Файл: Основные понятия и определения электросвязи.pdf

65
В зависимости от способа модуляции на передаче в приемнике осуществляется амплитудное, частотное или фазовое детектирование.
Соответственно этому существуют амплитудные, частотные и фазовые детекторы. Детектирование сигналов с импульсной несущей осуществляется специальными демодуляторами.
Поскольку цель детектирования состоит в том, чтобы получить низкочастотный сигнал из модулированного колебания, спектр которого содержит только высокочастотные компоненты, линейные цепи для детектирования непригодны. В большинстве случаев детекторы представляют собой нелинейные цепи.
К детекторам АМ сигналов предъявляется требование: постоянная составляющая тока или напряжения на выходе детектора должна зависеть от амплитуды гармонического колебания на его входе.
На рисунке 8.7а приведена наиболее распространенная схема, применяемая для детектирования АМ сигналов. Основным элементом этой схемы является полупроводниковый диод VD. ВАХ диода аппроксимирована отрезками прямых (рисунок 8.7а). К входу цепи подключен источник напряжения
????
АМ
???? , изображенный на рисунке 8.8в. Под действием этого напряжения выходной ток диода (рисунок 8.8б) представляет собой импульсы, следующие с частотой несущей
????
н
, амплитуда которых изменяется при изменении огибающей входного напряжения.
u
АМ
(t)
u
д
(t)
R
C
u
вы
х(
t)
u
`
вы
х(
t)
C
p
)
(t
i
д
VD
Линейный
детектор
U
0вых
U
m
Квадра-
тичный
детектор
Рисунок 8.7– Схема амплитудного детектора (а), характеристика детектирования (б)
В составе спектра импульсов тока диода содержатся:
- постоянная составляющая;
- несущая частота;
- гармоники несущей частоты;
- комбинационные частоты;
- низкочастотные компоненты.
Изменения постоянной составляющей тока диода пропорциональны амплитуде входного напряжения
????
АМ
???? .
Зависимость постоянной а) б)

66 составляющей тока от времени
????
0
???? показана штрихпунктирной линией на графике выходного тока диода (рисунок 8.8б).
i
u
u
AM
(t)
t
u
вых
(t)
u′
вых
(t)
t
t
t
i
д
(t)
I
m
I
0
(t)
Рисунок 8.8 – Детектирование АМ сигналов: а) - ВАХ, б) - выходной ток диода, в) - входной АМ сигнал, г) - выходное напряжение, д) - выходное напряжение без постоянной составляющей
Для выделения низкочастотных составляющих последовательно с нелинейным элементом включена цепь RC. Емкость C выполняет роль фильтра нижних частот. Элементы RC выбираются исходя из условия:
1
????
н
≪ ???? ≪
1
Ω
, где Ω- частота модулирующего гармонического колебания. Тогда выходное напряжение детектора
????
вых
???? будет создаваться только низкочастотными составляющими тока, а все высокочастотные составляющие окажутся отфильтрованными (рисунок 8.8г). Чтобы убрать постоянную составляющую
????
0вых
из напряжения
????
вых
???? сигнал с выхода детектора подают через разделительный конденсатор
р
. График
????
вых
′
???? на рисунке 8.8д показывает форму выходного напряжения без постоянной составляющей.
Амплитудные детекторы могут работать в режиме линейного и квадратичного детектирования. Если ВАХ нелинейного элемента может быть аппроксимирована полиномом второй степени, то детектор называют квадратичным. Указанный вид аппроксимации является достаточно точным для небольших участков характеристики при малых амплитудах входного напряжения (не более 100…300 мВ). Недостатком квадратичного а) б) в) г) д)

67 детектирования являются нелинейные искажения, которые вызывают искажения формы продетектированного сигнала.
Диодный детектор является линейным в случае достаточно больших амплитуд входного сигнала (более 500…1000 мВ), когда пригодна кусочно- линейная аппроксимация его характеристики. В этом случае детектирование происходит без искажений.
Режим работы детектора можно показать с помощью характеристики детектирования: зависимости постоянной составляющей выходного напряжения
????
0вых
от амплитуды сигнала на входе
????
????
(рисунок 8.8б).
Наряду с амплитудным, используется синхронное детектирование, которое основано на перемножении AM сигнала и колебаний опорного генератора, совпадающего по частоте и фазе с несущей AM сигнала, с последующим выделением низкочастотных составляющих с помощью ФНЧ.
При синхронном детектировании сигналов с балансной и однополосной модуляцией возникают принципиальные трудности в получении синфазного опорного напряжения. Это связано с тем, что в спектре этих сигналов несущая отсутствует. Находят применение два технических решения:
- вместе с однополосным модулированным сигналом передается пилот- сигнал, представляющий собой остаток несущей. Пилот-сигнал используется в приемнике для системы фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ) опорного генератора;
- для детектирования используется высокостабильный генератор несущей.
Контрольные вопросы:
1. Перечислите параметры, которыми характеризуется любое гармоническое колебание.
2. Дайте определения АМ колебания.
3. Почему амплитудная модуляция относится к нелинейным процессам?
4. Изобразите спектры модулирующего сигнала и АМ колебания.
5. Что такое детектирование?
6. Приведите схему амплитудного детектора на диоде.
7. Что такое детекторная характеристика?
8. Что вы знаете о квадратичном детектировании? В чем его недостатки?
9. В каком случае диодный детектор является линейным?
10. Как выбирается нагрузка диодного детектора?
11. Поясните процесс угловой модуляции.
12. Приведите временные диаграммы ЧМ и ФМ колебания при треугольной форме модулирующего сигнала.
13. В чем отличие частотной модуляции от фазовой?
14. Изобразите спектр модулированного сигнала при угловой модуляции.
15. Дайте определение девиации частоты. На что влияет ее величина.

68
Раздел 9 Цифровые виды модуляции
Импульсно-кодовая модуляция (ИКМ; английский термин –Pulse Code
Modulation, PCM) обеспечивает преобразование непрерывного сигнала в цифровой и осуществляется с помощью трех операций:
- дискретизация по времени;
- квантование по уровню;
- кодирование.
Они осуществляются в устройстве, называемом аналого-цифровым преобразователем (АЦП) и содержащем дискретизатор, квантователь и кодер.
Обычно квантователь и кодер совмещаются в одном устройстве.
Дискретизация – представление непрерывного сигнала эквивалентной ему по информационному содержанию последовательностью дискретных отсчетов (выборок). Дискретизация осуществляется на основе теоремы
В.А.Котельникова:
непрерывный сигнал с ограниченным высшей частотой F
max
спектром
может быть представлен последовательностью дискретных отсчетов,
величина которых равна или пропорциональна мгновенным значениям сигнала в
соответствующие моменты времени, причем частота дискретизации
должна удовлетворять требованию:
????
д
≥ 2????
????????????
.
Частоте дискретизации соответствует интервал (период) дискретизации
∆???? ≤ 1/(2????
????????????
) .
Совокупность полученных дискретных отсчетов представляет собой
АИМ сигнал. На рисунке 9.1изображены исходный аналоговый сигнал (а) и дискретизированный сигнал (б). Для формирования дискретных отсчетов можно использовать электронный ключ, который через интервал Δt замыкается на короткое время.
Квантование – придание величинам импульсов «округленных»
(квантованных) значений, то есть, формирование дискретного и по уровню сигнала из дискретного по времени. При квантовании по уровню весь возможный динамический диапазон сигнала от
????
????????????
до ????
????????????
разбивается на разрешенные уровни (уровни квантования). Совокупность уровней квантования называется шкалой квантования. Разность между двумя ближайшими уровнями квантования называется шагом квантования
∆. Если амплитуда отсчета сигнала
????
АИМ
???? в пределах двух соседних разрешенных значений превышает половину шага квантования ∆/2, ее значение увеличивается в большую сторону, если меньше половины шага квантования – в меньшую сторону. Таким образом, получается сигнал, квантованный по уровню –
????
кв
???? . На рисунке 9.1в изображен квантованный по уровню АИМ-сигнал, горизонтальными линиями показаны уровни квантования, отмечен шаг квантования
∆. Обычно уровни квантования
―нумеруют‖, это дает возможность передавать не сами уровни, а их значения по шкале уровней в двоичном коде.

69

70
Из-за округления в процессе квантования возникает погрешность, поскольку квантованное значение отсчета отличается от истинного. Эта погрешность является специфической помехой любого АЦП и называется ошибкой квантования.
Ошибка равномерного квантования представляет собой случайную последовательность импульсов (рисунок 9.1г), максимальное значение которых не превышает половины шага квантования
????
????
=
∆
2
. Из выражения следует, что амплитуда импульсов шума квантования зависит от шага квантования, который в свою очередь определяется числом уровней квантования. Увеличивая число уровней квантования, можно уменьшить ошибку квантования.
Кодирование – процесс преобразования дискретных по уровню и времени сигналов в код (обычно двоичный). Существуют способы кодирования:
- непосредственное - квантованные отсчеты преобразуются в двоичные кодовые комбинации, обозначающие номер соответствующего отсчету уровня квантования. Реализуется при импульсно-кодовой модуляции;
- разностное (кодирование с предсказанием) - кодируются разности истинного и предсказанного (обычно предшествующего) значений сигналов.
Реализуется при дифференциальной ИКМ (ДИКМ), дельта-модуляции (ДМ).
Кодовые комбинации передаются за время равное периоду дискретизации и при двоичном коде содержат
????символов:
???? = ????????????
2
????, где
???? =
????
????????????
−????
????????????
∆
+ 1 - число уровней квантования;
????
????????????
− ????
????????????
- соответственно максимальное и минимальное значения амплитуд импульсов квантованного сигнала.
Если
???? - не целое, то оно округляется до целого в большую сторону.
Для приведенного на рисунке 9.1 примера формирования сигнала ИКМ, разрядность кода:
???? = 4. Преобразование номера уровня квантования ????
кв в последовательность двоичных символов осуществляется с помощью полинома:
????
кв
= ????
????
????
????=1 2
????−????
= ????
1
∙ 2
????−1
+ ????
2
∙ 2
????−2
+ ????
3
∙ 2
????−3
+ … + ????
????
∙ 2
????−????
(9.1) где
????
0
…
????
????
– кодовые символы разрядов, принимающие значение 0 или 1;
2
????−1
… 2
????−????
- вес соответствующего разряда.
Для значения разрядности кода
???? = 4 формула (9.1) принимает вид:
????
кв
= ????
1
∙ 2 3
+ ????
2
∙ 2 2
+ ????
3
∙ 2 1
+ ????
4
∙ 2 0
Пример кодирования:
????
кв
= 9 = 1 ∙ 8 + 0 ∙ 4 + 0 ∙ 2 + 1 ∙ 1 ⟹ 1001.
Сигнал ИКМ, полученный с помощью данного преобразования, изображен на рисунке 9.1д.
С количеством символов в кодовой комбинации связано качество преобразования сигнала и скорость цифрового сигнала на выходе АЦП:
???? = ????
д
∙ ????, бит/с.
Скорость цифрового сигнала определяет его ширину спектра:
???????? = ????, Гц.

71 t
Дифференциальная импульсно-кодовая модуляция (ДИКМ) – является разностным методом аналого-цифрового преобразования, при котором кодируются и передаются величины разностей между мгновенными значениями исходного сигнала и их предсказаниями. Значения сигнала предсказания вычисляются по предыдущим значениям исходного сигнала: предсказанное значение сигнала в i-ый тактовый момент принимается равным значению сигнала в предыдущий тактовый момент. Осуществляя квантование и кодирование разностей соседних отсчетов, получают цифровой ДИКМ сигнал.
Частота дискретизации при ДИКМ берется такой же, что и при ИКМ.
Особенности формирования сигнала при ДИКМ объясняются на рисунке 10.1, где
????
′
(????) - исходный аналоговый сигнал, ???? (????) – сигнал предсказания,
∆????
АИМ
(????) – дискретизированный разностный сигнал, который затем кодируется (график
∆????
ДИКМ
(????)) и передается по линии.
Рисунок 10.1 - Принцип формирования ДИКМ сигнала
Как видно из рисунка, амплитуды разностей отсчетов меньше амплитуд самих отсчетов, поэтому при одинаковом шаге квантования число разрядов кодовой группы при ДИКМ меньше, чем при ИКМ. Уменьшение числа разрядов в кодовой группе при ДИКМ снижает скорость передачи цифрового потока и, следовательно, уменьшает требуемую полосу частот линии передачи.
Дельта-модуляция представляет собой вариант ДИКМ, где для кодирования разностного сигнала используется только один бит. Период дискретизации выбирается существенно меньше, чем при ИКМ:
???? ≪
1 2????
????????????
. В этом случае различие между соседними отсчетами исходного непрерывного
???? (????)
????
′
(????)
∆????
ДИКМ
(????)
∆????
АИМ
(????)
????(????)
t t

72 сигнала уменьшится, и не будет превышать минимального шага квантования Δ, определенного для систем с ИКМ. Поэтому за каждый период дискретизации достаточно передавать в цифровом виде информацию о приращении разности последующего отсчета по отношению к предыдущему. Если последующий отсчет больше предыдущего, то формируется +1, если последующий отсчет меньше предыдущего, то в линию передается -1. На рисунке 10.2
????
′
(????) - исходный аналоговый сигнал,
???? (????) - сигнал предсказания, ????
ДМ
(????) – дельта-код.
Рисунок 10.2 - Принцип формирования ДМ сигнала
Контрольные вопросы:
1. Какие необходимы операции для преобразования непрерывного сигнала в цифровой?
2. Суть теоремы В.А.Котельникова.
3. Что из себя представляет сигнал ИКМ?
4. Как разбивается непрерывный сигнал при квантовании?
5. Что такое шаг квантования?
6. Как определить число уровней квантования?
7. Какие существуют способы кодирования?
8. В чем сущность ДИКМ?
9. Как определить частоту дискретизации для ДИКМ?
10. Особенности формирования сигнала при ДИКМ
11. Отличия дельта-модуляции от ДИКМ
????(????)
????
′
(????)
???? (????)
????
ДМ
(????)
t t