1.2.2 Імпульсна модуляція

На сьогоднішній день ІВС застосовуються для обробки величезної кількості інформації, а вимоги до їх характеристик зростають пропорційно до кількості необхідних вимірювань. Збільшення обсягів вимірювальної інформації, яку необхідно передавати каналами зв’язку, призводить до частішого використання імпульсних видів модуляції замість модуляції гармонічних коливань. Імпульсна модуляція (ІМ) має ряд переваг перед гармонічною та використовується, в основному, в ІВС з часовим розділенням каналів, принцип дії яких заснований на розміщені в проміжках часу між імпульсами, що несуть інформацію про одну вимірювальну величину, імпульсів, що характеризують інші вимірювальні величини. Імпульсні види модуляції за правом вважаються більш завадозахищеними, адже з’являється можливість збільшення потужності в імпульсі без збільшення середньої потужності. Також відомою перевагою ІМ є можливість модуляції декількох параметрів сигналу одночасно, тобто більш ефективного використання каналу зв’язку.

Найбільш часто при ІМ використовують імпульси прямокутної форми, які достатньо просто реалізувати за допомогою базових елементів техніки. Періодична послідовність імпульсів характеризується наступними параметрами: амплітуда імпульсів , частота повторення імпульсів , частота імпульсів , тривалість імпульсів , шпаруватість , фаза імпульсів , де – затримка імпульсів відносно опорної послідовності імпульсів. Періодичну послідовність прямокутних імпульсів зображено на рис. 1.13.

Рисунок 1.13 – Часова діаграма періодичної послідовності імпульсів

Види імпульсної модуляції. Будь-який із зазначених вище параметрів імпульсної послідовності може виступати в якості параметру модуляції. У зв’язку з цим, виокремлюють наступні види імпульсної модуляції:

• амплітудно-імпульсна модуляція;

• частотно-імпульсна модуляція;

• широтно-імпульсна модуляція;

• фазо-імпульсна модуляція.

Сутність перелічених різновидів імпульсної модуляції зображено на рис. 1.14.

Рисунок 1.14 – Часові діаграми різних видів імпульсної модуляції

При АІМ відповідно до модулюючої функції відбувається зміна амплітуди імпульсів, при чому інші параметри імпульсної послідовності залишаються сталими. Різниця між АІМ 1 та АІМ 2 полягає в тому, що в першому випадку змінюється висота (амплітуда) імпульсів, а їх форма залишається незмінною. У другому випадку вершина імпульсів змінюється відповідно до зміни модулюючого сигналу , кожен імпульс повторює відповідну ділянку кривої.

При ЧІМ змінним параметром виступає частота повторення імпульсів. В залежності від варіанту ЧІМ сталою залишається або тривалість імпульсів (ЧІМ 1), або їх шпаруватість (ЧІМ 2). Також різновидом ЧІМ можна вважати випадок, коли змінним параметром виступає період повторення імпульсів.

Розрізнюють також два види ШІМ, при односторонній ШІМ або ШІМ 1 відбувається зміна лише заднього фронту імпульсу, залежно від модулюючої функції , при двосторонній ШІМ або ШІМ 2, положення і переднього, і заднього фронтів імпульсу змінюються симетрично, причому постійний період повторення визначається положенням середини кожного імпульсу.

При ФІМ імпульси зміщуються за віссю часу, при цьому форма та параметри імпульсів не змінюються.

Також існує ще один вид імпульсної модуляції – КІМ,який об’єднує в собі всі позитивні властивості прийомів дискретизації, квантування та кодування. Системи з КІМ – це єдиний вид систем, з використанням імпульсних видів модуляції, у яких аналогова інформація передається лише у дискретній формі, після попереднього квантування та кодування. Це дозволяє значною мірою поліпшити співвідношення сигнал/завада на виході системи за рахунок розширення смуги частот, що займає система. Розглянемо процес передачі інформації в системах з КІМ докладніше.

Спектр повідомлення, що передається у системі з КІМ, займає смугу частот рівну . Відбувається дискретизація цього спектру вузькими імпульсами, що надходять періодично зі швидкістю, яка перевищує величину імпульсів за секунду. В результаті формується послідовність амплітудно-модульованих імпульсів, висота яких відповідає миттєвим значенням сигналу в момент відліку. Далі відбувається квантування отриманих імпульсів, тобто наближення їх рівню до найближчого значення з числа дискретних рівнів, що перекривають весь діапазон зміни вихідного повідомлення. Квантована послідовність майже ідентична неквантованій, відмінності полягають лише у деякому розходженні значень амплітуд імпульсів. Після цього квантова ні імпульси перетворюються в кодові групи, кожна з яких містить імпульсів.

Оскільки в процесі кодування одиничний імпульс перетворюється в групу, що складається з імпульсів, то ці імпульсів мають вміщуватись у часовий інтервал, який раніше займав один імпульс. Так як основною задачею передачі даних за допомогою КІМ є збереження амплітуди імпульсу, а не його тривалості, то тривалість кожного імпульсу зменшується в разів, а смуга частот розширюється у стільки ж разів. Кодові групи можна передавати по одному каналу у вигляді часової послідовності імпульсів, або паралельно по окремим каналам.

Якщо імпульси модулюють деяку несучу частоту по амплітуді, то виникають верхня та нижня бокові смуги. Ширина спектру при цьому збільшиться вдвічі та становитиме . Системи з КІМ є, відповідно, кодовими широкосмуговими системами, завадозахищеність яких підвищується за рахунок умисного розширення смуги частот сигналу при його кодуванні.

При детектуванні кодової послідовності на приймальному кінці системи, окремі імпульси демодулюються та відновлюються за формою. Такі регенеровані імпульси збираються потім у кодові групи та декодуються, набуваючи вигляду квантованого АІМ сигналу. Таке перетворення пов’язано з формуванням нового імпульсу, який являє собою лінійну суму всіх імпульсів кодової групи, які були взяті із ваговим коефіцієнтом, що відповідає їх розрядам. Вихідне повідомлення отримується з відновленого АІМ сигналу за допомогою ФНЧ з частотою зрізу . Якщо імпульси демодулюються без помилок, або майже без помилок, то відновлене повідомлення буде вільне від шумів, за виключенням початкових викривлень, обумовлених процесом квантування.

При побудові системи передачі даних на великі відстані, часто створюють низку проміжних станцій, задачею яких є підсилення та ретрансляція вихідного повідомлення, що передається системою. Завади, що з’являються на окремих ділянках (за виключенням тих, які викликають помилкову демодуляцію імпульсу), можуть бути повністю пригніченні на кожній проміжній станції шляхом регенерації імпульсів без їх декодування. При такому методі передачі даних на відстані завада не підсилюється і не передається до іншої станції. Якщо шуми, що з’являються при кожній ретрансляції, не призводять до неприпустимо частих помилок, то таке перетворення можна повторювати безліч разів. Відповідно, вимоги до передачі сигналів в системах з КІМ майже не залежать від фізичної довжини лінії зв’язку.

Але, як вже було зазначено вище, системи, що використовують КІМ здійснюють передачу лише дискретних повідомлень, тобто працюють лише з цифровими сигналами, які програють з погляду на швидкодію аналоговим. Також КІМ сигнали займають широку смугу частот, що в деяких випадках є неприпустимим при вирішенні вимірювальних завдань.