Импульсно-кодовое преобразование

Преобразования информационного сигнала

Современные сети связи, применяющие цифровые системы передачи, обладают большим потенциалом для доставки всех типов информации, а следовательно, для организации многих типов услуг.

Разработка средств телекоммуникаций на ранних этапах развития была жестко ориентирована на конкретные приложения, которые приводили к созданию новых систем передачи. Телеграфия была разработана специально для передачи текстовых сообщений. Это было первое использование двоичных представлений для передачи текстов и первая разработка цифровых систем обмена для передачи двоичной информации. Позже была создана телефония для передачи речевой информации, которая вначале была основана на аналоговых системах передачи. Изобретение импульсно­кодовой модуляции (PCM) позволило передавать речь по цифровой сети тем же самым способом, что и тексты в двоичных кодах, а именно в виде единиц. В настоящее время происходит другой важный переход технологии — от аналога к цифровой передаче, а именно, переход от аналоговых телевизионных систем к полностью цифровым телевизионным системам. Когда этот переход будет закончен, все главные формы информации будут представлены в цифровой форме. Эта замена откроет путь для развертывания цифровых сетей передачи информации всех главных типов информационных служб.

В этой главе рассматриваются основные понятия цифровой передачи [8.1, 8.4].

Эти понятия формируют базу для разработки цифровых систем передачи, которые представляют физический уровень современной архитектуры всех сетей.

Импульсно-кодовое преобразование состоит из трех этапов:

1. дискретизации;
2. квантования и кодирования;
3. мультиплексирования.

Рассмотрим все три этапа более подробно.

Дискретизация

Для перехода от непрерывного к дискретному сигналу на передающем конце через равные промежутки времени производится периодический опрос аналогового сигнала. Полученные импульсы отсчетов передаются на приемный конец. Если опрос проводится с достаточной частотой, то на приемном конце он может быть восстановлен. Диаграмма такого процесса (рис. 8.1) представляет результат измерения опробования точек синусоиды и показывает состав устройств на приемном и передающем концах.

Рис. 8.1. Принцип преобразования непрерывного сигнала

Для того чтобы сигнал на приемном конце можно было восстановить, частота дискретизации в соответствии теоремой Найквиста-Котельникова должна быть в 2 раза больше, чем ширина полосы, занимаемой входным сигналом:

где — ширина полосы входного сигнала.

Принцип устройства для преобразования аналогового сигнала в цифровой показан на рис. 8.1. Входной сигнал опрашивается с помощью дискретных сигналов опроса (отсчетов). Эти отсчеты передаются в линию. На приемном конце они поступают на вход фильтра низкой частоты, который отделяет высокие частоты. В общем случае, каждый дискретный сигнал представляет импульс, имеющий основную частоту и спектр (две боковые полосы).

На рис. 8.2 показан спектр такого импульса. В центре стрелка указывает на основную частоту, содержащуюся в этом импульсе (она совпадает с моментами дискретизации, которые условно приходятся на середину импульса). Обозначение "BW" условно представляет отрицательную и положительную часть частотной полосы, занимаемой этим импульсом. На рис. 8.2 приведены три варианта:

рис. 8.2б — частота дискретизации ;

рис. 8.2в — частота дискретизации ;

рис. 8.2г — частота дискретизации .

Рис. 8.2. Спектр сигнала отсчета (если его частота меньше 2BW, то исходный сигнал не может быть точно восстановлен)

На оси частот показан спектр, выделяемый фильтром. Каждый раз он пропускает один и тот же спектр частот, который совпадает со спектром в начальной точке. Поэтому характеристика фильтра обозначается так:

— в начальный момент времени;

— в момент времени, отстоящий от начального на один момент отсчета;

— в момент времени, предшествующий начальному на один момент отсчета.

Полный спектр сигнала на выходе фильтра формируется как сумма спектров отдельных импульсов.

Как видно из рис. 8.2, при спектры отдельных импульсов совпадают и сигнал искажается из-за взаимного влияния отдельных импульсов.

Так что условием для правильного воспроизведения сигнала на приеме является

При замене аналогового сигнала цифровыми отсчетами имеется еще одно явление, вызывающее искажение: сигналы, имеющие частоту выше речевого спектра, могут порождать на приеме сигналы в речевом спектре. На рис. 8.3 приводится пример, когда сигнал частотой 5,5 КГц, при дискретизации с частотой 8 КГц (нарушение условия Найквиста-Котельникова) на приеме при прохождении фильтра речевого диапазона порождает сигнал 2,5 КГц.

Для исключения этого явления необходимо на передаче до дискретизации ограничить полосу исходного сигнала.

Рис. 8.3. Порождение сигнала 2,5 КГц при передаче сигнала 5,5 КГц

На рис. 8.3 показан процесс возникновения помех. В этом примере сигнал с частотой 5,5 КГц дискретизируется с частотой в 8 КГц.

При определенных на рис. 8.3 соотношениях амплитуд значения дискрет, получаемые для более высокой частоты 5,5 КГц, совпадают со значениями, получаемыми для более низкой частоты; при прохождении выходного фильтра с частотой среза 4 КГц возникает сигнал с частотой 2,5 КГц, который не поступал на вход. Этот пример показывает, что из входного сигнала перед дискретизизацией должны быть отделены все сигналы, имеющие частоту выше, чем .

Надо сразу же заметить, что применение таких фильтров в тракте ухудшает условия для передачи высокоскоростных данных и при комбинированном (интегральном) использовании тракта при необходимости эти фильтры должны отключаться.

Рассмотренный выше принцип позволяет перейти от непрерывного сигнала к дискретному. При этом каждая дискрета несет информацию о значении сигнала в момент отсчета. Этот способ передачи получил название "амплитудно-импульсная модуляция" (АИМ). Однако такой способ обмена сигналами оказался не помехоустойчивым. Помехи в первую очередь действуют на амплитуду сигнала, искажения амплитуды происходят при прохождении сигнала через усилители, поскольку каждый усилитель имеет ограничение по амплитуде. Поэтому этот способ применялся недолго и вскоре был заменен способом импульсно­кодовой модуляции, принцип которого заключается в том, что вместо сигнала с конкретной амплитудой передается его числовое значение.

Чтобы реализовать такой переход, необходим процесс "квантования", который осуществляется Аналого-Цифровым Преобразователем — АЦП.