11) Дискретная модуляция аналоговых сигналов

При передаче информации в аналоговой форме нет эффективных алгоритмов для восстановления сигнала в том случае, если сигнал исказился.

При передаче информации в дискретной форме имеется возможность проверять целостность передаваемых данных, восстанавливать искаженные данные и шифровать передаваемые данные.

Для передачи аналоговых данных (звук, видео и т.д.) в дискретной форме применяют метод, называемый дискретной модуляцией, основанный на дискретизации непрерывных сигналов по амплитуде и времени.

Импульсно-кодовая модуляция (ИКМ).

Одним из наиболее часто применяемых методов дискретной модуляции является импульсно-кодовая модуляция (ИКМ).

Передатчик измеряет с некоторым периодом амплитуду исходного аналогового сигнала (дискретизация по времени) и каждому замеру амплитуды сопоставляет двоичное число (дискретизация по амплитуде).

Полученная последовательность единиц и нулей передается по линии связи посредством цифрового кодирования.

Процесс преобразования аналогового сигнала в последовательность чисел называется аналого-цифровым преобразованием (АЦП).

Приемник преобразует сигналы в последовательность единиц и нулей. Затем порождает последовательность импульсов, соответствующих полярностью и амплитудой замерам исходного сигнала. На основе полученной последовательности импульсов формируется аналоговый сигнал, по форме подобный исходному. Этот процесс называется цифроаналоговым преобразованием (ЦАП).

В методе ИКМ для представления замеров исходного сигнала используются дискретные значения, поэтому сигнал получаемый после ЦАП представляет не точную копию исходного сигнала а его аппроксимацию.

Этот эффект называют шумом квантования (ошибкой квантования).

Теорема Найквиста-Котельникова

Аналоговая непрерывная функция, переданная в виде последовательности ее дискретных значений, может быть восстановлена, если частота дискретизации в два или более раз больше, чем частота самой высокой гармоники спектра исходной функции (теория Найквиста-Котельникова).

Пример:

в телефонных сетях спектр передаваемого голосового сигнала ограничен шириной 100-3400 Гц, при этом используется частота дискретизации 8000 Гц (8000 > 2*3400), для кодирования замеров используется 7 или 8 бит, а для передачи оцифрованных данных используется канал с шириной пропускания 64 Кбит (8000*8= 64000).

Фрейм (E-1) передаваемый между АТС состоит из 32*8=256 бит на основе которых реализуется 30 голосовых каналов (B-1). Каждому голосовому каналу в фрейме отводится 8 бит, которые соответствуют одному замеру амплитуды. Таким образом каждый фрейм несет информацию о 30 замерах (временное мультиплексирование), 16 бит используются для служебных целей

Голосовой сигнал изменяется сравнительно медленно, в сравнении с частотой дискретизации, поэтому 8 разрядов отводимых для одного замера амплитуды в общем случае являются избыточными.

В дифференциальной кодово-импульсной модуляции измеряется не амплитуда сигнала, а разность значений амплитуды, для передачи полученного значения используются 5 бит.

В дельта-модуляции каждому замеру сопоставляется один бит, указывающий увеличилась или уменьшилась амплитуда сигнала со времени последнего замера.

Голосовой сигнал изменяется сравнительно медленно, в сравнении с частотой дискретизации, поэтому 8 разрядов отводимых для одного замера амплитуды в общем случае являются избыточными.

В дифференциальной кодово-импульсной модуляции измеряется не амплитуда сигнала, а разность значений амплитуды, для передачи полученного значения используются 5 бит.

В дельта-модуляции каждому замеру сопоставляется один бит, указывающий увеличилась или уменьшилась амплитуда сигнала со времени последнего замера.