Материал: Темы по Котелку и ИКМ



^a2

2

^a1

2



a

2



S_x()

_a₁

2



S_x(_д)



a₂

2

(3.5)

Спектр АИМ сигнала в соответствии с формулой (3.5) принимает вид, показанный на рис.3.11.



-2_д -  _д - _в 0 _в _д 2_д 

Рис.3.11

4. Восстановление непрерывного сигнала из отсчётов.

В линию связи передаются импульсы-отсчёты, которые поступают на вход приёмника.

Для восстановления исходного непрерывного сигнала из импульсов- отсчётов надо эти импульсы подать на вход идеального фильтра низких частот (ИФНЧ), который имеет следующие характеристики.

Амплитудно-частотная характеристика идеального ФНЧ (АЧХ ИФНЧ) имеет вид:

- _д 0 _д 

Рис.3.12

Импульсная реакция ИФНЧ, т.е. реакция на дельта-импульс имеет вид:

^g ИФНЧ

( t )  K

sin



t

 _в t

_в t

 _в t  k 

(3.6)

t  k



^ верх

 k  t

Первая формула - это выражение для импульсной реакции ИФНЧ, вторая и третья формулы определяют моменты времени, для которых

g _ИФНЧ(t) обращается в ноль.

Cо спектральной точки зрения мы пропускаем дискретизированный сигнал, имеющий спектр в соответствии с рис.3.9 или 3.11, через ИФНЧ с АЧХ рис.3.12. Очевидно, что на выходе ИФНЧ получим спектр:

S()= K S_д() = K S_x() /t;

или для АИМ сигнала получим: S()= KS_д() = K a₀S_x() /2.

Таким образом, с точностью до постоянного множителя мы получили на выходе ИФНЧ спектр исходного сигнала x(t). С временной точки зрения мы получили исходный непрерывный сигнал x(t).

5. Погрешности дискретизации и восстановления

непрерывных сигналов.

Теорема Котельникова точно справедлива только для сигналов с финитным (конечным) спектром. На рис.3.14 показаны некоторые варианты финитных спектров:

0 _в 

Рис.3.14.

Однако спектры реальных информационных сигналов бесконечны. В этом случае теорема Котельникова справедлива с погрешностью.

0 _в 

Рис.3.15.

Погрешность дискретизации определяется энергией спектральных составляющих сигнала, лежащих за пределами частоты _в.

д

 _

 _ S _x

_в

2

( ) d

(3.7)

Вторая причина возникновения погрешностей - неидеальность восстанавливающего ФНЧ.

Т.о. погрешность дискретизации и восстановления непрерывного сигнала определяется следующими причинами:

1. Спектры реальных сигналов не финитны.

2. АЧХ реальных ФНЧ неидеальны.

Например, если в качестве ФНЧ использовать RC- фильтр, то восстановленный сигнал на его выходе будет иметь вид:

Рис.3.16.

с учетом того, что импульсная реакция RC-фильтра равна:

g _RC (t ) 

_{1 } t

_e RC

RC

Вывод: чем выше ^_в

и чем ближе характеристики ФНЧ к идеальным, тем

ближе восстановленный сигнал к исходному.

Вопросы для самопроверки.

1. Какие сигналы называются непрерывными? 2.Какие сигналы называются дискретными?

3. Сформулируйте теорему Котельникова.

4. Рассчитайте и постройте спектр дискретизированного сигнала.

5. Рассчитайте и постройте спектр сигнала АИМ.

6. Как восстановить непрерывный сигнал из отсчетов?

7. Чем определяются погрешности дискретизации и восстановления сигналов?

2. Импульсно - кодовая модуляция (икм)

2.1.Аналого-цифровой преобразователь (ацп)

  Непрерывные (аналоговые) сигналы могут принимать в любой момент времени сколь угодно близкие друг другу значения. Пример непрерывного сигнала - гармоническое колебание. На рисунке 2.1 отмечен уровень 0,7 вольт. Но данный сигнал принимает значения и 0,71 вольт, и 0,701 вольт, т.е. значения, сколь угодно близкие к 0.7 в.

Рис.2.1

Дискретные сигналы принимают в определенные (тактовые) моменты времени определенные значения, отличающиеся одно от другого на конкретную величину. Пример дискретного сигнала - двоичный (бинарный) сигнал. Он принимает только два значения 0 и 1 (рис.2.2.).

Рис.2.2.

В общем случае дискретный сигнал может принимать m значений (m-ичный сигнал). На следующем рис.2.3 приведена временная диаграмма троичного сигнала (он может принимать три значения: 0, +1, -1).

Рис.2.3.

Сигнал ИКМ - это двоичный сигнал, однозначно соответствующий исходному аналоговому сигналу. Устройство, преобразующее аналоговый сигнал в цифровой, называют аналого-цифровым преобразователем (АЦП).

Рассмотрим процесс формирования сигнала ИКМ по рис. 2.4.

Переход от непрерывного сигнала к сигналу ИКМ включает три основные операции:

1. Дискретизация исходного непрерывного сигнала х(t), показанного на рис.2.4.а в соответствии с теоремой Котельникова; интервал дискретизации равен:

, (2.1)

если ω_в=2πF_в - ширина спектра исходного сигнала. В результате дискретизации получим сигнал х_д(t), показанный на рис.2.4.б.

Теорема котельникова

ЛЮБАЯ НЕПРЕРЫВНАЯ ФУНКЦИЯ, НЕ СОДЕРЖАЩАЯ ЧАСТОТ ВЫШЕ ω_в=2πF_в , ПОЛНОСТЬЮ ОПРЕДЕЛЯЕТСЯ

Своими отсчетами, взятыми через интервал времени т, равный

2) Квантование по уровню импульсов-отсчетов. Диапазон допустимых значений x(t) разбивается на разрешенные уровни – уровни квантования. Операция квантования состоит в том, что вместо истинного значения амплитуды импульса передается ближайший разрешенный уровень. Пусть уровни квантования 0,1,2,3 и т.д. вольт. Тогда вместо 0,2 вольт передаем 0; вместо 1,4 вольт - 1 вольт и т.д. В результате квантования получим сигнал х_кв(t), показанный на рис.2.4.в.

а)

Х_д(t)

б)

в)

г)

Рис.2.4.

3) Кодирование квантованных импульсов - отсчетов. Кодирование состоит в том, что вместо квантованного уровня передается комбинация кодовых символов. Если код – двоичный, то символами кода являются 1 и 0. Количество различных символов, которые образуют кодовые комбинации, называется основанием кода m. Количество символов в кодовой комбинации называется длиной кодовой комбинации n. Общее количество кодовых комбинаций равно N=mⁿ . Примитивное кодирование состоит в том, что номер уровня квантования записывается двоичным числом, т.е. в виде двоичной кодовой комбинации (m=2). Предположим, что комбинация состоит из трех импульсов n=3. Тогда десятичным номерам уровней соответствуют следующие двоичные числа:

0=000, 1 = 001; 2 = 010; 3 = 011; 4 = 100; 5=101; 6=110; 7=111.

В результате кодирования мы получили двоичный сигнал ИКМ х_ИКМ(t) на рис.2.4.г, однозначно соответствующий исходному непрерывному сигналу х(t) с заданной точностью.

Сигнал ИКМ передается в линию связи и поступает на вход приемника. Для восстановления на приемной стороне исходного непрерывного сигнала выполняются следующие операции:

1. Декодирование принятых кодовых комбинаций; т.е. принятая двоичная комбинация превращается в соответствующее десятичное число: 000 превращается в 0 вольт, 001 в 1 вольт, 010 в 2 вольта, 011 в 3 вольта ….и т.д. 111 в 7 вольт.

2. Полученные импульсы – отсчеты подаются на вход восстанавливающего фильтра, который теоретически должен быть идеальным фильтром нижних частот (ИФНЧ).

На выходе этого ИФНЧ получим с заданной точностью исходный непрерывный сигнал . Среднеквадратическая погрешность восстановленного сигнала относительно x(t) должна быть не более заданной величины. Устройство, преобразующее цифровой сигнал в аналоговый, называют цифро-аналоговым преобразователем (ЦАП).

Достоинства ИКМ.

1. Сигнал ИКМ – цифровой сигнал и поэтому использование ИКМ позволяет реализовать преимущества цифровой аппаратуры по сравнению с аналоговой: большая степень интеграции, унификации и стандартизации; меньше объем аппаратуры; больше точность и стабильность параметров.

2. Сигнал ИКМ имеет более высокую помехоустойчивость благодаря тому, что его можно регенерировать. Регенерация – это восстановление частично пораженных помехой импульсов сигнала.

z(t) 1 0 1 0 1

а)

v

t

б) u_р(t)

t

Рис. 2.5.

На рис.2.5 показан сплошной линией процесс z(t) - сигнал в сумме с шумом на входе регенератора. Тонкой линией показан передаваемый двоичный сигнал 1 и 0.

Регенератор в тактовые моменты времени, в середине посылки, сравнивает принятый процесс с пороговым напряжением v. Если напряжение u(t) > v, то на выходе регенератора появляется 1, а если u(t) < v , то 0. Из рис.2.5.б видно, что сигнал на выходе регенератора совпадает с переданным – сигнал регенерирован, восстановлен в первозданном виде.

Недостатки ИКМ.