1.5.1. Импульсно-кодовая модуляция
ИКМ или PCM – Pulse Code Modulation используется для оцифровки аналоговых сигналов. Практически все виды аналоговых данных (видео, голос, музыка, данные телеметрии, виртуальные миры) допускают применение ИКМ-модуляции.
Этот вид модуляции сводится к измерению амплитуды аналогового сигнала в моменты времени, отстоящие друг от друга на dt, и к кодированию этих амплитуд цифровым кодом. Величина dt определяется по теореме Котельникова: для неискаженной передачи нужно иметь не менее двух отсчетов на период колебаний, соответствующий высшей составляющей в частотном спектре сигнала, т.е. количество оцифрованных значений в секунду (или скорость оцифровки, частота дискретизации) должно быть не ниже 2-кратной максимальной частоте в спектре аналогового сигнала.
Мгновенное измеренное значение аналогового сигнала округляется до ближайшего уровня из нескольких заранее определенных значений. Этот процесс называется квантованием, а количество уровней всегда берется кратным степени двойки, например, 8, 16, 32 или 64. Номер уровня может быть соответственно представлен 3, 4, 5 или 6 битами. Таким образом, на выходе модулятора получается набор битов (0 или 1).
На приёмном конце канала связи демодулятор преобразует последовательность битов в импульсы собственным генератором с тем же уровнем квантования, который использовал модулятор. Далее эти импульсы используются для восстановления аналогового сигнала в ЦАП.
В цифровых каналах ISDN (Integrated Services Digital Network) за основу принята передача голоса с частотным диапазоном до 4 кГц, а кодирование производится восемью (или семью) битами. Отсюда получаем, что частота отсчетов (передачи байтов) равна 8 кГц, т.е. биты передаются с частотой 64 кГц (или 56 кГц при семибитовой кодировке).
Разновидностями ИКМ являются:
- дифференциальная (или дельта) импульсно-кодовая модуляция. ДИКМ кодирует сигнал в виде разности между текущим и предыдущим значением. Для звуковых данных такой тип модуляции уменьшает требуемое количество бит на отсчет примерно на 25%;
- адаптивная ДИКМ (АДИКМ) является разновидностью ДИКМ, которая изменяет уровень шага квантования, что позволяет еще больше уменьшить требования к полосе пропускания при заданном соотношении сигнала и шума.
В них передаются разности амплитуд А1 и А2 соседних отсчетов. При этом в ДИКМ А1 – амплитуда на входе модулятора, а А2 – амплитуда отсчета, которая соответствует переданному сигналу в предыдущем временном такте. Для представления разности используется всего 1 бит (т.е. передается знак разности), поэтому нужна достаточно высокая частота отсчетов, чтобы не было «запаздывания» изменений передаваемого сигнала по сравнению с реальными изменениями.
В АДИКМ шаги отсчетов адаптируются к динамике изменения величины сигнала.
Вывод: существует большое разнообразие видов модуляции.
I. Аналоговая модуляция:
1) Амплитудная модуляция:
- амплитудная модуляция с одной боковой полосой (однополосная АМ);
- балансная амплитудная модуляция - АМ с подавлением несущей.
2) Частотная модуляция.
3) Фазовая модуляция.
4) Квадратурная модуляция.
5) Сигнально-кодовая модуляция.
6) Сигма-дельта модуляция (∑Δ).
II. Цифровая модуляция (манипуляция):
1) Амплитудная манипуляция.
2) Фазовая манипуляция.
3) Частотная манипуляция.
4) Квадратурная амплитудная манипуляция.
5) Модуляция с расширением спектра.
III. Импульснаяй модуляция:
1) Амплитудно-импульсная модуляция.
2) Широтно-импульсная модуляция.
3) Частотно-импульсная модуляция.
4) Фазово-импульсная модуляция.
5) Импульсно-кодовая модуляция.
Вопрос № 2. Методы измерений параметров амплитудно-модули-рованных сигналов
Измерители модуляции относятся к группе радиоизмерительных приборов. По виду измеряемой величины делятся на измерители коэффициента амплитудной модуляции (модулометры) и измерители девиации частоты (девиометры), но в настоящее время более распространены комбинированные приборы для измерения параметров модуляции как амплитудной, так и импульсной.
Для измерения параметров модулированных сигналов предназначены специальные средства измерений – измерители модуляции, классифицируемые в соответствии с ГОСТ 15094-69 на следующие виды: измерители коэффициента амплитудной модуляции (С2); измерители девиации частоты (С3).
Например: С2-23 – модулометр; СК3-46 – комбинированный измеритель.
Главными подлежащими измерению параметрами AM колебаний являются:
- коэффициенты амплитудной модуляции (КАМ) – M;
- коэффициент модуляции вверх – Mверх = (Umax – Uн)/Uн и модуляции вниз – Mниз = (Uн - Umin)/Uн, которые обычно выражаются в %;
- коэффициент гармоник амплитудной модуляции (КГАМ):
.
Для измерения используются осциллографический, спектральный и прямой методы.