Преобразования сигналов в каналах связи

Преобразование сообщения в радиосигнал в системах связи осуществляет­ся в виде двух операций — кодирования и модуляции. С помощью кодирования и модуляции источник сообщений согласуется с каналом связи. В приемных устройствах выполняются обратные преобразования – демодуляция и декодирование.

 

Модуляция

Для передачи сообщений по каналам связи используется явление модуляции. Модуляция - это изменение одного или нескольких параметров сигнала переносчика под действием сигнала сообщения. В качестве переносчика (модулируемого сигнала) могут использоваться высокочастотные гармонические колебания вида:

,

которые характеризуются амплитудой , частотой  и фазой . Под действием сигнала сообщения (модулирующего сигнала) может изменяться один из этих параметров: амплитуда, частота или фаза. Тогда имеет место, соответственно, амплитудная (АМ), частотная (ЧМ) и фазовая (ФМ) модуляции.

В качестве переносчика может также использоваться периодическая последовательность импульсных сигналов, которые характеризуются амплитудой, периодом (частотой) колебаний, длительностью и временным положением импульса. Таким образом, возможны четыре основных вида импульсной модуляции: амплитудно-импульсная (АИМ) – по закону модулирующего сигнала меняется амплитуда импульса, частотно-импульсная (ЧИМ) – меняется период, широтно-импульсная (ШИМ) – меняется длительность, и время-импульсная (ВИМ) – меняется положение импульса по временной оси. (Подробно о видах модуляции в разделах 8-14).

В случае аналоговых систем связи модуляция достаточна для передачи сигналов по каналам связи. В цифровых системах передачи сообщение сначала кодируется и только затем осуществляется модуляция, при которой меняется один из параметров переносчика по закону, определяемый кодированным сигналом.

 

Кодирование

 В дискретных (цифровых) системах передачи аналоговый сигнал необходимо до модуляции перевести в цифровой код. Такой перевод достаточно сложен и охватывает три взаимосвязанных последовательных процессов:

- дискретизация во времени, при которой берут мгновенные отсчеты  непрерывного сигнала через равные промежутки времени  (рис.3.1), называемым шагом дискретизации. Временные интервалы определяются теоремой Котельникова (см. раздел 5.5), в соответствие с которой

, где - верхняя граничная частота в спектре аналогового сигнала; 

 

Рис. 3.2. Дискретизация непрерывного сигнала во времени

 и квантование по уровню. 

 

- квантование отсчетных значений по уровню, при котором отсчетные значения заменяются счетным числом уровней через интервалы  (рис.3.1), называемым шагом квантования;

- собственно кодирование, при котором число уровней представляется с помощью определенного кода.

Вопрос кодирования, являющийся актуальным в современных цифровых системах передачи, рассмотрим несколько подробно. В теории передачи информации под кодированием понимают преобразование сообщений дискретного источника для передачи их по дискретным каналам связи. Простейшим примером дискретного сообщения является текст. Любой текст представляет собой определенное число элементов: букв, цифр, знаков препинания. Их совокупность называется алфавитом источника сообщения. Поскольку число элементов в каждом алфавите конечно, то их можно пронумеровать, т. е. закодировать, и тогда передача сообщения сведется к передаче последовательности чисел. В частности, для передачи всех 32 букв русского алфавита необходимо передать числа от 0 до 31. Чтобы передать любое число, записанное в десятичной форме, требуется передача десяти цифр — от 0 до 9. Теоретически для этого нужны десять элементарных сигналов, отражающих различные цифры. Система передачи дискретных сообщений существенно упрощается, если для кодирования применяется двоичная система исчисления. Кратко остановимся на системах позиционного исчисления, которые находят практическое применение при кодировании сообщений.

Любое число  в позиционной системе исчисления может быть представлено в виде:

,

где -основание кода, -разрядность кодирования (любая), -числа, которые могут принимать значения 0,1,2… -1.

Основанием кода в десятичной системе является число 10. Форма записи числа в десятичной системе счисления имеет следующий вид:

,

при этом  - значение символа в соответствующем разряде, может принимать значения от 0 до 9.

Например, число 582 с помощью трех десятичных разрядов запишется как: N= 582 = 5·10²+ 8·10¹ + 2·10°.

При использовании десятичной системы счисления для образования кода требуется, как было сказано выше, десять различных импульсов, например отличающихся амплитудой, длительностью и т. д. Такое представление кодов в теории связи применяют редко, поскольку для образования и его распознавания требуется сложная аппаратура.

Для передачи последовательности элементов сообщения по каналу связи наиболее удобно преобразовать их в последовательность двоичных чисел, для передачи последних достаточно передавать всего лишь два различных сигнала. В частности, двоичные числа могут передаваться колебаниями с различными частотами либо импульсами тока (напряжения) разной полярности или амплитуды. При этом для образования и обработки двоичного кода могут быть использованы простые двоичные цифровые элементы, имеющие всего два состояния: единица и ноль.

       Целое число в двоичной системе счисления может быть представлено в виде:     

                          ,

при этом  коэффициенты   принимают лишь два значения: 0 и 1. Например, число 582 в двоичной системе запишется в виде:

N= 1·2⁹ + 0 ·2⁸ + 0 ·2⁷ + 1 ·2⁶ + 0·2⁵ + 0·2⁴ + 0·2³ + 1·2²+1·2¹ + 0 ·2°,

т.е. числу 582 в десятичной системе соответствует число в двоичной системе: 1001000110. Последнее принято называть кодом числа в двоичной системе счисления. Двоичная система счисления широко применяется при кодировании дискретных сообщений благодаря своей простоте и компактности.

Цифровые системы передачи, в которых непрерывный сигнал подвергается дискретизации во времени, квантованию по уровню и кодированию двоичным кодом, называются системами с импульсно-кодовой модуляцией (ИКМ), находящих самое широкое применение в системах связи.