6.6 Кодово - імпульсна модуляція (кім)
КІМ включає попередню підготовку передаючого сигналу, яка зводиться до його дискретизації по часу і квантуванню по рівню. Отримані дискретні значення сигналів кодуються, тобто перетворюються в певні кодові комбінації, що складаються із імпульсів однакової амплітуди і частоти. Таким чином, інформація закладається в порядок розміщення імпульсів в середині кодової групи. Отриманими імпульсами КІМ можуть здійснюватись різні види модуляції коливань передавача - двійні модуляції КІМ - АМ, КІМ -ЧМ, КІМ - ФМ. В основному під КІМ розуміють передачу будь - якої інформації двійковим кодом.
Перетворенням дисретних значень сигналу в двійковий код відбувається порівняно складними пристроями, і тому цей вплив найкраще здійснювати в загальному тракті, тобто над багатоканальним повідомленням.
Кодуючі пристрої класифікуються по способу видання коду і посилання його в канал. Видача коду, що відбувається зчитуванням, відрізняється тим, що кодова група спочатку фіксується спеціальним лічильником і видається тільки після закінчення кодування даного рівня квантування. При суміщеному способі кодування кодова група поступає на вихід кодуючого пристрою ще в процесі кодування, тому перерви між циклами кодування окремих квантових рівнів відсутні. Посилання кодових груп в канал може бути послідовним або паралельним. При послідовному способі елементи коду направляються в канал один за другим, а при паралельному всі символи кодової комбінації подаються в канал одночасно.
Рисунок 6.12 – Блок-схема пристрою прямого перетворення
Прикладом кодуючого пристрою, що працює по принципу зчитування є пристрій прямого перетворення (рис.6.12). В цьому пристрої широтно - модулюючі канальні імпульси подаються на каскад співпадання, на другий вхід якого поступають імпульси, що знімаються з мільтивібратора квантування. Останній виробляє короткі імпульси з тривалістю і періодом повторення Т = , де - розміри ступенів квантування. Таким чином, на вихід каскаду співпадання приходить число імпульсів мультивібратора квантування, що визначається довжиною імпульса ШІМ, яка в свою чергу залежиться від миттєвого значення функції повідомлення. Отримані імпульси дальше поступають на лічильний пристрій, що визначає їх кількість, яка в комірках перераховуючої схеми записується в двійковій системі. Після закінчення розрахунку відбувається запит комірок лічильника спеціальним лічильним пристроєм, який запускається заднім фронтом імпульсу шин. Схема повертається у вихідне положення завдяки впливу на неї попередньо затриманого імпульса, що отримується при диференціюванні заднього фронту імпусьса ШІМ.
Рисунок 6.13 – Принцип методу порівняння і віднімання.
Прикладом роботи суміщеним способом є метод порівняння і обчислення. В цьому випадку кодуюче повідомлення (напруга) послідовно порівнюється з еталонними напругами Uk=2k (k=0, 1, 2...,l). В зображеному на рис.6.13. випадку кодуюча напруга рівна 61В, а еталонні - відповідно 64, 32, 16, 8, 4, 2, 1В. Якщо еталонна напруга більша кодуючої то остання пропускається, а на виході пристрою фіксується 0. Якщо еталонна напруга менша кодуючої, то вона вираховується із останнього і на виході появляється f (імпульс). Різниця напруг знову порівнюється і т. д. В результаті кодування рівня 61В на виході пристрою виникає кодуюча група 0111101, що відповідає запису цього рівня в двійковій системі. Точність кодування методом порівняння і обчислювання обмежена точністю установки, стабільністю еталонних напруг і похибками схем порівняння.
Метод КІМ володіє високою завадостійкістю, оскільки для нескривленої передачі повідомлення досить достовірно передати тільки самий факт наявності або відсутності передаючих імпульсів: скривлення форми імпульсів суттєвої ролі не має. Метод КІМ широко використовується в системах передачі даних а також в системах телекерування і телеконтролю.
Обмеження різноманітності передавальних імпульсів двома станами (наявність і відсутність імпульсу) зводить модуляцію до маніпуляції. Найбільш поширені наступні методи маніпуляції.
Амплітудна маніпуляція (КІМ-АМ). Цей випадок маніпуляції є частковим випадком АІМ-АМ. Для забезпечення задовільної форми посилок необхідно передати смугу частот, що охоплює третю гармоніку частоти маніпуляції по обидві сторони несучої. Із-за низької завадостійкості і важкості вибору оптимального порогу цей метод в системах передачі даних приймається рідко. В системах телекерування, що використовують сигнали високої “складності”, використання методу АМ є доцільним, тому що при цьому забезпечується значно велика потужність в імпульсі, ніж при методах передачі двійкових сигналів з активною паузою.
Частотна маніпуляція (КИМ-ЧМ) є частковим випадком АІМ-ЧМ. Вона здійснюється з розривом або без розриву фази (рис. 6.14). Більш поширений спосіб частотної маніпуляції без розриву фази, так як утворений ним ефективний спектр вуще спектру, що виникає при ЧМ з розривом фази. Найбільш високу завадостійкість КІМ-ЧМ забезпечує при індексі частотної модуляції
m(чм)=о/, (6.76)
рівною приблизно двом, в результаті чого смуга передаючих частот виявляється в два рази ширшою від смуги частот, що передаються при амплітудній модуляції. Завадостійкість передачі з частотною модуляцією значно більша ніж передачі з амплітудною модуляцією. Однак при однаковій амплітуді сигналу середня потужність передавача повинна бути в двічі більшою, ніж при АМ.
Рисунок 6.14 – Блок-схема і епюра напруги при КІМ-ЧМ.
а) з розрививом фази б) без розриву фази
Фазова маніпуляція (КІМ-ФМ) є частковим випадком АІМ-ФМ. Найбільша ширина спектру відповідає передачі сигналу, що являє собою послідовність чергуючих маніпулюючих по фазі на 180 посилок однакової амплітуди. Спектр АМ сигналу відрізняється тим, що в ньому сильно понижені коливання несучої частоти, завдяки чому основна доля енергії сигналу зосереджується в бокових частотах, що є носіями інформації. Це сприяє найбільш ефективному використанні потужності передавача. Смуга передаючих частот охоплює тільки першу гармоніку найвищої частоти маніпуляції по обидві сторони несучої частоти. Важливою перевагою ФМ є порівняння високої завадостійкості з порів
нянно вузьким спектром сигналу. Однак практична реалізація цієї системи пов’язана з труднощами, основною з яких є створення в місці прийому синфазної з опорним сигналом напруги. Із-за цього метод ФМ в чистому вигляді не використовується.
Рисунок 6.15 – Формування сигналів при ОФМ
а) блок-схема передавача
б) епюри напруг
Відносна фазова маніпуляція (ВФМ) є видозміною раніше описаної ФМ. Особливістю ВФМ є наявність в передавачі додаткового кодуючого пристрою, що забезпечує передачу на початку сеансу допомагаючої посилки, що визначає початок відліку для прийому першої посилки. В подальшому додаткове кодування здійснюється шляхом зберігання фази при передачі “0” і зміни фази на протилежну при передачі “1” (рис.6.15). Прийом сигналів з ВФМ здійснюється способом порівняння фаз (ВФМ1) або способом порівняння полярностей (ВФМ2). У першому випадку використовується елемент затримки, на виході якого відбувається порівняння фаз останньої і попередньої посилок. В другому випадку здійснюється зміна знака при переході від однієї посилки до іншої, що слідує за нею.
Описаний спосіб маніпуляції (запропонований Н.Т.Петровичем в 1954р.) усуває необхідність створення опорної напруги в місці прийому і всі пов’язані з цим труднощі. Він є одним з найбільш перспективних методів передачі даних, так як володіє завадостійкістю як КІМ-ФМ, і вільний від властивих цьому методу недоліків.