Аналоговое и цифровое радиовещание

141

38.Почему суммарно-разностный синхронный детектор приемника системы с ПТ обеспечивает меньшие нелинейные искажения при детектировании стереосигнала, чем суммарно-разностный детектор приемника системы с ПМ ?

39.Почему при переходе от моноприема к стереоприему зона обслуживания принимаемой радиостанции уменьшается ?

40.Какое дополнительное оборудование содержит передатчик, обеспечивающий формирование уплотненного комплексного стереосигнала (УКСС) системы стереовещания с расширенной зоной обслуживания (системы FMX) ?

41.Почему размеры зон обслуживания радиостанций системы FMX при стереоприеме (если используются приемники системы FMX) приблизительно такие же, как и при моноприеме ?

42.Какой вид модуляции используется в передатчике фирмы Motorola для стереофонического радиовещания в диапазоне средних волн ?

43.Какова величина максимальных индексов модуляции каналов А и В системы стереофонического радиовещания в диапазоне средних волн фирмы Motorola ?

44.В каком случае возможен прием стереофонического сигнала (формируемого по принципу фирмы Motorola) определенной радиостанции обычным монофоническим средневолновым приемником ?

11.Цифровая связь и цифровое вещание

11.1.Цифровое представление аналоговых сигналов. Среди методов цифрового представления сигналов широко распространена импульсно-кодовая модуляция (ИКМ). При ИКМ аналого-цифровое преобразование (АЦП) состоит из трех операций: дискретизации, квантования и кодирования квантованных отсчетов сигнала m -разрядными кодовыми

словами (последовательностью импульсов) [32,33].

11.1.1. Дискретизация аналогового сигнала по времени. На практике применяются различные АЦП — АЦП последовательных приближений, интегрирующие АЦП и др., в составе которых имеются устройства выборки и хранения [13]. Принцип работы любого АЦП при ИКМ может быть охарактеризован обобщенной функциональной схемой рис. 11.1.

длительностью д , поступающими от генератора импульсов дискретизации

(ГИД). В Пм происходит дискретизация аналогового сигнала по времени. На выходе Пм образуется сигнал с амплитудно-импульсной модуляцией (АИМ-сигнал)

142

Процесс образования сигнала S АИМ ( t ) изображен на рис.11.2,а,е,д (на

является дискретным сигналом и представляет собой последовательность отсчетов сигнала Sвх ( t ) с периодом дискретизации Tд .

Из теоремы В.А. Котельникова известно, что частота дискретизации Fд 1 / Тд должна удовлетворять условию Fд / Fв 2 , где Fв верхняя частота спектра сигнала Sвх ( t ) .

Рис. 11.1. Функциональная схема одноканального устройства, осуществляющего импульсно-кодовую модуляцию (аналого-цифровое преобразование)

Рис. 11.2. Однополярный аналоговый сигнал (а) и его спектр (б); последовательность импульсов длительностью д Tд / 2 (в) и их спектр (г); однополярный АИМ-сигнал (д) и его спектр (е)

Определим структуру спектра АИМ-сигнала. Предположим, что импульсы дискретизации имеют единичную амплитуду. Тогда

143

последовательность импульсов дискретизации может быть представлена рядом Фурье:

( д / Тд ) [( m Ck / 2 )cos2 ( k Fд F )t ] , расположенные вокруг гармоник частоты k 1

дискретизации.

Полученные результаты можно распространить на случай

широкополосного входного сигнала Sвх ( t ) , имеющего полосу частот от Fн до

Fв (рис.11.2,а,б). При этом вид однополярного АИМ-сигнала во временной

области и его спектр изображены на рис.11.2,д,е.

Демодуляция АИМ-сигнала в приемнике возможна с помощью ФНЧ, имеющего частоту среза Fв (частотная характеристика демодулирующего

144

фильтра показана на рис.11.2,е). Искажения при демодуляции будут тем

Дискретный АИМ-сигнал имеет недостаток - шумы и помехи канала передачи накладываются на модулированные импульсы и изменяют их форму. Если при передаче АИМ-сигнала на большие расстояния используются ретрансляторы сигнала, то искажения импульсов на отдельных участках линии связи складываются.

Существенное уменьшение действия шумов и помех линий передачи может быть достигнуто при использовании цифровых сигналов. Большое распространение в технике связи получил бинарный цифровой сигнал с импульсно-кодовой модуляцией (ИКМ-сигнал), имеющий два уровня: «0» и «1». ИКМ-сигнал получают путем представления дискретных отсчетов амплитуд АИМ-сигнала кодовыми словами, состоящими из вполне определенной последовательности нулей и единиц.

Рис. 11.3. Регенерация цифрового сигнала в линии передачи (ЛП): УК — усилитель-корректор; СВМР — схема выработки момента решения;

РГС — регенерирующая схема

ИКМ-сигнал допускает свою регенерацию. Регенерация ИКМ-сигнала

145

заключается в восстановлении искаженной формы его импульсов до первоначального вида (рис.11.3) и может быть проведена многократно (в каждом ретрансляторе). Регенерация цифрового сигнала практически полностью исключает действие шумов канала передачи. Возможные ошибки в ИКМ-сигнале, возникающие, например, из-за импульсных помех, могут быть обнаружены и исправлены с использованием методов помехоустойчивого кодирования (см. подраздел 11.2).

Для получения ИКМ-сигнала сначала АИМ-сигнал квантуется по уровню

вквантователе (КВТ), а затем кодируется в ИКМ-кодере (см. рис.11.1).

11.1.2.Равномерное квантование сигнала по уровню. Шумы квантования. Кодирование дискретного сигнала. Динамический диапазон цифрового тракта. Операция квантования заключается в замене

определяемыми амплитудной характеристикой квантующего устройства.

На рис.11.4,а в качестве примера изображена амплитудная характеристика квантующего устройства для однополярных сигналов, имеющая восемь уровней квантования: 0 ,1 , 2 , 3 , 4 , 5 , 6 , 7 . Расстояние между

ближайшими разрешенными уровнями выходного сигнала квантователя называется шагом квантования ( ). Если шаг квантования между любыми уровнями одинаков, то шкала квантования называется равномерной

(линейной), а квантователь - равномерным (линейным).

При подаче на вход квантователя АИМ-сигнала (рис.11.4,б) на его выходе образуются импульсы строго определенной амплитуды U АИМ кв j (i Tд ) ,

возникает ошибка квантования ( кв ), представляющая разность между значением дискретного сигнала U АИМ (i Tд ) и квантованным значением сигнала

U АИМ кв (i Tд ) :

Зависимость ошибки квантования от уровня входного сигнала квантователя изображена на рис.11.4,в.

Из-за ошибки квантования амплитуды выходного дискретного сигнала

146

квантователя U АИМ кв (i Tд ) отличаются от амплитуд дискретного сигнала

U АИМ (i Tд ) на входе квантователя, что эквивалентно искажению исходного сигнала S вх ( t ) . Ошибка квантования зависит от величины шага квантования и

во временной области представляют собой функцию с резкими скачками (рис.11.5). Поэтому спектр квантованного АИМ-сигнала расширяется и его соседние боковые полосы (см. рис.11.2,е) будут накладываться друг на друга. При демодуляции сигнала S АИМ кв ( t ) в приемнике в полосу пропускания ФНЧ

попадут составляющие спектра искажений от квантования, распределение которых в полосе пропускания ФНЧ при широкополосном сигнале S вх ( t )

близко к равномерному. Эти искажения от квантования называют шумами квантования.

Рис. 11.4. Амплитудная характеристика квантователя однополярного сигнала с равномерным шагом квантования (а); последовательность входных импульсов

квантователя U АИМ ( t ) (б); зависимость ошибки квантования кв от уровня входного сигнала (в); последовательности входных U АИМ ( t ) и выходных U АИМ кв ( t ) импульсов

квантователя (г); последовательность ИКМ-импульсов ВН (с возвращением к нулю) на выходе кодера при скважности Tb / и 2 (д); последовательность ИКМ-импульсов

БВН (без возвращения к нулю) на выходе кодера при скважности Tb / и 1 (е)

147

При равномерной шкале квантования мощность шумов квантования

Рис. 11.5. Изменение во времени аналогового сигнала (а) и ошибки квантования (б)

Рис. 11.6. Зависимость отношения С/Ш при равномерном квантовании

Для амплитудной характеристики квантователя однополярного АИМ-сигнала (например, телевизионного видеосигнала яркости) число уровней квантования (см. рис.11.4)

напряжения квантователя;

ku пик пик-фактор сигнала по напряжению.

С учетом (11.8) - (11.9) из (11.7) следует, что максимальная защищенность от шумов квантования для однополярного сигнала

кодовой комбинацией (кодовым словом) с m разрядами (символами, битами) число возможных уровней квантования для однополярного сигнала

рис.11.4,а, уровни 0 ,1 ,2 ,3 ,4 ,5 ,6 ,7 ), причем каждый уровень кодируется в

ИКМ-кодере трехразрядным двоичным числом или кодовым словом ( 000 , 001 ,

010 , 011 , 100 , 101 , 110 , 111 , рис.11.4,г). На выходе ИКМ-кодера образуется

импульсно-кодовая цифровая последовательность, вид которой при разных величинах скважности изображен на рис.11.4,д,е. Если Tb / и 1 (где Tb длительность бита), то последовательность называют последовательностью с

возвращением к нулю (ВН или RZ — Return to Zero), если Tb / и 1 —

последовательностью без возвращения к нулю (БВН или NRZ — Nonreturn to Zero).

Из (11.10) с учетом (11.11) следует, что при равномерном квантовании

для однополярного сигнала:

Для двухполярного сигнала используют квантующие устройства с симметричной относительно начала координат амплитудной характеристикой

(рис.11.7).

Рис. 11.7. Амплитудная характеристика квантователя двухполярного сигнала с равномерным шагом квантования

Для такой характеристики (при большом числе уровней квантования N ):

150

Число уровней квантования для симметричной амплитудной

квазимаксимальное значение сигнала выбирается меньше порога ограничения на некоторое значение U (обычно выбирается величина U 6 дБ ). При

этом защищенность от шумов квантования снижается на это значение.

Из (11.14) - (11.16) следует, что при равномерном квантовании в случае увеличения числа разрядов m на единицу отношение Pc / Pш кв повышается на

6 дБ . В то же время переход, например, от 15-разрядного кодового слова к 16-разрядному означает увеличение скорости передачи информации всего лишь на 6 ,7 % . Это свойство является важнейшей особенностью ИКМ с

равномерным квантованием. Ни один другой способ кодирования не позволяет так заметно улучшить отношение С/Ш квантования за счет сравнительно небольшого увеличения скорости передачи.

Выражение (11.16) позволяет оценить величину динамического диапазона цифрового тракта ( DЦ Т ). На практике при формировании

высококачественного звукового сигнала в студийных цифровых магнитофонах используют 16-разрядное равномерное квантование (размер кодового слова системы «компакт-диск»). При этом из (11.16) для гармонического сигналакв max 98 дБ . Динамический диапазон цифрового тракта для гармонического

сигнала