Импульсно-кодовая модуляция.

В этом способе модуляции аналоговый сигнал кодируется сериями импульсов в дискретном потоке. Эта модуляция является основным видом преобразования аналогового сигнала в цифровой и обратно (при модуляции), осуществляемого устройствами АЦП и ЦАП.

При импульсно-кодовой модуляции (ИКМ) осуществляется дискретизация передаваемого сигнала во времени. Сформированные при дискретизации отсчеты преобразуются в группы кодовых сигналов. В каждой группе содержится одинаковое число символов, каждый символ – разряд в группе. Если каждый символ группы может принимать любое из r значений {1, 2, 3, … r-1, 0}, а кодовая группа содержит n символов (разрядов), то можно сформировать rⁿ различных кодовых групп, где r – основание кода, n – число разрядов. На практике r = 2, а разрядность определяется диапазоном двоичных чисел.

Аналоговые сигналы на входе цифровой системы передачи непрерывно принимают произвольные значения в пределах заданного (известного) амплитудного диапазона. Используя n-разрядные кодовые группы, можно зафиксировать и передать информацию не более, чем о rⁿ различных значениях сигнала. Поэтому дискретный сигнал должен быть квантован по уровню для передачи, а затем только значение этого уровня может быть передано в виде кода. Таким образом, при ИКМ осуществляются три вида преобразований: дискретизация во времени исходного сигнала, квантование амплитуд дискретных отсчетов и кодирование, т.е. собственно формирование кодовых групп. Структура ИКМ представляется так (рис. 4.5):

Рис.4.5. Технологические операции в ИКМ

Временная диаграмма первого этапа очень походит на прямоугольную аппроксимацию площади под кривой при определении интеграла. Интервал дискретизации устанавливается по критерию Найквиста. При полосе пропускания канала w частота дискретизации υ ≥ 2w гарантирует сохранение всей информации, содержащейся в аналоговом сигнале. Диаграмма всех этапов кодирования – на рис. 4.6.

Закон, устанавливающий соответствие между величиной уровня квантования (или, что то же, его номером) и структурой кодовой группы, называется кодом. Код может быть задан как аналитически, так и в виде кодовой таблицы. Наибольшее распространение получили равномерные двоичные коды. В них каждая кодовая группа состоит из постоянного числа кодовых символов, каждый из которых может принимать значение “0” (пробел) или “1” (импульс).

Рис. 4.6. Этапы ИКМ

В натуральном двоичном коде группы соответствуют двоичной записи номера уровня квантования. Кодовая таблица имеет вид а.

В натуральном двоичном коде кодовые группы, соответствующие соседним уровням квантования, могут различаться в большом числе разрядов. Особенно велико это различие в центре амплитудного диапазона. Например, при переходе от 7-го к 8-му уровню квантования изменяются все символы кодовой группы. Колебания величины отсчета (дискретизации) во время кодирования могут вызывать переход от одного уровня квантования к другому. При этом могут возникать ошибки кодирования.

При передаче двуполярных аналоговых сигналов типа речевых преобразование в центре амплитудного диапазона должно выполняться с наибольшей точностью. Поэтому при кодировании таких сигналов используются симметричные двоичные коды, в которых символ старшего разряда кодовой группы определяется полярностью передаваемого отсчета, а символы остальных разрядов определяют величину отсчета как показано на кодовой таблице б. Здесь при кодировании малых значений сигнала используются лишь младшие разряды кода, что снижает ошибки преобразования в центральной зоне размаха амплитуды, так как соотношение между “весами” младших разрядов кода могут поддерживаться с большей точностью, нежели соотношения между “весами” всех разрядов кодовой группы. При использовании кода, соответствующего табл. б, входные сигналы или шумы, величина которых меньше половины шага квантования, не передаются на выход кодера – мертвая зона.

В цифровых системах передачи широкополосных сигналов используется рефлексный двоичный код – код Грея, представленный таблицей в. В этом коде группы, соответствующие соседним уровням, во всем диапазоне изменения отличаются лишь одним разрядом. Использование кода Грея позволяет значительно снизить искажения из-за ошибок кодирования, которые моментально выявляются. Достаточно, чтобы соседние уровни отличались более, чем в одном разряде.