий частот выше не может представляться бесконечным числом независимых значений в секунду. Он может в действительности представляться в точности независимыми значениями в секунду, и совокупность значений, отстоящих друг от друга во времени на секунд, где определяет сигнал полностью. Простое доказательство этого дано в приложении 1. Итак, чтобы передать сигнал с ограниченным спектром длительностью Т, не требуется передавать полностью всю непрерывную функцию времени. Достаточно передать конечную совокупность независимых величин, получаемых путем отсчета мгновенных значений сигнала с постоянной скоростью отсчетов в секунду.

Если читателю покажется удивительным, что отдельных данных описывают полностью непрерывную функцию на интервале Т, то следует напомнить, что для такого описания достаточно коэффициентов ряда Фурье, которым может быть представлена наша функция, принимая во внимание, что она не содержит частот выше

Восстановление

Перейдем теперь к приемному концу системы и предположим, что отдельные значения, представляющие сигнал, поступают в надлежащей временной последовательности и могут быть использованы с неизменной скоростью Чтобы восстановить сигнал, необходимо просто создать пропорциональный каждому данному значению импульс и пропустить полученную последовательность регулярно следующих друг за другом импульсов через идеальный фильтр нижних частот с граничной частотой На выходе фильтра получим в точности (не считая общего запаздывания и возможно коэффициента пропорциональности) первоначальный сигнал. Так как откликом идеального фильтра нижних частотна короткий импульс является импульс вида и так как общий эффект на выходе есть сумма откликов на все воздействия на входе, то описанный метод восстановления сигнала является просто физическим осуществлением метода, указанного в приложении I.

Итак, в идеальном случае имелось бы совершенное воспроизведение сигнала, если бы передавалась информация, дающая нам в точности мгновенные значения сигнала через интервалы во времени.

Квантование

Невозможно, конечно, передать точное мгновенное значение. Мгновенное значение сигнала передается часто как амплитуда импульса или как его положение во времени. Помехи, искажения и взаимное влияние импульсов изменяют высоту и положение и вносят ошибку в полученную информацию о величине отсчета. Обычно ошибка возрастает по мере того, как сигнал усиливается последовательными повторителями, и накопление шума кладет предел расстоянию, на которое сигнал может быть передан даже при наличии достаточного усиления.

Возможно, впрочем, ограничиться только некоторыми дискретными уровнями амплитуды или положения передаваемого импульса. Тогда при взятии отсчета должен передаваться уровень, ближайший к истинному. После приема и усиления получим уровень, немного отличающийся от какого-либо из установленных. Если помехи

и искажения не слишком велики, можно с уверенностью сказать, какой именно уровень должен был бы иметь сигнал. После этого сигнал может быть заново сформирован или может быть создан новый сигнал, имеющий снова первоначально переданный уровень.

Представление сигнала некоторыми установленными дискретными уровнями называется квантованием. Оно неизбежно вносит ошибку в определение величины отсчетов, порождая шум квантования. Но если сигнал находится в квантованном состоянии, он может передаваться на любое расстояние без дальнейшей потери качества, если только добавочный шум в сигнале, принимаемом каждым повторителем, не настолько велик, чтобы нельзя было распознать правильный уровень каждого данного сигнала. Квантование сокращает наш «алфавит». Если принятый сигнал лежит между и ближе, скажем к то можно считать, что передано Если шум достаточно мал, ошибки не будет.

Кодирование

Квантованный отсчет может быть передан в виде одиночного импульса, имеющего либо некоторую возможную дискретную амплитуду, либо некоторое дискретное положение по отношению к исходному. Однако если требуется большое количество различных амплитуд, например 100, то затруднительно сделать схемы, способные отличить их друг от друга. С другой стороны, очень легко осуществить схему, которая отличала бы наличие импульса от его отсутствия. Положим, далее, что несколько импульсов образуют кодовую группу для описания значения отдельного отсчета. Каждый импульс может быть налицо (1) или отсутствовать (0). Если взять три импульса, то можно составить комбинации, приведенные в следующей таблице:

Таблица I

Кодовые обозначения представляют собой по существу числа, записанные в двоичной системе. В этой системе разряды соответствуют числам 1, 2, 4, 8, т. е. единица в первом разряде изображает 1, единица во втором разряде изображает 2, единица в третьем разряде изображает 4 и т. д. Кодовыми группами из двоичных («да—нет») импульсов можно представить значений. Например, семь импульсов дают 128 уровней отсчета.

Возможно, конечно, кодировать мгновенное значение при помощи некоторого количества импульсов, которым присвоены величины

О, 1, 2 (основание 3; троичный код) или 0, 1, 2, 3 (основание 4; четверичный код) и т. д., вместо импульсов с присвоенными величинами 0 1 (основание 2; двоичный код). Если бы импульсу были присвоены десять уровней, то каждый импульс в кодовой группе представлял бы собой просто цифру в обычном десятичном числе, выражающем мгновенное значение сигнала. Если есть число импульсов в группе, основание, то число квантованных уровней, могущих быть представленными кодом, есть

Декодирование

Для того чтобы декодировать кодовую группу вышеописанного типа, нужно создать импульс, представляющий собой линейную сумму всех импульсов группы, умноженных на соответствующий вес разряда в коде. Это может быть сделано многими способами. Простейший, возможно, состоит в том, что кодовая группа передается в обратном порядке, т. е. сначала «единицы», а наиболее высокий разряд последним. Импульсы накапливаются в форме заряда на комбинации (сопротивление—емкость) с такой постоянной времени, чтобы заряд убывал в раз за время между импульсами. После получения последнего импульса заряд (напряжение) отсчитывается.

Полная система КИМ

Система КИМ включает все описанные выше процессы. Входной сигнал ограничивается по спектру так, чтобы исключить все частоты выше После этого с сигнала снимаются отсчеты со скоростью Отсчеты затем квантуются и кодируются. Так как возможны только дискретные кодовые группы, то выбор ближайшей кодовой группы автоматически квантует отсчет и в некоторых типах устройств нет необходимости в квантовании как в отдельной предварительной операции. Кодовые группы затем передаются либо в виде временной последовательности импульсов (временное разделение) по одному и тому же каналу, либо путем частотного разделения, либо по раздельным каналам. Кодовые группы регенерируются (восстанавливаются) с требуемым интервалом. В приемнике регенерированные кодовые группы декодируются и образуют последовательность импульсов, пропорциональных первоначальным отсчетам (не считая квантования); эти импульсы пропускаются через фильтр нижних частот с граничной частотой для восстановления первоначального сигнала.