Преобразования сигнала в каналах связи.Кодирование и модуляция
Преобразование первичного информационного сигнала в высокочастотный сигнал необходимо для согласования сигнала с каналом, т.е. реализации условияVCVK.
Преобразование дискретного сообщения в сигнал осуществляется в виде кодирования и модуляции. В простейшем случае сигнал согласуют с каналом по всем трём параметрам, т.е. добиваются выполнения условий:Tс<TkFс<FkDс<Dс
При этом объём сигнала полностью "вписывается" в объём канала.
Однако условие согласования канала может выполняться и тогда, когда одно или два из частичных неравенств не выполнены. Это означает, что можно производить "обмен" длительности на ширину спектра или ширину спектра на динамический диапазон и т.д. Пусть, например, записанный на плёнку телефонный сигнал, имеющий ширину спектра 3 кГц, необходимо передать через канал, полоса пропускания которого 300 Гц. Это можно осуществить, воспроизводя сигнал со скоростью, в 10 раз меньше той, с которой он был записан. При этом все частоты исходного сигнала уменьшатся в 10 раз, и во столько же раз увеличится время передачи. Принятый сигнал также записывается на плёнку, а затем, воспроизведя его со скоростью, в 10 раз большей, можно восстановить исходный сигнал Аналогично можно передать сигнал быстрее, если полоса пропускания канала шире спектра сигнала.
Значительно больший интерес представляет возможность обмена динамического диапазона на полосу пропускания. Так, используя широкополосные помехоустойчивые виды модуляции, можно передать сообщение с динамическим диапазоном, например 60 дБ, по каналу, в котором сигнал превышает помеху всего лишь на 20 дБ. Но при этом используется полоса пропускания канала в несколько раз более широкая, чем спектр сообщения.
Преобразование дискретного сообщения в сигнал обычно осуществляется в виде двух операций - кодирования и модуляции. Кодирование – преобразование сообщения в последовательность кодовых символов, а модуляция – преобразование этих символов в сигналы, пригодные для передачи по каналу. С помощью кодирования и модуляции источник сообщений согласуется с каналом.
Простейшим примером дискретного сообщения является текст. Любое сообщение состоит из конечного числа элементов; текст – из букв, цифр, знаков препинания. Их совокупность называется алфавитом источника сообщения. Так как число элементов в алфавите конечно, то их можно пронумеровать и тем самым свести передачу сообщения к передаче последовательности чисел. Обычно моменты отсчётов выбираются на оси времени равномерно.
8
Квантование - представление бесконечного множества значений, которое может принимать аналоговый сигнал, набором ограниченного множества.
Операция квантования сводится к тому, что вместо данного мгновенного значения (уровня) передаваемого сообщения передают ближайшие значения по установленной цифровой шкале дискретных уровней. Дискретные значения по шкале уровней чаще всего выбираются равномерно. Само собой разумеется, что при квантовании вносится погрешность, так как истинное значение заменяют округлённым значением. Величина этой погрешности при равномерном квантовании не превосходит половины шага квантования и может быть сведена до допустимого уровня.
Дискретизированный сигнал принимает отличные от нуля значения только в определенные моменты времени. Дискретизированный сигнал может быть получен как из исходного непрерывного, так и из квантованного сигнала.
Дискретизация по времени позволяет преобразовать непрерывные сообщения в дискретный (во времени) сигнал, который после квантования превращается в цифровой. Достоинством цифровых способов передачи является возможность применения кодов, как для повышения помехоустойчивости, так и для сокращения избыточности источника.
В настоящее время широкое применяется система с импульсно - кодовой модуляцией (ИКМ). В этой системе непрерывное сообщение сначала подвергается дискретизации по времени и квантованию по уровню, а затем полученная последовательность уровней (цифр) кодируется (обычно двоичным кодом). Каждому уровню присваивается кодовая комбинация, состоящая из п символов 1 или 0. Полученная последовательность двоичных символов передаётся по каналу связи одним из методов дискретной модуляции. Весовые коэффициенты 0 и 1 и могут передаваться отрезками колебаний различных частот, отрезками колебаний с отличающимися начальными фазами или постоянным током с разной амплитудой или полярностью. Это обеспечивает простоту аппаратуры.
Рассмотрим источник дискретного сообщения. Пусть сообщение выражено при помощи некоторых символов, например, букв печатного текста. Если далее эти буквы преобразуются в другие символы или последовательности из них по заранее установленному и известному при передаче и приеме правилу, то говорят, что сообщение дискретного источника кодируется.
Набор символов (букв), над которым определена последовательность символов на выходе дискретного источника, называется алфавитом. Число символов в алфавите называется объемом алфавита.
Отрезок кодовой последовательности (комбинации) называется блоком. Число символов (элементов) в блоке называется значностью или длиной блока.
Блок, выделенный по определенному признаку и рассматриваемый как одно целое, называется информационным словом. Словом, например, является кодовая последовательность (комбинация). Совокупность (множество) всех кодовых комбинаций, возможных при заданном правиле кодирования, образует код.
Блоки системы связи, в которых осуществляется кодирование, называются кодерами.
Коды, у которых все кодовые комбинации имеют одинаковую длину, называются равномерными. Неравномерные коды содержат кодовые комбинации неравной длины. Равномерное кодирование характеризуется простотой алгоритмов и аппаратуры кодеков и декодеров; неравномерное кодирование отличается большей эффективностью.
Одной из задач кодирования является задача согласования алфавита, из которого построены дискретные сообщения с кодовым алфавитом выходных комбинаций.
Кодирование позволяет решить также задачу устранения избыточности источника сообщения и тем самым повысить скорость передаваемой информации. Примерами кодов, решающими эту задачу (задачу эффективного кодирования), являются коды Шеннона- Фано и Хаффмена. Эти коды являются неравномерными. Для повышения достоверности передачи дискретной информации применяют помехоустойчивые коды. В отличие от простых, у которых все возможные кодовые комбинации используются для передачи информации, помехоустойчивые коды строятся так, что для передачи используется лишь часть от общего числа возможных комбинации. Благодаря этому появляется возможность обнаруживать и исправлять ошибки. Способность кода обнаруживать и исправлять ошибки достигается также и тем, что, наряду с информационными, по каналу связи передаются проверочные символы.
9
Дискретная модуляция Непрерывная модуляция
В системах связи применяется дискретная и непрерывная модуляция. Дискретная модуляция – процесс формирования дискретного сигнала, при котором каждому символу кодовой комбинации ставится в однозначное соответствие форма единичного элемента. Примерами форм единичных элементов сигнала являются импульсы постоянного тока заданной длительности с изменяемой амплитудой, или импульсы переменного тока заданной длительности с отличающейся частотой или фазой.
Непрерывная модуляция – процесс преобразования непрерывного сигнала в другой непрерывный сигнал путем изменения параметров сигнала носителя сообщения (переносчика) в соответствии с преобразуемым сигналом.
Устройства, с помощью которых осуществляется модуляция, называются модуляторами. Модуляция сводится только к такому изменению значения параметра, чтобы оно в определенном масштабе представляло передаваемую информацию. Они служат для согласования параметров сигнала с параметрами линии связи. Используются следующие носители сообщения: постоянный ток, переменный ток (гармоническое колебание), периодическая последовательность импульсов, шумоподобный сигнал (ШПС). комбинация вида несущей и информативного параметра сигнала определяют тип модуляции.
В системах связи применяют от одной до нескольких ступеней модуляции. На 1-й ступени сообщение преобразуется в первичный сигнал. На 2-й и последующих ступенях первичный или другой сигнал модулирует высокочастотную несущую (сигнал переносчик). Принципиальной разницы между первичной и последующей модуляциями нет. Отличие заключается только в значениях частот модулируемых колебаний.
Модуляцией первичным непрерывным сигналом одного из параметров гармонического сигнала получают амплитудную модуляцию (AM), частотную модуляцию (ЧМ), фазовую модуляцию (ФМ). Воздействуя первичным непрерывным сигналом на один из параметров периодической последовательности видеоимпульсов, получают амплитудно-импульсную модуляцию (АИМ), широтно - импульсную модуляцию (ШИМ), фазо- импульсную (ФИМ) и частотно-импульсную (ЧИМ).
|
ПМ- прямая модуляция. Обеспечивается изменением значения постоянного сигнала. |
АМ - амплитудная,
ЧМ - частотная,
ФМ - фазовая модуляция.
Обеспечиваются воздействием на соответствующий параметр гармонического несущего сигнала.
10
Аналоговая модуляция
Аналоговая модуляция - способ физического кодирования, при котором информация кодируется изменением амплитуды, частоты или фазы синусоидального сигнала несущей частоты. Основные способы аналоговой модуляции показаны на рис.
На диаграмме а последовательность бит исходной информации представлена потенциалами высокого и нулевого уровня. Этот способ кодирования называется потенциальным кодом.
При амплитудной модуляции (диаграмма б) для логической единицы выбирается один уровень амплитуды синусоиды несущей частоты, а для логического нуля - другой. Этот способ редко используется в чистом виде из-за низкой помехоустойчивости, но часто применяется в сочетании с фазовой модуляцией.
При частотной модуляции (диаграмма в) значения 0 и 1 исходных данных передаются синусоидами с различной частотой - fo и f1. Этот способ применяется в простейших низкоскоростных модемах, работающих на скоростях 300, или 1200 бит/с.
При фазовой модуляции (диаграмма г) значениям данных 0 и 1 соответствуют сигналы одинаковой частоты, но с различной фазой, например 0, 90, 180 или 270 градусов.
В скоростных модемах обычно используются комбинированные методы модуляции, как правило, амплитудная в сочетании с фазовой.
Модулируя один из параметров гармонического сигнала импульсами постоянного тока (двоичной кодовой комбинацией), можно получить амплитудно- модулированный (AM), частотно- модулированный (ЧМ) или фазо- модулированный (ФМ) дискретный сигнал. Разновидностью дискретного ФМ сигнала является сигнал с относительной (фазовой модуляцией (ОФМ). В цифровых системах связи в качестве носителя сообщения также используют и постоянный ток. Изменяя его параметры (величину или направление тока) в соотв с двоичной кодовой комбинацией, получают сигналы передачи данных или телеграфные сигналы.
11