.
Источник (передатчик) и получатель (приемник) служат для обмена некоторой
информацией. В одном случае отправителем и получателем информации служит
человек, в другом случае это может быть компьютер (так называемая телеметрия).
При передаче сообщения, сигнал поступает на кодирующее устройство (кодер), в
котором происходит преобразование последовательности элементов сообщения в
некоторую последовательность кодовых символов. Далее закодированный сигнал
проходит через модулятор, в котором первичный (НЧ) сигнал преобразуется во
вторичный (ВЧ) сигнал, пригодный для передачи по каналу связи на большие
расстояния. Линия связи – это среда, используемая для передачи модулированного
сигнала от передатчика к приемнику. Такой средой служат: провод, волновод,
эфир). После прохождения по линии связи, сигнал поступает на приемник, в котором
происходит обратный процесс. В демодуляторе происходит преобразование принятого
приемником модулированного первичного (ВЧ) сигнала во вторичный (НЧ) сигнал.
Далее демодулированный сигнал проходит через декодер, в котором
восстанавливается закодированное сообщение.
В системах передачи непрерывных сообщений (аналоговая модуляция) решающая схема
определяет по вторичному сигналу (ВЧ) наиболее близкий по значению переданный
первичный сигнал и восстанавливает его.
Сравнение выбранной схемы приемника с идеальным приемником Котельникова
Обычно приемник получает на вход смесь передаваемого сигнала S(t) и помехи n(t).
x(t)=S(t)+n(t). Как правило передаваемый сигнал S(t) – это сложное колебание,
которое содержит кроме времени, множество других параметров (амплитуду, фазу,
частоту и т.д.), т.е. сигнал S(t)=f(a,b,c,…t).Для передачи информации
используется один, или группа этих параметров, и для приемника задача состоит в
определении значений этих параметров в условиях мешающего действия помех.Если
поставленная задача решается наилучшим образом, по сравнению с другими
приемниками, то такой приемник можно назвать приемником, обеспечивающим
потенциальную помехоустойчивость (идеальный приемник).
Данный приемник содержит два генератора опорных сигналов S1(t) и S2(t), которые
вырабатывают такие-же сигналы, которые могут поступать на вход приемника, а
также два квадратора и два интегратора и схему сравнения, которая выполняет
функции распознавания и выбора, формируя на выходе сигналы S1 и S2. Т.к. данная
схема идеального приемника, является приемником Котельникова, то как и многие
другие приемники дискретных сигналов, она выдает на выходе сигналы, отличные от
передаваемых. Для решения этой задачи, в схему включены выравнивающие
устройства.
Как правило способ передачи информации (кодирование и модуляция) задан и задача
сводится к поиску оптимальной помехоустойчивости, которую обеспечивают различные
способы приема.
Под помехоустойчивостью системы связи подразумевается способность системы
восстанавливать сигналы с заданной достоверностью. Предельно допустимая
помехоустойчивость называется потенциальной. Сравнение потенциальной и реальной
помехоустойчивости позволяет дать оценку качества приема данного устройства и
найти еще не использованные ресурсы.
Сведения о потенциальной помехоустойчивости приемника при различных способах
передачи позволяют сравнить эти способы между собой и найти наиболее
совершенные.
Оптимальная фильтрация.
Отметим, что оптимальный приемник, является корреляционным, сигнал на его выходе
представляет собой функцию корреляции принимаемого и ожидаемого сигналов,
благодаря чему обеспечивается максимально-возможное отношение сигнал/шум.
Так как определение функции корреляции является линейной, то её можно
реализовать в некотором линейном фильтре, характеристики которого являются
такими, что отношение сигнал/шум на его выходе получается максимальным. Задача
оптимальной фильтрации непрерывного сигнала ставится так, чтобы обработав
принятый сигнал, получить на выходе приемника сигнал, наименее отличающийся от
переданного сигнала. Решение этой задачи основывается на трех основных
предположениях:
- Сигнал S(t) и помеха w(t) представляют собой стационарные случайные процессы;
- Операция фильтрации предполагается линейной;
- Критерием оптимальности считается минимум среднеквадратичной ошибки.
Рассмотрим задачу синтеза фильтров, которые используются в схемах обнаружения и
различения дискретных сигналов. Как правило эти фильтры ставятся перед решающим
устройством, задача которого – вынести решение в пользу того или иного сигнала.
Нужно отметить важное обстоятельство, что при приеме дискретных сигналов нет
необходимости заботиться о сохранении формы сигнала. Основная задача –
обеспечить минимум ошибочных решений при приеме сигналов. Очевидно, что
вероятность ошибочного приема будет уменьшаться. Поэтому при синтезе фильтров
для дискретных сигналов используется критерий максимума отношения сигнал/шум на
выходе фильтра. Фильтры, удовлетворяющие данному критерию могут называться
оптимальными фильтрами, или фильтрами, максимизирующими отношение сигнал/шум.
Передача аналоговых сигналов методом ИКМ.
Согласно теореме отсчетов непрерывный сигнал можно передавать мгновенными
значениями этого сигнала (отсчетами), следующими с определенной частотой
повторения. Последняя должна быть больше не менее, чем в 2 раза передаваемой
частоты входного сигнала. Такое представление сигала во времени называется
дискретизацией.
Информация о мгновенном значении входного непрерывного сигнала может быть
передана в сторону приемника непосредственно в форме отсчетов –
амплитудно-модулированных импульсов, взятых в определенные временные моменты,
причем длительность импульсов, как правило очень мала по сравнению с периодом их
повторения. В интервалах между двумя соседними отсчетами одного сигнала
последовательно во времени можно разместить отсчеты других передаваемых
сигналов, а на приемной стороне эти отсчеты распределить между каналами.
В основе амплитудно-импульсной модуляции (АИМ) лежит передача сигналов в виде
импульсов, промодулированных по амплитуде. Под влиянием помех, возникающих в
тракте передачи, происходят случайные изменения формы и амплитуды передаваемых
импульсов, что при восстановлении исходного непрерывного сигнала проявляется в
виде дополнительного шума. Физически уменьшение этого шума возможно лишь за счет
снижения уровня помех в тракте передачи, что практически приводит к уменьшению
дальности связи.
Изменение амплитуды однако можно передавать в виде изменения длительности
импульсов. Амплитуда широтно-модулированных импульсов (ШИМ) постоянно, при этом
удается снизить влияние внешних помех при передаче импульсов, что дает
возможность значительно увеличить дальность связи.
Передача информации путем изменения положения импульса постоянной амплитуды и
длительности лежит в основе время-импульсной модуляции (ВИМ).
Описанные виды импульсной модуляции (АИМ, ШИМ, ВИМ) соотносятся как обычные (АМ,
ЧМ, ФМ) и являются аналоговыми методами импульсной модуляции, общим недостатком
которых являются жесткие требования к параметрам линии связи, т.к. помехи,
которые накладываются на передаваемый модулированный импульс, изменяют его
форму, что в приемнике отражается как дополнительный шум. Этот шум значительно
увеличивается при передаче информации на большие расстояния, т.к. искажения
импульсов отдельных участков складываются. Технические ограничения,
накладываемые на приведенные выше способы импульсной модуляции вели к
дальнейшему поиску способов , при которых для передачи информации можно было
полностью перейти к чисто цифровой форме сигнала, передаваемого по тракту
передачи. Результатом этого поиска явилась импульсно-кодовая модуляция (ИКМ).
Принцип ИКМ.
Входной непрерывный сигнал x=f(t) дисккретизируется в соответствии с теоремой
отсчетов, а амплитуда АИМ импульсов, отображающая мгновенное значение входного
сигнала в момент дискретизации, преобразуется кодером в двоичные числа. Так как
число символов n в двоичном числе, отражающем амплитуду импульса, ограничено, то
ограничено и число цифр, позволяющих обозначить амплитуду соответствующего
импульса. Поэтому кодер не может в большинстве случаев точно закодировать
амплитуду импульсов, а производит "округление" до ближайшей нормированной
амплитуды, которая может быть передана двоичным числом с ограниченным
количеством разрядов. Отсюда следует, что кодер должен последовательно
переводить непрерывно изменяющиеся амплитуды АИМ импульсов в квантованные по
уровню АИМ импульсы и кодировать, т.е. выражать их через дискретно-квантованные
по уровню величины в двоичном коде. Группа двоичных символов, которая
используется для передачи одной дискретно-квантованной амплитуды, называется
кодовой группой (кодовое слово).
Дискретизация сигнала.
Дискретизация – первый шаг при преобразовании аналогового сигнала в цифровую
форму. На входе декодера она появляется в виде АИМ импульсов, поступающих на
выход через фильтр нижних частот.
Форма амплитудно-модулированных импульсов может быть различной и зависит от
схемы дискретизатора и способов кодирования и декодирования. При передаче
необходимо получать как можно более узкие импульсы отсчетов, чтобы в интервалах
между ними разместить отсчеты сигналов остальных каналов система, а при приеме,
наоборот, как можно более широкие импульсы отсчетов, так как мощность
низкочастотного сигнала на входе приемника зависит от энергии импульсов