пускания приемопередающих трактов со спектрами сигналов и тем самым достичь более высокой помехоустойчивости. Кроме того, при ФИМ есть возможность дополнительно снизить влияние помех за счет регенерации канальных импульсов не только по амплитуде (как при ШИМ), но и по длительности, что невозможно в системе с ШИМ.
Поэтому в современных системах связи с ВРК преимущественно применяется ФИМ, а АИМ и ШИМ используются как промежуточные процедуры при формировании и обработки импульсно-модулированных сигналов.
6.2.2. Порог помехоустойчивости системы передачи с импульсными методами модуляции
Всем системам связи, в которых используются нелинейные методы модуляции, присущ так называемый пороговый эффект [6].
В системах связи с ФИМ-АМ (ЧМ) момент прихода информационного импульса опреде- 
ляется как момент 
перехода его оги- 
бающей через не- 
который пороговый 
уровень (рис.6.6,а), который обычно
выбирается равным 
половине амплитуды импульсного сигнала.
При наличии помех происходит искажение огибающей принимаемого импульса смещается момент пересечения порога. Чем круче фронт импульса, тем меньше смещение, вызываемое помехой.
При большом уровне помех отдельные их выбросы превышают пороговый уровень и вызывают ложные срабатывания оконечных устройств в промежутках между информационными импульсами (рис. 6.6,б).
Если значения помехи с большой вероятностью достигают и превышают
порог, то прием становится практически невозможным. В этом случае считают, что система достигла порога помехоустойчивости, при котором слабый сигнал подавляется сильной помехой.
Величина средней пороговой мощности на входе приемника с ФИМ-АМ выражается: Pср.пор > Pи.пор ε ,
где Pи.пор – импульсная пороговая мощность.
Анализ показывает [6], что импульсная пороговая мощность определяется
выражением: Pи.пор =1,55 10 −19 nш ,
τ0
где nш – коэффициент шума приемника; τ0 – длительность канального им-
пульса на уровне 0,5.
Тогда средняя пороговая мощность на входе приемника с ФИМ-АМ определяется выражением [6]:
|
|
Pср.пор =1,55 10−19 |
nш |
=1,55 10−19 nш Fi . |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Тi |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Средняя пороговая мощность на входе приемника многоканальной сис- |
темы связи с ФИМ-АМ определяется выражением [6]: |
|
|
|
|
|
Pср.пор =1,55 10−19 nш Fi |
Nk , |
|
|
|
|
|
|
где |
Nk – число каналов. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
В системах связи с ФИМ-ЧМ пороговая мощность определяется выраже- |
нием [6]: |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
∆fпрм |
|
|
|
|
|
|
|
P |
= n |
|
k T ∆f |
|
4 +4,76 |
lg |
|
|
|
|
|
|
|
ш |
пр |
2∆F |
|
|
|
|
|
|
ср.пор |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
вф |
|
|
|
|
где |
∆fпрм |
– полоса пропускания приемника; |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
0.5 |
|
|
|
∆F |
– полоса пропускания видеофильтра |
∆F |
= |
|
; |
|
вф |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
вф |
|
τ0 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
k T = 4 10−21 [ВтГц]– произведение постоянной Больцмана на абсолютную
температуру.
Средней пороговой мощностью считают такую, при которой отношение
сигнал/шум на выходе канала ТЧ отклоняется от линейного закона в сторону |
уменьшения на 1-2 дБ. На рис. 6.7 пред- |
ставлена зависимость выходного ОСШ |
от мощности сигнала на входе прием- |
ника для систем связи с ФИМ-АМ и |
ФИМ-ЧМ. Из рисунка видно, что при |
уменьшении мощности сигнала на вхо- |
де приемника |
(Pпр ) ниже Pср.пор1 |
ОСШ |
|
Рс |
|
резко |
падает. |
Поэтому |
при |
|
|
|
Р |
|
|
ш |
выхТЧ |
|
|
|
|
проектировании систем связи с ФИМ- |
АМ (ЧМ) основная задача состоит в |
том, чтобы определить тот минималь- |
ный уровень мощности на входе при- |
емника, при котором шумовая защи- |
щенность канала ТЧ (или вероятность ошибки при приеме дискретной инфор- |
мации) соответствует заданному значению. |
6.3. Цифровые методы передачи непрерывных сообщений
Для передачи непрерывных сигналов можно использовать дискретный канал, преобразуя непрерывный сигнал в цифровой с помощью АЦП, а на приемной стороне цифровой сигнал в непрерывный с помощью ЦАП.
Применение цифровых систем передачи (ЦСП) дает возможность объединения различных видов связи на единой цифровой основе, а также широко использовать современную элементную базу, обеспечивая стабильность характеристик, надежность, и хорошие массо-габаритные показатели.
6.3.1. Передача сигналов с импульсно-кодовой модуляцией
Принцип АЦП на основе импульсно-кодовой модуляции (ИКМ) включает дискретизация во времени, квантование по уровню (амплитуде) и кодирование
sД (kT )
Fmax
[5, 6, 18, 20, 21].
Процесс формирования ИКМ сигнала поясним с помощью упрощенной структурной схемы (рис.6.8) и временных диаграмм (рис. 6.9).
Дискретизация заключается в том, что непрерывный сигнал sM (t) (рис. 6.9,а) заменяется отсчетами sД (kT ) (на рис. 6.9,б), следующими через одинако-
|
вые интервалы времени ∆t = |
1 |
. Например, для речевого сигнала, где |
|
2F |
|
|
|
|
|
max |
|
= 3,4 кГц, принят стандартный интервал t =125 мкс, 2Fmax ≈8 кГц .
Процесс дискретизации эквивалентен импульсной модуляции. Для примера на рис. 6.9,б приведен случай АИМ.
Различают равномерное и неравномерное квантование. При квантовании устанавливается количество уровней (L) разрешенных для передачи.
Процесс квантования состоит в следующем текущие значения сигнала соответствующее моменту отсчета заменяется ближайшим дискретным значением sкв (kT ) (уровнем), такая операция подобна округлению и приводит к ошибке:
εкв (t)= sД (kT )−sкв (kT ),
где εкв (t) – шум квантования, величина которого обычно считается случай-
ной, равномерно распределенной в пределах −0,5δ ≤εкв ≤ 0,5δ . Дисперсия шума
квантования σKB2 = |
δ 2 . |
|
12 |
Разницу между двумя соседними уровнями sk и sk −1 называют шагом квантования:
δk = sk − sk −1 = (smax − smin )(L −1).
При равномерном квантовании шаг квантования δ имеет постоянную ве-
стороне осуществляют их обратное преобразование – экспандирование («растяжение»). Совместный процесс компрессирования и экспандирования называется компандированием сигнала.
Таким образом, компандирование обеспечивает передачу с меньшими шумами квантования сигналов, обладающих малой средней мощностью (с большим пикфактором), например речевых.
При кодировании происходит преобразование квантованных значений sкв (kT ) в n разрядные кодовые комбинации. Например, при количестве уровней
L =8 = 23 , в десятичной системе счисления этим уровням соответствуют номера от 0 до 7 (рис. 6.9,в). В двоичной системе счисления им соответствуют трехразрядные кодовые комбинации, в данном случае от 000 до 111 (рис. 6.20,в). Полученная импульсная последовательность представлена на рис. 6.9,г.
Повышение разрядности, во-первых, связано с определенными трудностями технической реализации быстродействующих многоразрядных кодеков и, во-вторых, требует значительного увеличения пропускной способности систем связи, что не всегда возможно. Преодоление указанных трудностей возможно, например, за счет применения неравномерного квантования.
|
|
6.3.2. Передача сигналов с дельта модуляцией |
|
|
|
|
Дельта-модуляция (ДМ) – особый вид импульсной модуляции, при кото- |
|
рой так же, как и при ИКМ, аналоговый сигнал sM (t) представляется в виде дис- |
|
кретных отсчетов времени, квантованных по амплитуде. ДМ основана на суще- |
|
ствовании зависимости между отсчетами в речевом сигнале. При ДМ использу- |
|
ется только один разряд для квантования разности соседних отсчетов. В этот |
|
sM (t ) |
|
sДМ (kT ) разряд |
записывается |
по- |
|
|
|
лярность разности [5, |
18, |
|
sn (t) |
20, 21, |
32]. Важным эле- |
|
ментом схемы (рис.6.10) |
|
|
|
|
|
|
при ДМ является компара- |
|
|
|
296 |
|
|
искажения.
При создании цифровых систем связи применение ДМ является перспективным благодаря следующим особенностям:
устройства кодирования и декодирования ДМ сигналов характеризуются более простыми, чем при ИКМ, схемными решениями, что важно с точки зрения их надежности и стоимости;
ДМ сигналы по сравнению с ИКМ имеют большую устойчивость к сбою символов в каналах связи, поскольку «вес» каждого символа ограничен лишь значениями δ. Вследствие этого пороговые свойства систем связи с ДМ несколько лучше, чем при ИКМ;
в системах связи с ДМ предъявляются менее жесткие требования к работе системы синхронизации.
6.3.3. Квантование сигналов в системах с ИКМ и ДМ
Качество квантования в системах ИКМ может характеризоваться отношением сигнал/шум на выходе цифро-аналогового преобразователя:
hвых2 = РРсвых . швых
Как уже отмечалось, особенностью цифровых методов передачи непрерывных сообщений является то, что из-за погрешностей квантования цифровой сигнал отличается от оригинала даже при полном отсутствии помех и искажений в канале. Эти отличия учитываются с помощью шума квантования, дисперсия которого определяется выражением [6, 20, 21, 32, 39]:
Расчеты показывают, что для получения высокого качества передаваемых речевых сообщений необходимо выбирать L =1000 ÷2000 . При этом потребуется 10 – 11 – разрядное кодирование ( L = 2n = 211 = 2048 ).
Помимо шума квантования, на выходе приемника с ИКМ может возникать дополнительный шум из-за ошибочного приема информационных симво-
на выходе декодера для случая,
kкв = 13 .
лов кодовых комбинаций, что происходит вследствие воздействия тепловых шумов приемника и других источников помех.
Цифровым системам с ДМ также присущи искажения, которые можно подразделить на следующие виды:
искажения, обусловленные методом преобразования; к ним относятся шумы квантования и шумы перегрузки;
искажения, обусловленные несовершенством технической реализации кодеков, например шум в молчащем канале из-за разбаланса приращений аппроксимирующего напряжения в интеграторе, либо из-за конечной чувствительности компаратора;
искажения, возникающие в канале связи из-за воздействия переходных помех, тепловых шумов и т. д.
При увеличении δ растет дисперсия шума квантования:
σKB2 = kкв |
∆F |
δ 2 |
(6.7) |
ФНЧ |
, |
|
Fi |
|
|
где kкв – коэффициент, зависящий от вида входного сигнала. Например, при гармоническом модулирующем сигнале равен 
Определим отношение сигнал/шум Pc
σKB2
когда модулирующий сигнал является гармоническим UM (t)=Um
При максимальной мощности сигнала [6]:
M
из (6.7) и (6.8) получим:
|
|
Pc |
|
|
1 |
|
|
|
3 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Fi |
|
|
|
|
|
|
= |
|
|
|
|
|
. |
|
(6.9) |
|
σ 2 |
8π 2 k |
кв |
|
F 2 |
∆F |
|
|
|
KB вых |
|
|
|
M |
ФНЧ |
|
|
|
Из выражения (6.9) следует, что отношение |
Pc |
на выходе канала связи |
|
σ 2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
KB |
|
очень критично к величине частоты следования информационных символов Fi .
Чем больше частота Fi , тем более высокой становится защищенность каналов.
Кроме того, это отношение существенно зависит от частоты модулирующего сигнала FM . Чем выше FM , тем меньше отношение сигнал/шум. Следовательно,
более высокие частоты спектра сигнала воспроизводятся хуже, чем низкие, что является существенным недостатком систем связи с линейной ДМ.
Контрольные вопросы
1.Как выбирается период следования импульсов несущей при импульсных видах модуляции?
2.В чем сходство и различие понятий: модуляция, манипуляция, импульсная модуляция?
3.Когда возникает пороговый эффект при использовании импульсных методов модуляции?
4.На каких операциях основано применение цифровых методов модуля-
ции?
5.Что такое шум квантования и как оценивается его мощность?
