Типы сигналов импульсно-кодовой модуляции

Чтобы передать двоичные цифры по узкополосному каналу, их представляют электрическими импульсами. На рисунке 7.1, а показаны разделенные во времени интервалы передачи кодовых слов, причем каждое кодовое слово является 4-битовым представлением квантованной выборки. На рисунке 7.1,б каждая двоичная единица представляется импульсом, а каждый двоичный нуль – отсутствием импульса.

Задача приемника – определить в каждый момент приема бита, имеется ли импульс в канале передачи. Вероятность точного определения наличия импульса является функцией энергии принятого импульса (или площади под графиком импульса). Следовательно, ширину импульса T’ (рисунок 7.1, б) выгодно делать как можно больше. Если увеличить ширину импульса до максимально возможного значения, равного времени передачи бита Т, то получится сигнал, показанный на рисунке 7.1, в. Вместо того, чтобы описывать сигнал как последовательность импульсов и их отсутствий (униполярное представление), можно описать его как последовательность переходов между двумя ненулевыми уровнями (биполярное представление). Если сигнал находится на верхнем уровне напряжения, он представляет двоичную единицу, а если на нижнем – двоичный нуль.

Существует три способа модулирования информации в последовательность импульсов: можно варьировать амплитуду, положение или длительность импульсов, что дает соответственно следующие схемы: амплитудно-импульсная модуляция (pulse-amplitude modulation – PAM), фазово-импульсная модуляция (pulse-position modulation – PPM) и широтно-импульсная модуляция (pulse-width modulation – PWM). Фазово-импульсная модуляция осуществляется через задержку появления импульса на время, соответствующее значению информационных символов. Широтно-импульсная модуляция осуществляется посредством изменения ширины импульса на величину, соответствующую значению импульса. Для кодировок PPM и PWM амплитуда импульса фиксируется.

Существует несколько типов сигналов РСМ. Они изображены на рисунке 7.2. В приложениях телефонной связи эти сигналы часто называются кодами канала.

При цифровом кодировании дискретной информации применяют потенциальные и импульсные коды. В потенциальных кодах для представления логических единиц и нулей используется только значение потенциала сигнала, а его перепады, формирующие закон, импульсы, во внимание не принимаются. Импульсные коды позволяют представить двоичные данные либо импульсами определенной полярности, либо импульса — перепадом потенциала определенного направления.

Рисунок 7.1. Пример представления двоичных цифр в форме сигналов.

а) Последовательность РСМ

б) Импульсное представление последовательности РСМ

в) Импульсный сигнал (переход между двумя уровнями)

При использовании прямоугольных импульсов для передачи дискретной информация необходимо выбрать такой способ кодирования, который одновременно достигал бы нескольких целей:

• имел при одной и той же битовой скорости наименьшую ширину спектра результирующего сигнала,
• обеспечивал синхронизацию между передатчиком и приемником,
• обладал способностью распознавать ошибки,
• обладал низкой стоимостью реализации.

Более узкий спектр сигналов позволяет на одной и той же линии(с одной и той же полосой пропускания) добиваться более высокой передачи данных. Кроме того, часто к спектру сигнала предъявляется требование отсутствия постоянной составляющей, то есть наличия постоянного тока между передатчиком и приемником. В частности, применение различных трансформаторных схем гальванической развязки препятствует прохождению постоянного тока.

Рисунок 7.2 Различные сигналы РСМ

Синхронизация передатчика и приемника нужна для того, чтобы приемник точно знал, в какой момент времени необходимо считывать новую информацию с линии связи. На небольших расстояниях хорошо работает схема, основанная на отдельной тактирующей линии связи, так что информация снимается с линии только в момент прихода тактового импульса. Однако на больших расстояниях неоднородности характеристик канала связи приводит к неравномерности скорости распространения сигнала и, следовательно, нарушению синхронизирующих свойств тактирующих импульсов. Кроме того, экономия проводников в дорогостоящих кабелях заставляет отказываться от использования дополнительной линии тактирующих импульсов. В этой связи важное значение имеет свойство самосинхронизации кодов канала, когда сигналы РСМ несут для приемника указанная о том, в какой момент времени нужно осуществлять распознавание очередного бита. Любой резки перепад сигнала – фронт – может служить хорошим указанием для синхронизации.

Сигналы РСМ делятся на четыре группы:

Без возврата к нулю (nonreturn – to- zero – NRZ)

C возвратом к нулю (return – to- zero – RZ)

Фазовое кодирование

Многоуровневое бинарное кодирование