Типы сигналов PCM

Импульсно-кодовая модуляция.

Цель работы: изучить основные понятия и термины, связанные с импульсной передачей информации в системах цифровой радиосвязи.

Теоретические сведения.

Импульсно-кодовая модуляция

Импульсно-кодовая модуляция (pulse-code modulation — РСМ) — это название, данное классу низкочастотных сигналов, полученных из сигналов РАМ путем коди­рования каждой квантованной выборки цифровым словом. Исходная информация дискретизируется и квантуется в один из L уровней; после этого каждая квантован­ная выборка проходит цифровое кодирование для превращения в l -битовое (l = log₂ L) кодовое слово. Для низкочастотной передачи биты кодового слова преоб­разовываются в импульсные сигналы. Например, каждая двоичная единица представляется импульсом, а каждый двоичный нуль — отсутствием импульса. Таким образом, последовательность электри­ческих импульсов может использоваться для передачи информации двоичного потока РСМ, а значит информации, закодированной в кван­тованных выборках сообщения.

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 выгодно делать как можно больше. Чтобы не описывать сигнал как последователь­ность импульсов и их отсутствий (униполярное представление), возможно 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.

Типы сигналов PCM

При применении импульсной модуляции к двоичному символу получается двоичный сигнал, называемый сигналом с импульсно-кодовой модуляцией (pulse-code modulation — РСМ). Существует несколько групп РСМ-модулированных сигналов.

1. Без возврата к нулю (nonreturn-to-zero - NRZ)

2. С возвратом к нулю (return-to-zero – RZ)

3. Фазовое кодирование

4. Многоуровневое бинарное кодирование

Самыми используемыми сигналами РСМ являются сигналы в кодиров­ках NRZ. Группа кодировок NRZ включает следующие подгруппы: NRZ-L (L = level — уровень), NRZ-M (М = mark — метка) и NRZ-S (S = sрасе — пауза). Кодиров­ка NRZ-L (nonreturn-to-zero level — без возврата к нулевому уровню) широко исполь­зуется в цифровых логических схемах. Двоичная единица в этом случае представляет­ся одним уровнем напряжения, а двоичный нуль — другим.

Изменение уровня происходит всякий раз при переходе в последовательности переда­ваемых битов от нуля к единице или от единицы к нулю. При использовании коди­ровки NRZ-М двоичная единица, или метка (mark), представляется изменением уровня, а нуль, или пауза (space), — отсутствием изменения уровня. Такая кодировка часто называется дифференциальной. Кодировка NRZ-S является обратной к кодировке NRZ-М: двоичная единица представляется отсутствием изменения уровня, а двоич­ный нуль — изменением уровня.

Группа кодировок RZ включает униполярную кодировку RZ, биполярную коди­ровку RZ и кодировку RZ-АМI. Эти коды применяются при низкочастотной передаче данных и магнитной записи. В униполярной кодировке RZ единица представляется наличием импульса, длительность которого составляет половину ширины бита, а нуль — его отсутствием. В биполярной кодировке RZ единицы и нули представляются импульсами противоположных уровней, длительность каждого из которых также со­ставляет половину ширины бита. В каждом интервале передачи бита присутствует им­пульс. Кодировка RZ-АМI (АМI = аlternate mark inversion — с чередованием полярно­сти) — это схема передачи сигналов, используемая в телефонных системах. Единицы представляются наличием импульсов равных амплитуд с чередующимися полярностя­ми, а нули — отсутствием импульсов.

Группа фазового кодирования включает следующие кодировки: bi-φ-L (bi-phase-level — двухфазный уровень), более известная как манчестерское кодирование (Manchester encoding); bi-φ-М (bi-phase-mark); bi-φ-S (bi-рhаse-sрасе); и модуляция задержки (delay modulation — DМ), или кодировка Миллера. Схемы фазовых кодировок используются в системах магнитной записи и оптической связи, а также в некоторых спутниковых теле­метрических каналах передачи данных. В кодировке bi-φ-L единица представляется им­пульсом, длительностью в половину ширины бита, расположенным в первой половине ин­тервала передачи бита, а нуль — таким же импульсом, но расположенным во второй поло­вине интервала передачи бита. В кодировке bi-φ-M в начале каждого интервала передачи бита происходит переход. Единица представляется вторым переходом в середине интерва­ла, нуль — единственным переходом в начале интервала передачи бита. В кодировке bi-φ-S в начале каждого интервала также происходит переход. Единица представляется этим единственным переходом, а для представления нуля необходим второй переход в середине интервала. При модуляции задержки единица представляется переходом в середине ин­тервала передачи бита, а нуль — отсутствием иных переходов, если за ним не следует дру­гой нуль. В последнем случае переход помещается в конец интервала передачи первого ну­ля.

Многие двоичные сигналы для кодировки двоичных данных используют три уровня, а не два. К этой группе относятся сигналы в кодировках RZ и RZ-АМI. Кроме того, сюда входят схемы, называемые дикодной (dicode) и двубинарной кодировкой (duobinary). При дикодной кодировке NRZ переходы в передаваемой информации от единицы к нулю и от нуля к единице меняют полярность импульсов; при отсутствии переходов передается сиг­нал нулевого уровня. При дикодной кодировке RZ переходы от единицы к нулю и от нуля к единице вызывают изменение полярности, длительностью в половину интервала им­пульса; при отсутствии переходов передается сигнал нулевого уровня.

Причина разнообразия кодировок заключается в отличии произ­водительности, которая характеризует каждую кодировку. При выборе кодировки РСМ внимание следует обращать на следующие параметры.

1. Постоянная составляющая. Удаление из спектра мощностей постоянной состав­ляющей позволяет системе работать на переменном токе. Системы магнитной записи или системы, использующие трансформаторную связь, слабо чувстви­тельны к гармоникам очень низких частот. Следовательно, существует вероят­ность потери низкочастотной информации.

2. Автосинхронизация. Каждой системе цифровой связи требуется символьная или битовая синхронизация. Некоторые кодировки РСМ имеют встроенные функции синхронизации, помогающие восстанавливать синхронизирующий сигнал. На­пример, манчестерская кодировка включает переходы в середине каждого интервала передачи бита, вне зависимости от передаваемого знака. Этот гарантиро­ванный переход и может использоваться в качестве синхронизирующего сигнала.

3. Выявление ошибок. Некоторые схемы, такие как двубинарная кодировка, предла­гают средство выявления информационных ошибок без введения в последова­тельность данных дополнительных битов выявления ошибок.

4. Сжатие полосы. Такие схемы, как, например, многоуровневые кодировки, по­вышают эффективность использования полосы, разрешая уменьшение полосы, требуемой для получения заданной скорости передачи данных; следовательно, на единицу полосы приходится больший объем передаваемой информации.

5. Дифференциальное кодирование. Этот метод позволяет инвертировать полярность сигналов в дифференциальной кодировке, не затрагивая при этом процесс детек­тирования данных. Это большой плюс в системах связи, в которых иногда про­исходит инвертирование сигналов.

6. Помехоустойчивость. Различные типы сигналов РСМ могут различаться по вероятно­сти появления ошибочных битов при данном отношении сигнал/шум. Некоторые схемы более устойчивы к шумам, чем другие. Например, сигналы в кодировке NRZ имеют лучшую достоверность передачи, чем сигналы в униполярной кодировке RZ.