10.2. Приём цифровых сигналов

Особенность цифровой формы сигнала в том, что она не только позволяет передавать последовательность импульсов, но и дополнять её другими импульсами, защищающими полезный сигнал от помех, а также обрабатывать по заданной программе. Применение процессоров позволяет обрабатывать цифровой сигнал и получать звуковые и зрительные эффекты, которые невозможно получить при аналоговой форме сигнала.

Цифровое преобразование аналогового сигнала предполагает последовательное выполнение трёх операций: дискретизации, квантования и кодирования.

Технически дискретизация реализуется с помощью генератора тактовых импульсов, для которого период повторения тактовых импульсов Т_ГТИ = Δt представляет шаг дискретизации Δt. Оптимальная величина интервала дискретизации определяется теоремой академика В.А.Котельникова (теоремой отсчётов).

Смысл теоремы В.А. Котельникова заключается в следующем. Произвольный сигнал, спектр которого ограничен некоторой высшей частотой F_В, может быть полностью восстановлен по последовательности своих отсчётных значений, следующих с интервалом времени

Т_ГТИ = 1 / 2F_B.

Другими словами, частота дискретизации

F_Д = 1 / T_ГТИ = 2F_B

должна быть не менее чем в два раза больше верхней частоты спектра аналогового сигнала.

Диапазон частот, воспринимаемый слухом человека, лежит в пределах от

20 Гц до 20 кГц. Однако в зависимости от требований, предъявляемых к системе вещания или связи, этот диапазон может ограничиваться. Так, при телефонной связи звуковые сигналы достаточно передавать в полосе частот

300 …3400 Гц, поэтому частота дискретизации телефонного канала выбирается равной F_Д = 8 кГц. Полоса частот при высококачественном звуковом вещании составляет 30 Гц …15 кГц, при этом частота дискретизации выбрана равной 32 кГц. В лазерных проигрывателях компакт-дисков частота дискретизации составляет 44,1 кГц, а в студиях записи на цифровой магнитофон – 48 кГц.

Для повышения отношения сигнал / шум при малых уровнях входных сигналов при той же разрядности в цифровых РПрУприменяют неравномерное квантование. Устройство, реализующее неравномерное квантование, состоит из компрессора на передающей стороне и экспандера – на приёмной.

На рис.10.11 приведены амплитудные характеристики компрессора и экспандера.

а) б)

Рис.10.11. Амплитудные характеристики компрессора (а) и экспандера (б)

Компрессор имеет нелинейную АХ (рис.10.11,а). Равномерному шагу на выходе компрессора соответствует неравномерный шаг для входного сигнала: чем слабее входной сигнал, тем меньше его шаг. Экспандер включается на приёмной стороне после ЦАП. Амплитудная характеристика экспандера (рис.10.11,б) является обратной функцией АХ компрессора.

Подбирая характеристику компрессии, можно добиться постоянного отношения сигнал / шум в широком динамическом диапазоне входных сигналов. Практически реализовать аналоговый компрессор и экспандер с взаимно-обратными характеристиками с большой точностью сложно. Поэтому в системах кодирования чаще применяют цифровые компрессоры, у которых плавная АХ аналогового компрессора заменяется линейно-ломаной аппроксимацией.

Обобщённая структурная схема системы передачи цифровых сигналов показана на рис. 10.12.

Рис.10.12. Обобщённая структурная схема цифровой системы передачи

сигналов

Аналоговый сигнал перед АЦП пропускают через ФНЧ, ограничивающий его частотную полосу. Ограничение полосы частот аналогового сигнала на входе АЦП необходимо для того, чтобы для любого сигнала на нём выполнялось условие выбора частоты дискретизации F_Д ≥ 2F_B. Если это условие не будет выполняться (при отсутствии ФНЧ), то спектры дискретизации будут взаимно перекрывать друг друга и адекватно восстановить аналоговый сигнал будет невозможно из-за больших нелинейных искажений.

Операции дискретизации, квантования и кодирования осуществляются в АЦП.

Контрольные вопросы:

• Объясните принцип построения и работы стереофонической системы радиопередачи;

• Начертите спектр комплексного стереофонического сигнала и поясните его строение;

• Какие системы стереофонического вещания вам известны? Чем они отличаются друг от друга?

• Начертите полярно-модулированный сигнал и объясните принцип полярной модуляции;

• Объясните принцип построения стереофонического радиоприёмника.

• Объясните принцип полярного детектирования КСС;

• Объясните принцип декодирования КСС с предварительным разделением спектра;

• Объясните принцип декодирования КСС путём временного разделения каналов;

• Начертите спектр КСС с пилот-тоном и объясните его строение;

• Начертите спектр КСС в системе ЧМ-ЧМ и объясните его строение;

• Поясните принцип преобразования аналогового сигнала в цифровой;

• Объясните смысл теоремы акад. В.А. Котельникова. Как реализуется практически эта теорема в цифровых системах вещания и записи

аудиосигналов?

• Расскажите по структурной схеме принцип работы цифровой системы передачи.

Литература

1. И.С. Гоноровский Основы радиотехники, Государственное

издательство литературы по вопросам связи и радио, М., 1957.

2. Г.С. Цыкин Усилители электрических сигналов, «Энергия»,

М., 1969.

3. Г.С. Цыкин Усилительные устройства, «Связь», М., 1971.

4. Ю.А. Буланов, С.Н. Усов Усилители и радиоприёмные устройства,

«Высшая школа», М., 1971.

5. Г.Б. Белоцерковский Колебательные контуры и фильтры,

«Судостроение», Л., 1965.

6. О.В.Головин Радиоприёмные устройства, Горячая линия – Телеком,

М., 2004.

7. К.Е. Румянцев Радиоприёмные устройства, Издательский центр

«Академия», М., 2006.

8. В.Д. Екимов, К.М. Павлов Радиоприёмные устройства,

«Связь», М., 1975.

9. Под ред. проф. Н.Н. Фомина Радиоприёмные устройства,

«Радио и связь», М., 2003.

185