 |
Применение импульсно-кодовой модуляции для передачи аналоговых сигналов
|
|
|
|
Преобразование непрерывного первичного аналогового сигнала в цифровой код называется импульсно-кодовой модуляцией (ИКМ). Основными операциями при ИКМ являются операции дискретизации по времени, квантования (дискретизация по уровню дискретного по времени сигнала) и кодирования.
Дискретизацией аналогового сигнала по времени называется преобразование, при котором представляющий параметр аналогового сигнала задается совокупностью его значений в дискретные моменты времени, или, другими словами, при котором из непрерывного аналогового сигнала 
получают выборочные значения 
.
Рис.7 – Дискретизация аналогового сигнала
Значения представляющего параметра сигнала, полученные в результате операции дискретизации по времени, называются отсчетами.
Величина интервала дискретизации выбирается в соответствии с теоремой Котельникова. Согласно теореме Котельникова, аналоговый сигнал с ограниченным спектром и бесконечным интервалом наблюдения можно без ошибок восстановить из дискретного сигнала, полученного дискретизацией исходного аналогового сигнала, если частота дискретизации в два раза больше максимальной частоты спектра аналогового сигнала:
.
При квантовании
Рис.8 – Квантование сигнала
отсчеты ряда Котельникова, принимающие в реальных условиях значения в диапазоне от 
до 
(динамический диапазон сигнала), аппроксимируется одним значением из конечного числа значений 
, называемых уровнями квантования. Такая операция подобна округлению и приводит к погрешности, называемой шумом квантования.
Кодированием квантованного отсчета называется отождествление этого отсчета с кодовыми словами, где под кодовым словом понимается упорядоченная последовательность символов некоторого алфавита.
|
|
|
На практике в ИКМ аппаратуре используют двоичные кодовые слова,
Рис.9 – Кодирование сигнала
причем каждое двоичное слово соответствует определенному уровню квантования сигнала.
Достоинством ИКМ является высокая помехоустойчивость, которая достигается за счет расширения спектра ИКМ сигнала по сравнению по спектром исходного сообщения. В настоящее время не существует систем модуляции, более близких к идеальной, если спектр передаваемого сообщения равномерный. Поэтому система с ИКМ широко используется в тех случаях, когда высокую верность необходимо обеспечить с минимальной затратой мощности передатчика.
Повышение верности передачи непрерывных сообщений в системах с ИКМ может быть достигнута применением помехоустойчивого кодирования.
Высокая помехоустойчивость цифровых систем передачи позволяет осуществить практически неограниченную по дальности связь при использовании каналов сравнительно невысокого качества.
Другим существенным преимуществом цифровых систем передачи информации является использование в аппаратуре преобразования сигналов современной элементной базы цифровой вычислительной техники и микропроцессоров. Больше того, на цифровой основе могут быть объединены в единой системе сигналы передачи данных с сигналами передачи речи и телевидения. Возможность приведения всех видов передаваемой информации к цифровой форме позволяет осуществить интеграцию систем передачи и систем коммутации.
Недостатком ИКМ является наличие шума квантования, который обусловлен тем, что преобразование непрерывных сообщений в цифровую форму в системах ИКМ сопровождается округлением мгновенных значений до ближайших разрешенных уровней квантования.
Рассчитаем мощность шума квантования и отношение сигнал/шум квантования для случая поступления на вход приемника сигнала с максимальной амплитудой, равной 
.
|
|
|
Период квантования:
Мощность шума квантования:
Т.е. 
.
Мощность сигнала равна:
Отношение сигнал/шум определим по формуле:
Т.о. 
Выбор значения шага квантования производится таким образом, чтобы, с одной стороны – минимизировать шумы квантования, с другой стороны – упростить реализацию квантователя. Уменьшение шума квантования напрямую связано с уменьшением значения шага квантования.
|
|
|
