Телекоммуникационные системы

41

3.1. Импульсно-кодовая модуляция

Согласно теореме отсчетов, непрерывный сигнал можно передавать мгновенными значениями этого сигнала (отсчетами), следующими с определенной частотой повторения, которая должна быть больше передаваемой частоты входного сигнала не менее чем в два раза (теорема Котельникова). Такое представление сигнала носит название дискретизации.

Информация о мгновенном значении входного непрерывного сигнала может быть передана в сторону приемника в форме отсчетов – амплитудномодулированных импульсов, взятых в определенные моменты времени (рис. 3.1), причём длительность импульсов, как правило, очень мала по сравнению с периодом их повторения ( ). В интервалах между соседними отсчетами одного сигнала последовательно во времени можно разместить отсчёты других передаваемых сигналов, а на приёмной стороне эти отсчёты опять распределить между каналами. Появляется возможность организовывать многоканальную связь.

А

А канал 1

В

В канал 2

τ

С

С канал 3

АВС

Рис. 3.1. Принцип временнόго объединения сигналов при многоканальной связи

42

В основе метода амплитудно-импульсной модуляции (АИМ) лежит передача сигналов в виде импульсов, промодулированных по амплитуде.

Изменение амплитуды сигнала можно передавать в виде изменения ширины (длительности) импульсов, амплитуда которых постоянна (рис. 3.2).

АИМ

ШИМ

ВИМ Рис. 3.2. Принцип АИМ, ШИМ, ВИМ

Передача сигналов с помощью импульсов постоянной амплитуды и переменной длительности лежит в основе широтно-импульсной модуляции

(ШИМ).

Совершенно очевидно, что для передачи сигнала служат фронт и срез импульсов. Если положение фронта не менять во времени, то передача сигнала будет обеспечена соответствующим изменением нефиксированного среза. Тогда широтно-модулированный импульс может быть заменен узким импульсом постоянной амплитуды и длительности, положение которого соответствует изменению амплитуды информационного сигнала.

Передача информации путем изменения положения импульса постоянной амплитуды и длительности лежит в основе время-импульсной модуляции

(ВИМ).

Виды модуляции АИМ, ШИМ, ВИМ соотносятся как обычные АМ, ЧМ, ФМ и являются аналоговыми методами импульсной модуляции.

Общим недостатком описанных видов импульсной модуляции являются жесткие требования к параметрам линий связи, т.к. помехи изменяют форму модулированного сигнала, что на приемной стороне проявляются в виде дополнительного шума, искажающего информационное сообщение. Этот шум

43

значительно увеличивается при передаче сигналов на большие расстояния, т.к. искажения импульсов от отдельных участков линии связи складываются.

Результатом решения этой проблемы явилась импульсно-кодовая модуляция (ИКМ), при которой передача сигналов производится в цифровой форме. Термин этот чисто исторический, т.к. мы имеем дело не с модуляцией, а

с аналогово-цифровым преобразованием сигнала. Поэтому в дальнейшем будем пользоваться термином ИКМ-преобразование, принцип которого состоит в том, что входной непрерывный сигнал дискретизируется в соответствии с теоремой отсчетов, а амплитуда АИМ импульсов, отображающая мгновенное значение входного сигнала в момент дискретизации, преобразуется кодером в двоичные числа (рис. 3.3). Так как число символов в двоичном числе, отображающем амплитуду импульса, ограничено, то ограничено и число цифр, позволяющих обозначить амплитуду соответствующего импульса. Поэтому кодер не может точно закодировать амплитуду импульсов, а производит «округление» до ближайшей нормированной амплитуды, которая может быть представлена двоичным числом с ограниченным количеством разрядов. Отсюда следует, что кодер должен последовательно переводить непрерывно изменяющиеся амплитуды АИМ-импульсов в квантованные по уровню АИМ импульсы и кодировать, т.е. выражать их через величины в двоичном коде. Группа двоичных символов, которая используется для передачи одной дискретно-квантовой амплитуды,

называется кодовым словом.										Очевидно, что при числе разрядов в кодовом
слове число квантованных уровней															2	.
																	Разрешенные уровни
																				111
																				110
																				101
																				100
																				011
																				010
																				001
																			000
																				Цифровой
																				сигнал
0				1	1			1		1	1			0	0	0	1

Рис. 3.3. Принцип ИКМ

44

Функциональная схема системы ИКМ изображена на рис. 3.4.

АИМ

к

линия связи

к

АИМ

Код.

Рег.

Дек.

АИМ дем.

мод.

(ФНЧ)

АИМ

АИМ

АИМ

АИМ

)

Рис. 3.4. Принцип передачи сигнала по системе с ИКМ

Входной непрерывный сигнал

дискретизируется в амплитудно-

импульсном

модуляторе

АИМ

мод.

Полученные

АИМ-импульсы

АИМ

АИМ

квантуются

кодером

Код.

к

и

преобразуются

в

кодовые

слова

, выражающие соответствующие уровни квантования в

двоичном коде.

При передаче цифровых сигналов

имеется возможность

восстановить их форму при помощи регенераторов Рег., что обеспечивает качество связи, не зависящее от расстояния. Принятая кодовая группа

декодируется декодером Дек., после чего восстанавливается			АИМ-импульс
АИМ	АИМ	, соответствующий квантованному импульсу	в кодере на

стороне передачи. Затем АИМ-импульсы пропускаются через фильтр нижних частот ФНЧ, на выходе которого образуется непрерывный входной сигнал вместе с дополнительным шумом . Этот дополнительный шум, называемый шумом квантования, определяется разницей между амплитудой первоначального импульса и его квантованной амплитудой и тем меньше, чем

больше уровней квантования.

По линии связи передаются случайные кодовые слова, но импульсы кодового слова нормированы по амплитуде и длительности. Поэтому приёмное устройство должно только определить их наличие или отсутствие на таковых интервалах. Искажения этих импульсов при условии их регенерации не оказывают влияния на передачу первоначального аналогово-входного сигнала.

Необходимо помнить, что при ограничении числа уровней квантования входного сигнала появляется дополнительный шум, снизить который можно за счёт увеличения длины кодовых слов. Это, в свою очередь, приведёт к сокращению длительности цифровых импульсов и, как следствие, потребует увеличения полосы пропускания аппаратуры телекоммуникационных устройств. Но на широкополосную аппаратуру степень влияния помех значительно возрастает. Кроме того, резко увеличивается скорость передачи информации С бит/с дискр log . Поэтому развитие цифровой техники

45

активизировало работы по изысканию методов сокращения информационных потоков перед передачей их по каналам связи.

Одной из систем кодирования, предложенных для сокращения избыточности цифрового сигнала, является кодирование с предсказанием.

Рассмотрим способ такого кодирования, когда кодируется не полное значение отсчётов, представляющих уровень сигнала, а разность между текущим и предыдущим отсчётом сигнала. Этот способ кодирования получил название дифференциальной импульсно-кодовой модуляции (ДИКМ). В

результате предсказания вместо полных значений отсчёта сигнала, например с 256 уровнями квантования, передаются только разностные значения, для квантования которых используется значительно меньшее число уровней

(рис. 3.5).

.

Структурная схема цифровой ДИКМ изображена на рис. 3.5. Устройство предсказания представляет собой линию задержки на интервал дискретизации с

коэффициентом			передачи, равным			единице.	Пусть в момент	выходной
сигнал будет равен нулю. Тогда в						момент	уровень сигнала	на выходе
квантователя будет				. В момент	на схему вычитания поступит сигнал				и
. На		выходе	квантователя		будет		, а на входе предсказателя
т.е.				. В момент		схему вычитания поступят сигналы
	,	а на	вход	предсказателя		наи т.д. В приемнике к		отсчету

последовательно добавляются разностные сигналы, и восстанавливается исходный сигнал.

46

xn= xn – xn-1

tn-1

tn

t0

t1

t2

t3

Tдискр

Вход

xn

Выход

Канал

Σ

Квантователь

Кодер

xn +

(схема вычитания)

+

xn-1

Предсказатель

Σ

(схема сложения)

+

Выход

Канал

xn

Декодер

Σ

+

(схема сложения)

+ xn-1

Предсказатель

Рис. 3.5. Принцип работы цифровой ДИКМ

Еще более широкое применение нашел такой способ передачи цифровых сигналов как дельта-преобразование (дельта-модуляция). Идея дельта-

преобразования заключается в передаче только знака приращения сигнала в определенные моменты времени. Характер изменения входного сигнала передается однобитовыми символами, что требует более высокой скорости передачи. На основе переданных сведений о приращениях входного сигнала можно на приемной стороне восстановить входной сигнал в виде его аппроксимации. Дельта-преобразование стало основой современных цифровых методов, использующих предсказание следующего значения сигнала на основе значения сигнала в предшествующие моменты времени. Структурная схема системы с дельта-модуляцией приведена на рис. 3.6, где ФЦС и ПЦС – формирователь и приемник цифрового сигнала, И – интегратор.

47

хвх= f(t)

Компаратор

Z(t)

Σ

ФЦС

И

Такт (Т0)

S(t)

∫

y(t)

И

хвых(t) = xвх(t) + p(t)

ФНЧ

S(t)

∫

Z(t)

ПЦС

Рис. 3.6. Структурная схема системы с дельта-модуляцией

Входной сигнал

в

компараторе

сравнивается через одинаковые

промежутки времени

вхсо ступенчатым аппроксимирующим сигналом

,

полученным из

входного сигнала (рис. 3.7). Если в момент

входной сигнал

Т

больше

аппроксимирующего

,

компаратор

вырабатывает

положительный импульс, а аппроксимирующий сигнал увеличивается на один шаг квантования .

хвх ,S

хвхt

+1

-1

Рис. 3.7. Процесс кодирования при дельта-модуляции

Если	же входной сигнал меньше аппроксимирующего	, то
компаратор	вырабатывает отрицательный импульс, а аппроксимирующий

48

сигнал уменьшается на один шаг (рис. 3.7). Компаратор управляет работой предсказывающего устройства, выполненного в виде интегратора И. Импульсы с выхода компаратора поступают на вход формирователя цифрового сигнала ФЦС, заменяющего отрицательные импульсы логическим нулем, положительные – логической единицей. Полученный цифровой сигнал

преобразуется в форму, необходимую для передачи.
В приемнике происходит обратный процесс. Цифровой сигнал		после
преобразования принимает форму	, из которого интегратор И формирует

аппроксимирующий сигнал. После подавления фильтром нижних частот ФНЧ высших гармонических составляющих получается непрерывный выходной

сигнал	вых	, отличающийся от исходного	наличием дополнительного
шума		– шума квантования. В системахвхс дельта-модуляцией этот шум

имеет две составляющие. Первая – это собственно шум квантования, иногда называемый шумом дробления, возникающий из-за конечного значения интервалов квантования, и вторая – составляющая, возникающая из-за перегрузки в момент, когда приращение входного сигнала (крутизна) в

интервале кодирования			превысит шаг квантования	и произойдет
ограничение крутизны	кодируемого сигнала. Уменьшить эти шумы позволяет
		Т

компандированная дельта-модуляция КДМ и высокоинформативная дельтамодуляция.

49

Глава 4. РАДИОПОМЕХИ И МЕТОДЫ БОРЬБЫ С НИМИ

Любое воздействие, искажающее результат приема сообщения называют

помехой. Электромагнитной помехой называют электромагнитное колебание, постороннее по отношению к полезному сигналу и искажающее результат приема. Радиопомехой называют электромагнитную помеху, действующую в диапазоне радиочастот.

Помехи, изменяющие коэффициент передачи тракта для полезного сигнала, называют мультипликативными, например: замирание радиоволн изза изменения уровня поля вследствие прихода в место приема множества радиоволн с изменяющимся во времени относительно друг друга фазами (за счет отражений радиоволн).

Радиопомеха, мешающее действие которой определяется суммированием с полезным радиосигналом, называется аддитивной: шумы в радиоаппаратуре; электромагнитные процессы в атмосфере (молнии); работа множества радиопередающих устройств; преднамеренные помехи, специально создаваемые для нарушения радиосвязи; работа электротранспорта, промышленных установок и т.д.

Флуктуационные помехи состоят из хаотической последовательности кратковременных импульсов, сливающихся в единый непрерывный случайный процесс. Примером является шум приемника, который объясняется хаотическим движением носителей заряда в полупроводниковых приборах, проводах и т.д.

Влияние флуктуационных помех уменьшают оптимальной фильтрацией полезного сигнала. Так как наибольшую долю шумов вносит первый каскад УВЧ, его выполняют на специальном малошумящем активном элементе, режимы которого облегчают, снижая рабочее напряжение и токи.

Влияние помех, вызываемых радиоизлучением других передатчиков, уменьшают, повышая избирательность приемников.

Борьба с преднамеренными радиопомехами, которые создаются для разрушения каналов связи, наиболее сложна. Эти помехи могут быть прицельными, когда их объектом становится определенный канал связи, и заградительными, когда ими «забивается» определенный диапазон радиоволн. Борьба с прицельными помехами состоит в переходе на другую частоту в

50

момент их появления. Эффективность заградительных помех ниже, чем прицельных, поскольку их излучают в широком диапазоне радиоволн. Этим определяется малая мощность помехи, приходящаяся на полосу пропускания приемника. Ослабить их действие можно оптимальной фильтрацией принимаемого информационного сигнала.

С помехами индустриального происхождения борются в местах их возникновения: экранированием аппаратов, установкой искрогасящих цепочек и т.д. Сложнее дело обстоит с атмосферными помехами (молнии), случайный импульсный характер которых не позволяет успешно с ними бороться. Частичное их подавление возможно с помощью системы быстродействующей автоматической регулировки усиления (БАРУ), которая при появлении на входе приемника высокоинтенсивной импульсной помехи немедленно вырабатывает управляющий сигнал, который на время её действия запирает тракт, прекращая прием.

Обеспечить высокую помехоустойчивость систем приема-передачи информации можно разными путями. Один из них направлен на создание таких схем обработки информации, которые наилучшим образом выделяют сигнал, ослабляя действие помех. Другой путь заключается в совершенствовании структуры передаваемых сигналов, использовании помехоустойчивых способов кодирования и модуляции. Примером таких помехоустойчивых сигналов служат коды Баркера.

Рассмотрим случай совместного воздействия сигнала и аддитивной помехи:

.

Задача состоит в том, чтобы оптимизировать фильтр, т.е. так подобрать его характеристики, чтобы искажения сообщения помехами были минимальными. Это приводит к задаче оптимальной фильтрации. Такой фильтр называется оптимальным фильтром Колмогорова-Винера.

Если полезный сигнал характеризуется спектральной плотностью

, а

помеха

спектральной плотностью

,

то оптимальная

частотная

характеристика фильтра определяется выражением

Если помеха многоКменьшеф опт

.

, т.е. оптимальный

сигнала, то

фильтр должен пропускать весь спектр

сигнала равномерно

и амплитудно-

Кф опт

1

частотная

характеристика фильтра должна

быть

близка

к

идеальной

(П-образной). Если помеха много больше сигнала, то

Кф опт

.