2.2.5. Импульсно-кодовая (цифровая) модуляция.
Можно получить еще три вида импульсно-кодовой (цифровой) модуляции несущего:
- модуляцию по амплитуде (ИКМ-АМ, или цифровую амплитудную модуляцию - ЦАМ),
- частоте (ИКМ-ЧМ, или цифровую частотную модуляцию - ЦЧМ)
- и по фазе (ИКМ-ФМ, или цифровую фазовую модуляцию - ЦФМ).
На рис. приведены формы сигнала при двоичном коде для различных видов дискретной или цифровой модуляции.
Рис. Виды цифровой модуляции двоичным кодом:
а - код; б - ИКМ-АМ; в - ИКМ-ЧМ; г - ИКМ-ФМ; д - ОФМ
Символу "1" при ИКМ-АМ (рис. а, б) соответствует передача несущего колебания в течение интервала времени τи (посылка), символу "0" - отсутствие колебания (пауза) на таком же временном интервале.
В случае ИКМ-ЧМ (рис. в) передача несущего колебания с частотой f0 соответствует символу "1", а передача колебания с частотой f1 соответствует "0".
При двоичной ИКМ-ФМ (рис. г) меняется фаза несущей на 180° при каждом переходе от "1" к "0" и от "0" к "1".
На практике широко применяют дискретную систему относительной фазовой модуляции (ОФМ).
В отличие от ИКМ-ФМ, при ОФМ (рис. д), фазу канального сигнала отсчитывают не от некоторого эталона, а от фазы предыдущего элемента сигнала.
Например, символ "0" передается отрезком синусоиды с начальной фазой предшествующего элемента сигнала, а символ "1" - таким же отрезком с начальной фазой, отличающейся от начальной фазы предшествующего элемента сигнала на 180°.
При ОФМ передача начинается с посылки одного не несущего информации элемента, который служит опорным сигналом для сравнения фазы последующего элемента.
Как правило, в технике измерений используются двоичные коды (m = 2), и поэтому Δt = τи .
2.2.6. Основные сведения об импульсной и цифровой технике измерений
Импульсное и цифровое представление информационных сигналов широко применяют в измерительной технике.
При этом аналоговый cигнал, отражающий параметры реального физического процесса, преобразуется в последовательность импульсных сигналов, пригодных для обработки цифровыми устройствами.
Напомним, что устройства, преобразующие аналоговый сигнал в импульсный (цифровой) вид, называются аналого-цифровыми преобразователями (АЦП), а устройства обратного преобразования - цифроаналоговыми преобразователями (ЦАП).
Исходной предпосылкой возможности построения цифровых измерительных приборов, и в частности АЦП и ЦАП, служит известная в радиотехнике теорема Котельникова (теорема отсчётов).
Согласно одной, наиболее известной интерпретации теоремы Котельникова, произвольный сигнал u(t), спектр которого ограничен некоторой верхней частотой Fв, может быть полностью восстановлен по последовательности своих отсчётных значений, следующих с интервалом времени
Δt = 1/2Fв.
При переходе от аналогового (непрерывного) сигнала к цифровому осуществляются три специфических преобразования (рис.): дискретизация по времени, квантование по уровню амплитуд и кодирование (оцифровка). Такое представление сигналов называют аналого-цифровым преобразованием.
Под дискретизацией понимают процесс представления (замены) во времени аналогового сигнала дискретной последовательностью отсчетов (выборок), следующих с заданным временным интервалом Δt, и по которым с заданной точностью можно вновь восстановить исходный сигнал.
В простейшем случае при дискретизации аналогового сигнала формируется множество его отсчетных значений соответствующей амплитуды (в виде бесконечно коротких импульсов), взятых через интервал времени, отвечающий условию теоремы Котельникова (рис., а, 6).
Рис. Формы сигналов при аналого-цифровом преобразовании:
а - аналогового, б - дискретизированного; в - квантованного, г - цифрового
Для представления дискретных отсчетов цифровыми сигналами (кодирования) их предварительно квантуют по уровню напряжения.
В процессе квантования весь диапазон возможных изменений амплитуд аналогового сигнала от 0 до Umax (или от Umin до Umax в случае разнополярного сигнала) разбивают на определенное число одинаковых или различных фиксированных уровней напряжения Δ, называемых шагом квантования (рис., в).
При этом каждому фиксированному уровню сигнала uк(t) присваивают определенное значение в форме условного числа цифрового кода.
С точки зрения удобства технической реализации и обработки обычно используют двоичные цифровые коды, составленные из n (n - целое число) разрядов, каждый из которых представлен "1" - импульсом или "0" - паузой.
Общее число уровней квантования составляет 2n.
Уровень шага квантования (рис., в) связан с количеством разрядов двоичного кода формулой:
Δ = Umax/2n.
На рис. в качестве примера показано квантование простейшего однополярного аналогового сигнала на 2n = 23 = 8 (0, 1, 2, ..., 7) уровней, соответствует трехразрядному коду.
На временной оси трехразрядный цифровой код представляется различными комбинациями из трех импульсов и пауз.
Каждый из этих импульсов на одном интервале дискретизации сигнала Δt в соответствии с занимаемой позицией, отвечающей разряду 22, 21, 20, имеет множитель 1 или 0.
Наличие на данном интервале дискретизации импульсов с тем или иным множителем определяет уровень квантования сигнала.
Например, при кодировании значения амплитуды напряжения u(0) = 7 каждый разряд имеет множитель 1, чему соответствует присутствие всех трех пульсов на интервале дискретизации - 111.
Аналогично значение u(2Δt) = 3 представлено двоичным кодом 011, т.е. паузой и двумя импульсами.
Преобразуемый в цифровую форму аналоговый сигнал может иметь и отрицательное значение.
В этом случае максимальному значению отрицательного потенциала сигнала будет соответствовать нулевой двоичный код, т. е. 000.
В цифровой технике для отражения измерительной информации используют кодовые слова.
Как правило, информация (кодовые слова) представляется импульсными сигналами прямоугольной формы, имеющими два фиксированных уровня напряжения 1 и 0.
Таким образом, кодовое слово в цифровой технике имеет вид последовательности символов 1 и 0 определенной длины, например 10110110.
Теоретической базой построения систем цифровой обработки информации являются дискретная математика и алгебра логики Буля.
В основе алгебры логики лежат несколько аксиом и законов и три элементарные операции:
- ИЛИ (логическое сложение, или дизъюнкция),
- И (логическое умножение, или конъюнкция),
- НЕ (логическое отрицание, или инверсия).