Импульсно-кодовая модуляция

Известно, что компьютеры оперируют с сигналами, представленными дискретными двоичными последовательностями (высокий уровень, низкий уровень, логический ноль, логическая единица), в которых закодирована исходная информация. В то же время большинство физических объектов (датчиков) генерирует непрерывные (аналоговые) сигналы, например речь человека. Для обработки аналоговых сигналов с помощью компьютера необходимо его преобразовать в дискретную двоичную последовательность, естественно, с сохранением полезной информации. Кроме того, двоичные последовательности удобнее передавать по каналу связи, поскольку они не подвержены искажениям, например, вносимым за счет нелинейности канала связи, их легче закодировать как с целью обеспечения конфиденциальности информации, так и с целью повышения помехозащищенности. Дискретные двоичные последовательности можно хранить в огромном объеме на миниатюрных носителях информации (компакт-дисках).

Преобразование аналоговых сигналов в двоичные последовательности происходит в процессе аналого-цифрового преобразования (АЦП), самым распространенным из которых является импульсно-кодовая модуляция (ИКМ). В процессе ИКМ над аналоговым сигналом в определенные (тактируемые) моменты времени последовательно осуществляются две операции: выборка мгновенного значения и квантование этого значения по уровню (подсчет целого числа элементарных квантов, умещающихся в данной выборке).

Двоичный код, отображающий число квантов в отсчете, – это кодовое слово, а последовательность таких слов – цифровое представление аналогового сигнала.

На рис. 1.16 отражен принцип ИКМ для трехразрядного двоичного кода (2³ = 8 квантов): S(t_i) – мгновенные значения сигнала в тактируемые моменты времени.

Рис. 1.16. Принцип ИКМ

Отметим такие принципиальные моменты, присущие ИКМ, как погрешность представления сигнала в цифровом виде за счет округления мгновенных значений до целого числа квантов и за счет ступенчатой аппроксимации реального сигнала в процессе дискретизации по времени. Эти погрешности, рассматриваемые в специальной литературе, в современных аналого-цифровых преобразователях сведены к минимуму за счет выбора высокой частоты дискретизации (до сотен мегагерц) и большого разрешения по уровню (число квантов >2¹⁶).

Устройство выборки и хранения (УВХ) до следующего временного такта в простейшем случае может быть представлено в виде конденсатора, который с помощью быстродействующего электронного ключа в тактируемые моменты времени «мгновенно» подключается к источнику сигнала, «запоминая» его значение в данный момент. После размыкания ключа конденсатор «хранит» заряд до следующего подключения (рис. 1.17).

Рис. 1.17. Схема устройства выборки-хранения аналогового сигнала

В качестве электронного ключа (SW) используются быстродействующие усилительные (управляемые) элементы, сопротивление которых под воздействием управляющих сигналов модулируется от практически бесконечного (ключ разомкнут) до ничтожно малого (ключ замкнут). В теории ИКМ показано, что спектр ступенчато-аппроксими-рованного сигнала приобретает высокочастотные составляющие, пропорциональные частоте дискретизации:

Появление в спектре преобразованного сигнала новых составляющих (обогащение спектра) является признаком нелинейного характера преобразования при ИКМ, как и при всех других видах модуляции. Роль нелинейного элемента в ИКМ выполняет ключ в УВХ.