текст лекций / 8.Импульсно-кодовая модуляция

Импульсно-кодовая модуляция

        Импульсно-кодовая модуляция рассматривается, как система для передачи аналоговых сигналов, таких как голос, в цифровом виде. ИКМ не является техникой модуляции, используемой в модемах. В ИКМ аналоговый сигнал стробируется со скоростью по крайней мере в два раза выше, чем наивысшая частотная компонента аналогового сигнала. Системы ИКМ на телефонных сетях стробируют 8000 раз в секунду. Каждый отсчет представляет из себя уровень напряжения, который кодируется 7-ми битным кодом. Кодирование следует логарифмическому закону для лучшего представления широкой гаммы возможных уровней речи. Эти семь бит, вместе с восьмым битом, подтверждающим наличие сигнала, образуют октет. Поэтому скорость в битах одного канала PCM составляет 8  8000 = 64 Кбит/сек. Стандартная телефонная  система  PCM  использует   временное    мультиплексирование для переноса 32 каналов связи (30 для речи плюс два управляющих) и агрегатная скорость в линию равна 2,048МБит/сек. Поток бит со скоростью 2,048 МБит/сек нельзя передавать прямо в линию, и он преобразуется в трехуровневый линейный код, известный как HDB3 ( High Density Bipolar 3. Код HDB3 обеспечивает передачу данных без постоянной составляющей тока, так как переходы из уровня в уровень достаточно часты для того, чтобы получить точные синхроимпульсы. На приеме поток бит декодируется и демультиплексируется.

Чтобы получить на входе канала связи (передающий конец) ИКМ-сигнал из аналогового, мгновенное значение аналогового сигнала измеряется через равные промежутки времени. Количество оцифрованных значений в секунду (или скорость оцифровки, частота дискретизации) должно быть не ниже 2-кратной максимальной частоты в спектре аналогового сигнала (по теореме Котельникова). Мгновенное измеренное значение аналогового сигнала округляется до ближайшего уровня из нескольких заранее определённых значений. Этот процесс называется квантованием, а количество уровней всегда берётся кратным степени двойки, например, 8, 16, 32 или 64. Номер уровня может быть соответственно представлен 3, 4, 5 или 6 битами. Таким образом, на выходе модулятора получается набор битов (0 и 1).

Импульсно-кодовая модуляция (ИКМ) основана на известном положении теоремы В. А. Котельникова о возможности представления любого непрерывного (аналогового) сигнала с ограниченным частотой спектром короткими импульсами << , частота следования которых, называемая частотой дискретизации , равна или больше 2, а амплитуды импульсов соответствуют мгновенным значениям уровней сигнала (рис. 1.21, а). Каждый импульс при ИКМ подвергается квантованию по уровню на N частей, называемых шагами квантования (см. рис. 1). Таким образом, оказывается возможным кодировать аналоговый сигнал в момент дискретизации числами, соответствующими уровням квантования.

Рис. 1. Дискретизация непрерывного сигнала. Кодирование дискретного сигнала по уровню.

В любой системе счисления число N можно записать в форме:

N=+ (1.38)

где b - основание системы счисления;

n – количество разрядов числа;

Максимальное значение числа при заданном n определяется из условия

Применяя его к формуле (1.38), получим выражение

=(b-1) (

один из сомножителей которого представляет геометрическую прогрессию

следовательно,

Количество чисел, которое можно записать при заданном значении n с учетом нуля, на единицу больше и составляет . Для передачи по каналам связи чисел наиболее удобна двоичная система счисления b=2. Это объясняется тем, что в каждом разряде такой системы может быть только два символами – единица или нуль, соответствующие двум элементарным посылкам можно кодировать уровней квантования для передачи по каналу связи (рис. 1.21, б)

Передача любого из уровней квантования осуществляется тремя элементарными посылками, кодовые обозначения которых приведены в правой части рис. 1.

Передача импульсов сопровождается искажениями их формы из – за ограничений полосы пропускания в элементах канала связи. Кроме этого, на них накладываются всевозможные помехи. Однако в связи с тем, что импульсы при ИКМ могут иметь только два состояния (единица или нуль), то их можно регенерировать, устраняя все указанные искажения, если они не превышают половины амплитуды импульса. По этой же причине в сигналах происходит накопления помех вдоль канала в результате переприема, осуществляемого с помощью регенераторов, которые являются двоичными пороговыми устройствами с двумя состояниями (единица или нуль).

Таким образом, требования к частотным искажениям канала при передаче информации в цифровом виде значительно ниже по сравнению с другими способами модуляции, а помехозащищенность такой передачи чрезвычайно высока. Возможность передачи в цифровом виде любых сигналов (аналоговых - телефонных, фототелеграфных, телевизионных и дискретных – телеграфных) делает цифровой канал универсальным средством передачи информации.

Разновидностями ИКМ являются:

• Дифференциальная (или дельта) импульсно-кодовая модуляция (ДИКМ) кодирует сигнал в виде разности между текущим и предыдущим значением. Для звуковых данных такой тип модуляции уменьшает требуемое количество бит на отсчёт примерно на 25 %.

• Адаптивная ДИКМ (АДИКМ, ADPCM) является разновидностью ДИКМ, которая изменяет уровень шага квантования, что позволяет ещё больше уменьшить требования к полосе пропускания при заданном соотношении сигнала и шума.

Впервые импульсно-кодовая модуляция (ИКМ) была применена для голосового сигнала в 1937 году Алеком Ривсом. Это было сделано для преодоления проблемы накопления искажений и шумов в процессе ретрансляции аналоговых сигналов. Тогда впервые было применено стробирование с частотой 8кГц при 8-битовом аналого-цифровом преобразовании (АЦП). В то время еще не существовало эффективных технологических средств для реализации такой схемы.