Перетворення аналогового сигналу в цифровий сигнал

Будь-який безперервний сигнал відповідно до теореми Котельникова В. А. можна передати по лінії зв'язку миттєвими значеннями цього сигналу, тобто відліками, якщо вибрати частоту їхнього проходження f₀ в 2 рази більше ніж максимальна частота безперервного сигналу, тобто:

f₀ = 2f_max (2.1)

f_max - максимальна частота безперервного сигналу.

Миттєві значення безперервного сигналу можна отримати шляхом дискретизації сигналу за часом. Для цього на електронний ключ (ЕК), що має два входи й один вихід, якщо подати імпульси прямокутної форми з періодом проходження Т =1/f₀ й шириною τ_i, (рис. 2.2). а на інший вхід безперервний сигнал, то на виході ЕК отримаємо амплітудно-модульований сигнал (АІМ), тобто дискретний сигнал (див. рис 2.2).

Рис. 2.2 Формування AIM сигналу

Для аналогового мовного сигналу зі спектром 0,3 - 3,4 кГц необхідною умовою перетворення, що забезпечує розпізнавання AIM сигналу на приймальному кінці лінії передачі, частота дискретизації f₀ дорівнює:

f₀ =2 f_max =2*3,4=6,8 кГц (2.2)

Звичайно для цифрових систем комутації, частота дискретизації f_о, обрана рівною f₀ = 8 кГц, тоді:

Т_ц =1/ f₀= 1/8*10³ = 125 мкс (2.3)

Ширина імпульсу t_i визначає енергію переданого сигналу, чим більше значення t_i, тим більше енергії аналогового сигналу переноситься послідовністю імпульсів. Практично ширина імпульсу вибирається в межах

t_i =(0,5- 10) мкс.

Таким чином, за допомогою AIM сигналів, по одній загальній лінії можна незалежно передавати декілька повідомлень. Для цього, імпульсний генератор повинен виробляти декілька послідовностей імпульсів Р_і = (і = 1,2,3...) з однаковими параметрами Т₀ й t_i , однак імпульси різних послідовностей не повинні збігатися в часі. Наприклад, якщо до однієї загальної мережі зв'язку, через індивідуальні ЕК підключити чотири кінцевих пристрої (ТА), то керуючи ввімкненими ЕК за допомогою імпульсних послідовностей Р, можна здійснювати зв'язок з декількома парами ТА.

Рис. 2.3 Організація з'єднання між абонентами.

Т_о - час одного циклу;

ЕК - електронний контакт;

t_i - тривалість імпульсу;

ТА - телефонний апарат;

ГІ - генератор імпульсів;

ЗК - загальне коло зв'язку;

ПКЕК - пристрій керування ЕК

ПК -пристрій керування;

Наприклад, потрібно організувати з'єднувальний тракт між абонентами 1 -- 3 та 2 -- 4 (див. рис. 2.3). Для цього, з ПК в ПКЕК передаються адреси (номери) ЕК, на які необхідно подати імпульс від ГІ тривалістю t_i, одночасно на 1 - 3 й 2 - 4 ЕК, вимірюється значення аналогового сигналу в цей момент часу й передається через ЗК абонентам 3-4, через Т_о процес повторюється. Таким чином, між абонентами 1 - 3 й 2 - 4 організується з'єднувальний тракт на час розмови.

Якщо імпульси двох поряд розташованих послідовностей генеруються безпосередньо один за іншим, то неминуче виникнуть взаємні електричні впливи, які будуть проявлятися у вигляді перехідних розмов. Для усунення цього необхідно імпульси двох сусідніх послідовностей розділити захисними

часовими інтервалами t_з що може становити t_з = (0,3--3) мкс. Сумарний час t_i+ t_з= t_iк, що виділяється в ЗК за період Т_о для одного відліку значення амплітуди аналогового сигналу в процесі АІМ визначає час. що відводить для одного імпульсного каналу (t_iк). Отже, в одному ЗК за час Т_о: можна створити К імпульсних каналів.

К=Т_о/ t_iк (2.4)

У системах передачі сигналів поряд з методом АІМ знайшли застосування також інші аналогові методи модуляції: широтно-імпульсна модуляція (ШІМ) і фазово-імпульсна модуляція (ФІМ).

Загальним недоліком аналогових методів імпульсної модуляції є жорсткі вимоги до електричних параметрів ліній зв'язку, що використовуються для передачі модульованих сигналів. Це обумовлено впливом перешкод, які накладаючи модулюючі імпульси, змінюють їхню форму, що на приймальній стороні проявляється у вигляді шуму. Для усунення цього явища в цифрових системах передачі використовуються цифрові методи перетворення аналогових сигналів. Одним зі способів, що отримав широке поширення при організації повністю електронних систем комутації, є спосіб перетворення аналогових сиг-налів на основі імпульсно-кодової модуляції (ІКМ).

Процес ІКМ - перетворення аналогового сигналу складається з послідовності виконання трьох процедур:

• дискретизації аналогового сигналу за часом;

• квантування AIM сигналу за рівнем:;

• кодування.

При ІКМ-перетворенні процедура квантування AIM сигналу зводиться до визначення значення амплітуди кожного дискретного сигнату. Для цього вибирається шкала квантування, довжина якої визначається лініями й верхнім значенням рівнів модулюючого аналогового сигналу.

Рис. 2.4. Квантування AIM сигналу за рівнем

При квантуванні AIM сигналу за рівнем допускається помилка (див. рис. 2.4, значення 1, 2, 5 й 6). Максимальна помилка квантування AIM сигналу за рівнем складає

σ =Δх/2 ()

де Δх - крок квантування за рівнем.

Числовий рівень шкали залежить від системи коду, прийнятої для виконання процедури кодування значень амплітуди дискретів AIM сигналу. Для кодування в ЦСК зручно використати рівномірний двійковий код. У цьому

випадку число рівнів квантування визначається як 2ⁿ, де п = 1.2,3 ... - число елементів коду. Як видно з рис. 2.4 число рівнів дорівнює восьми (0 - 7) із кроком квантування Δх, значить число елементів у двійковому коді буде дорівнювати

n =log₂ m ( )

де m - число рівнів.

Визначаючи значення амплітуд дискретів AIM сигналу по шкалі квантування, можна записати ці значення у вигляді кодових комбінацій з логічних одиниць і нулів. Таким чином, у результаті ІКМ перетворення аналоговий сигнал представляється в цифровій формі.

Якщо логічну «1» представити відповідно електричним імпульсом, а логічний «0» - паузою, то значення амплітуд дискретів можна передавати по лінії зв'язку у вигляді кодових груп сигналів, що представляють комбінацію імпульсів однакової амплітуди й паузи. Однак кодова група повинна передаватися по лінії зв'язку за час який відводиться для одного імпульсного каналу, тобто за час t_ік.