6.3. Цифровые методы передачи непрерывных сообщений

Для передачи непрерывных сигналов можно использовать дискретный канал, преобразуя непрерывный сигнал в цифровой с помощью АЦП, а на приемной стороне цифровой сигнал в непрерывный с помощью ЦАП.

Применение цифровых систем передачи (ЦСП) дает возможность объединения различных видов связи на единой цифровой основе, а также широко использовать современную элементную базу, обеспечивая стабильность характеристик, надежность, и хорошие массо-габаритные показатели.

6.3.1. Передача сигналов с импульсно-кодовой модуляцией

Принцип АЦП на основе импульсно-кодовой модуляции (ИКМ) включает дискретизация во времени, квантование по уровню (амплитуде) и кодирование [5, 6, 18, 20, 21].

Процесс формирования ИКМ сигнала поясним с помощью упрощенной структурной схемы (рис.6.8) и временных диаграмм (рис. 6.9).

Дискретизация заключается в том, что непрерывный сигнал  (рис. 6.9,а) заменяется отсчетами  (на рис. 6.9,б), следующими через одинаковые интервалы времени . Например, для речевого сигнала, где , принят стандартный интервал , .

Процесс дискретизации эквивалентен импульсной модуляции. Для примера на рис. 6.9,б приведен случай АИМ.

Различают равномерное и неравномерное квантование. При квантовании устанавливается количество уровней  разрешенных для передачи.

Процесс квантования состоит в следующем текущие значения сигнала соответствующее моменту отсчета  заменяется ближайшим дискретным значением  (уровнем), такая операция подобна округлению и приводит к ошибке:

,

где    – шум квантования, величина которого обычно считается случайной, равномерно распределенной в пределах . Дисперсия шума квантования .

Разницу между двумя соседними уровнями  и  называют шагом квантования:

.

При равномерном квантовании шаг квантования  имеет постоянную величину. В системе ИКМ с равномерным квантованием как большие, так и малые сигналы кодируются с одним и тем же шагом квантования. Если выбор шага квантования был ориентирован на малые сигналы, то для больших сигналов создается избыточное качество воспроизведения. Кроме того, вероятность появления больших сигналов мала. По этим причинам можно считать, что выбранная разрядность кода  не всегда используется эффективно.

Можно реализовать более высокую точность передачи, если применить неравномерное квантование, предполагающее для больших значений входных сигналов увеличение шага квантования. Выбор характеристики квантователя позволяет добиться одинакового качества восстановления сигналов как малой, так и большой величины.

Трудности реализации неравномерного квантования устраняются предварительным нелинейным преобразованием – компрессией («сжатием») аналогового сигнала.

Компрессированные отсчеты сигнала затем подвергаются равномерному квантованию. Для компенсации нелинейного искажения отсчетов на приемной стороне осуществляют их обратное преобразование – экспандирование («растяжение»). Совместный процесс компрессирования и экспандирования называется компандированием сигнала.

Таким образом, компандирование обеспечивает передачу с меньшими шумами квантования сигналов, обладающих малой средней мощностью (с большим пикфактором), например речевых.

При кодировании происходит преобразование квантованных значений  в  разрядные кодовые комбинации. Например, при количестве уровней , в десятичной системе счисления этим уровням соответствуют номера от 0 до 7 (рис. 6.9,в). В двоичной системе счисления им соответствуют трехразрядные кодовые комбинации, в данном случае от 000 до 111 (рис. 6.20,в). Полученная импульсная последовательность представлена на рис. 6.9,г.

Повышение разрядности, во-первых, связано с определенными трудностями технической реализации быстродействующих многоразрядных кодеков и, во-вторых, требует значительного увеличения пропускной способности систем связи, что не всегда возможно. Преодоление указанных трудностей возможно, например, за счет применения неравномерного квантования.