1.2. Дискретизація сигналів за часом

В системах передачи с ВРК, каждый канальный сигнал представляет собой периодическую последовательность импульсов, промодулированных исходным сигналом. При этом чаще всего используется амплитудно-импульсная модуляция (АИМ), при которой модулируется амплитуда импульсов, а другие параметры (длительность, частота следования, временное положение) остаются неизменными.

Таким образом, в процессе формирования АИМ сигнала осуществляется дискретизация непрерывного (аналогового) сигнала по времени в соответствии с известной теоремой дискретизации (Котельникова – Найквиста):

любой непрерывный сигнал, ограниченный по спектру верхней частотой F_В, полностью определяется последовательностью своих дискретных отсчетов, взятых через промежуток времени T_Д   1/(2F_В), называемый периодом дискретизации. В соответствии с этим частота дискретизации, т. е. следования дискретных отсчетов, выбирается из условия F_Д 2F_В.

При АИМ амплитуда периодической последовательности импульсов изменяется в соответствии с изменениями амплитуды модулирующего сигнала c(t) (например, телефонного сигнала). Различают амплитудно-импульсную модуляцию первого (АИМ-1) и второго (АИМ-2) родов. При АИМ-1 амплитуда отсчетов, следующих с частотой дискретизации F_Д, изменяется в соответствии с изменениями модулирующего сигнала с(t) а при АИМ-2 амплитуда каждого отсчета неизменна и равна значению модулирующего сигнала c(t) в момент начала отсчета. На рис. 2 представлен исходный модулирующий сигнал c(t), а также сигналы при АИМ-1 и АИМ-2 в случае дискретизации двуполярных cигналов.

Поскольку все реально существующие непрерывные сигналы связи представляют собой случайные процессы с бесконечно широким спектром, причем основная энергия сосредоточена в относительно узкой полосе частот, перед дискретизацией на передаче необходимо с помощью фильтра нижних частот (ФНЧ) ограничить спектр сигнала некоторой частотой F_В. Для телефонных сигналов необходимо использовать ФНЧ с частотой среза F_В = 3,4 кГц.

Если длительность АИМ отсчетов _И много меньше периода их следования T_Д, т.е. скважность q = Т_Д / _И 1, то разница между АИМ-1 и АИМ-2 оказывается несущественной. Это условие выполняется в СП с ЧРК, так как длительность канальных импульсов должна выбираться из условия _И  Т_Д / N, где N – число каналов.

Рис. 2. Исходный модулирующий сигнал c(t)

и сигналы АИМ-1 и АИМ-2

Частотный спектр модулированной последовательности при АИМ однополярного сигнала содержит (рис. 3):

• постоянную составляющую G_O;

• составляющие с частотами исходного модулирующего сигнала F_Н …F_В;

• составляющие с частотой дискретизации F_Д и ее гармоник kF_Д;

• составляющие боковых полос (нижней и верхней) при частоте дискретизации и ее гармониках kF_Д (F_Н …F_В).

При дискретизации двуполярных сигналов (телефонных, звукового вещания) в спектре АИМ сигнала практически отсутствуют постоянная составляющая и составляющие с частотами F_Д и kF_Д

Из рис. 3 видно, что для восстановления исходного непрерывного сигнала из АИМ сигнала на приеме достаточно поставить ФНЧ с частотой среза равной F_В, который выделит исходный сигнал. Поскольку для телефонного сигнала F_В = 3,4 кГц, то F_В должна выбираться из условия F_Д   6,8 кГц. Реально выбрана F_Д = 8кГц, что позволяет упрощать требования к ФНЧ приема и реализации генераторного оборудования.

При F_Д = 8кГц полоса расфильтровки F_P оказывается достаточно большой и составляет F_P = (F_Д-F_В)–F_В = 1,2 кГц, a пpи F_Д = 6,8 кГц F_Р=0 и потребовался бы ФНЧ приема с бесконечно большой крутизной. Кроме того, следует иметь в виду, что если на выходе ФНЧ передачи появятся плохо подавленные составляющие исходного сигнала с частотами выше (F_В+ F_Р) (показанные штриховой линией на рис. 4), то это неизбежно (даже в случае идеального ФНЧ приема) приведет к искажениям сигнала при его восстановлении на приеме.

Рис. 5. Групповой АИМ сигнал

В соответствии с рис. 1 после дискретизации канальные сигналы, представляющие собой последовательности АИМ отсчетов, сдвинутых по времени друг относительно друга, объединяются, в результате чего образуется групповой АИМ сигнал (АИМ_ГР). На рис. 5 над каждым отчетом указан номер канала, к которому он относиться. Групповой АИМ сигнал передается между выходом формирователя АИМ сигнала (АИМ модулятора) и входом кодирующего устройства в оконечном оборудовании передачи и выходом декодирующего устройства и входом устройства разделения канальных сигналов (временного селектора) в оконечном оборудовании приема. Прохождение группового АИМ сигнала по цепям с ограниченной полосой пропускания или неравномерной АЧХ сопровождается искажением формы импульсов, выражающейся в затягивании фронтов и срезов импульсов и возникновении выбросов. Это может привести к перекрытию временных интервалов между каналами и вызвать переходные помехи

Искажения, возникающие из-за ограничения полосы частот сверху, называются искажениями первого рода. Ограничение полосы частот сверху связано с наличием реактивных элементов в цепях, по которым проходит групповой АИМ сигнал, с ограниченным быстродействием транзисторов, используемых в узлах формирования АИМ сигнала, и с другими факторами. Характер возникающих искажений при передаче прямоугольных импульсов показан на рис. 6, а). При этом, достаточно учитывать влияние только предшествующего канала, т. к. влияние более отдаленных по времени каналов оказывается малозаметным.

Искажения, возникающие из-за ограничения полосы частот снизу, называются искажениями второго рода. Это ограничение происходит из-за наличия в цепях группового сигнала реактивных элементов (трансформаторов, емкостей и др.). Характер возникающих искажений при передаче прямоугольных импульсов показан на рис. 6, б). В отличие от искажений первого рода выбросы обратной полярности затухают медленно, поэтому влиянию подвергаются даже каналы, существенно удаленные по времени от влияющего канала. Это делает искажения второго рода более опасными по сравнению с искажениями первого рода. В реальных трактах возникают искажения обоих типов.

Рис. 6. Искажения АИМ сигнала

Таким образом, линейные искажения в системах с ВРК приводят к возникновению переходных помех между каналами. В то же время при прохождении группового АИМ сигнала по тракту, обладающему нелинейностью (например, через амплитудные ограничители, импульсные усилители, электронные ключи и др.), изменяются амплитуды отсчетов каждого из каналов, однако отсутствуют переходные помехи между каналами, поскольку длительность импульсов не изменяется. Следовательно, в отличие от систем с ЧРК в системах с ВРК качество передачи в большей степени определяется величиной и характером линейных искажений.

Аналоговые сигналы дискретизируются в тракте передачи с помощью амплитудно-импульсных модуляторов, а канальные импульсы выделяются из группового АИМ сигнала на приеме с помощью временных селекторов. Эти устройства обычно выполняются в виде электронных ключевых схем, которые управляются импульсными последовательностями и практически не отличаются по схемной реализации.

К амплитудно-импульсным модуляторам и временным селекторам предъявляют достаточно жесткие требования в отношении быстродействия и линейности амплитудной характеристики. От их быстродействия зависит величина переходных помех между каналами, а линейность амплитудной характеристики во многом определяет величину нелинейных искажений. Кроме того, обычно требуется подавление управляющего импульсного напряжения, проникновение которого на выход модулятора или селектора вызывает возрастание шумов в канале. Это достигается за счет применения балансных схем модуляторов и временных селекторов.

На рис. 7 качестве примера приведена упрощенная схема АИМ модулятора, выполненного в виде сбалансированного ключа на транзисторах VT1 и VТ2. При наличии импульса в управляющем сигнале ключ открывается и через нагрузку протекает ток, пропорциональный входному сигналу, а между импульсами управляющего сигнала U_УПР. ключ оказывается в закрытом (разомкнутом) состоянии и ток через нагрузку не протекает. Режимы работы транзисторов должны быть подобраны таким образом, чтобы в открытом состоянии сопротивление ключа было как можно меньше, а в закрытом – стремилось к бесконечности.

В результате в нагрузке формируется сигнал в виде АИМ-1. Управляющее импульсное напряжение в нагрузку не поступает, т. е. подавляется. Это объясняется тем, что управляющее напряжение поступает одновременно на базы VT1 и VT2 и вызывает появление эмиттерных токов, которые протекают через нагрузку в противоположных направлениях. Если транзисторы имеют одинаковые параметры, то эти токи равны по величине и суммарный ток в нагрузке оказывается равным нулю.

Рис. 7. Схема АІМ модулятору

После объединения канальных сигналов формируется групповой АИМ сигнал, который перед операцией квантования необходимо преобразовать в АИМ-2. Принцип преобразования сигналов АИМ-1 в АИМ-2 можно пояснить с помощью схемы, представленной на рис. 8.

Рис. 8. Структурна схема АІМ тракту

На вход усилителя Ус₁ с выходов канальных АИМ модуляторов (Кл₁) поступает групповой АИМ-1 сигнал. Ключ Кл₂ замыкается одновременно с Кл₁ и подключает к выходу Ус₁ накопительный конденсатор, который за короткое время заряда _З заряжается до уровня, соответствующее амплитуде текущего АИМ отсчета. Время заряда обеспечивается достаточно малым благодаря небольшому выходному сопротивлению Ус₁. После размыкания ключей Кл₁ и Кл₂ напряжение заряда конденсатора остается практически неизменным до момента замыкания ключа Кл₃. Это обусловливается тем, что входное сопротивление Ус₂ выбирается достаточно большим, предотвращая разряд конденсатора. После замыкания Кл₃ конденсатор быстро разряжается и оказывается подготовленным к поступлению очередного АИМ отсчета. Таким образом, на выходе Ус₂ формируется групповой АИМ сигнал с плоской вершиной отсчетов, т. е. сигнал АИМ-2.

На рис. 9 приведены временные диаграммы, поясняющие работу схемы. Ключи Кл₂ и Кл₃ могут быть реализованы, как и Кл₁, по схеме, приведенной на рис. 7.

Рис. 9. Часові діаграми АІМ тракту

Как видно из диаграмм рис. 9, амплитуды отсчетов при АИМ-2 поддерживаются практически неизменными в течение всего канального интервала (_АИМ2  Т_Д/N), что обеспечивает устойчивую работу кодирующего устройства, на вход, которого поступает групповой АИМ сигнал.