В чем заключается принцип икм
Импульсно-кодовая модуляция.
В этом способе модуляции аналоговый сигнал кодируется сериями импульсов в дискретном потоке. Эта модуляция является основным видом преобразования аналогового сигнала в цифровой и обратно (при модуляции), осуществляемого устройствами АЦП и ЦАП.
При импульсно-кодовой модуляции (ИКМ) осуществляется дискретизация передаваемого сигнала во времени. Сформированные при дискретизации отсчеты преобразуются в группы кодовых сигналов. В каждой группе содержится одинаковое число символов, каждый символ – разряд в группе. Если каждый символ группы может принимать любое из r значений <1, 2, 3, … r-1,0>, а кодовая группа содержит n символов (разрядов), то можно сформировать r n различных кодовых групп, где r – основание кода, n – число разрядов. На практике r = 2, а разрядность определяется диапазоном двоичных чисел.
Аналоговые сигналы на входе цифровой системы передачи непрерывно принимают произвольные значения в пределах заданного (известного) амплитудного диапазона. Используя n-разрядные кодовые группы, можно зафиксировать и передать информацию не более, чем о r n различных значениях сигнала. Поэтому дискретный сигнал должен быть квантован по уровню для передачи, а затем только значение этого уровня может быть передано в виде кода. Таким образом, при ИКМ осуществляются три вида преобразований: дискретизация во времени исходного сигнала, квантование амплитуд дискретных отсчетов и кодирование, т.е. собственно формирование кодовых групп. Структура ИКМ представляется так (рис. 4.5):
Рис.4.5. Технологические операции в ИКМ
Временная диаграмма первого этапа очень походит на прямоугольную аппроксимацию площади под кривой при определении интеграла. Интервал дискретизации устанавливается по критерию Найквиста. При полосе пропускания канала w частота дискретизации υ ≥ 2w гарантирует сохранение всей информации, содержащейся в аналоговом сигнале. Диаграмма всех этапов кодирования – на рис. 4.6.
Закон, устанавливающий соответствие между величиной уровня квантования (или, что то же, его номером) и структурой кодовой группы, называется кодом. Код может быть задан как аналитически, так и в виде кодовой таблицы. Наибольшее распространение получили равномерные двоичные коды. В них каждая кодовая группа состоит из постоянного числа кодовых символов, каждый из которых может принимать значение “0” (пробел) или “1” (импульс).
В натуральном двоичном коде группы соответствуют двоичной записи номера уровня квантования. Кодовая таблица имеет вид а.
В натуральном двоичном коде кодовые группы, соответствующие соседним уровням квантования, могут различаться в большом числе разрядов. Особенно велико это различие в центре амплитудного диапазона. Например, при переходе от 7-го к 8-му уровню квантования изменяются все символы кодовой группы. Колебания величины отсчета (дискретизации) во время кодирования могут вызывать переход от одного уровня квантования к другому. При этом могут возникать ошибки кодирования.
При передаче двуполярных аналоговых сигналов типа речевых преобразование в центре амплитудного диапазона должно выполняться с наибольшей точностью. Поэтому при кодировании таких сигналов используются симметричные двоичные коды, в которых символ старшего разряда кодовой группы определяется полярностью передаваемого отсчета, а символы остальных разрядов определяют величину отсчета как показано на кодовой таблице б. Здесь при кодировании малых значений сигнала используются лишь младшие разряды кода, что снижает ошибки преобразования в центральной зоне размаха амплитуды, так как соотношение между “весами” младших разрядов кода могут поддерживаться с большей точностью, нежели соотношения между “весами” всех разрядов кодовой группы. При использовании кода, соответствующего табл. б, входные сигналы или шумы, величина которых меньше половины шага квантования, не передаются на выход кодера – мертвая зона.
В цифровых системах передачи широкополосных сигналов используется рефлексный двоичный код – код Грея, представленный таблицей в. В этом коде группы, соответствующие соседним уровням, во всем диапазоне изменения отличаются лишь одним разрядом. Использование кода Грея позволяет значительно снизить искажения из-за ошибок кодирования, которые моментально выявляются. Достаточно, чтобы соседние уровни отличались более, чем в одном разряде.
Дата добавления: 2016-03-22 ; просмотров: 6123 ; ЗАКАЗАТЬ НАПИСАНИЕ РАБОТЫ
Цифровые телефонные системы для чайников. Часть 1 — Кодирование голоса
Давным-давно, когда небо было голубым, а трава зеленой АТС были аналоговыми, работали они очень просто: нужно связать двух абонентов — нет проблем, взяли замкнули линию первого на линию второго, и все дела. Вариант, конечно, очень упрощенный, но в общих чертах так все и было. Примечательно в данном случае то, что между абонентами постоянно поддерживалась линия связи. Даже если они оба молчали, были заняты не только те линии, что ведут от абонентов к их АТС, но и линии между самими АТС.
Позднее, когда цифровые технологии стали развиваться все больше и больше, встал вопрос, а почему бы не использовать их для передачи телефонных разговоров? Внедрение цифровых АТС имело довольно много положительных моментов: аппаратура стала занимать меньше места, обслуживать цифровые АТС и проводить диагностику стало легче, значительно увеличилась гибкость настройки, масштабируемость, надежность. Но одни из главных новшеств — временное разделение каналов, а затем и пакетная передача данных. Преимуществом временного разделения каналов в том, что, грубо говоря, по одной линии между АТС в различные моменты времени (канальные интервалы) могут предаваться разговоры нескольких пар абонентов, таким образом, увеличивается количество соединении при неизменном количестве физических линий. При пакетной передаче для связи двух абонентов уже нет нужды в постоянном занятии линии между АТС, данные (разговор) передаются в пакетах и только тогда, когда они есть, в другое время канал можно использовать для передачи данных других абонентов. Также при использовании пакетной передачи облегчается возможность передачи и других данных по тем же сетям (например, интернет-трафика).
Что ж, попробую рассказать то, что знаю о цифровых системах максимально просто, описывая больше принцип работы, нежели какие-то технические подробности, так что, возможно, где-то будут неточности или несоответствия текущим стандартам. В любом случае, буду рад уточнениям, исправлениям и предложениям.
Итак, вопрос номер раз:
Как в цифровых системах передается разговор?
Тут на помощь пришла импульсно-кодовая модуляция (ИКМ, PCM, pulse-code modulation), известная, как утверждает Википедия, с начала XX века. Почитать о ней можно, например, все в той же Википедии.
Для того, чтобы преобразовать аналоговый сигнал в цифровой, необходимо последовательно выполнить над ним три операции: дискретизацию, квантование и кодирование.
Дискретизация — это получение мгновенных значений сигнала (отсчетов) через определенные промежутки времени (т.е. с определенной частотой — частотой дискретизации). На рисунке: (1) — сигнал, (2) — отсчеты.
Квантование — это «округление» полученных мгновенных значений до ближайших заранее заданных уровней. Например, если у нас есть 5 уровней с шагом 2: 0, 2, 4, 6, 8, а некоторые мгновенные значения равны 3.6, 7.1, 2, 0.5, 1.8, то они будут округлены до 4, 8, 2, 0, 2 соответственно.
Кодирование — это представление значений полученных уровней в виде какого-либо кода (например, двоичного).
Теперь рассмотрим, как вышеописанное происходит в цифровой телефонии.
Человеческая речь занимает полосу частот приблизительно 60-12000 Гц, однако для нормальной разборчивости достаточно полосы частот в 300-3400 Гц, т.е. верхняя граница составляет 3.4 кГц. Все, что выше 3.4 кГц «срезается» фильтром, для того чтобы избежать помех в будущем. Согласно теореме Котельникова, частота дискретизации для представления аналогового сигнала, ограниченного по спектру (помним о фильтре), в виде отсчетов должна превышать удвоенную верхнюю частоту сигнала. Для простоты расчетов, а также некоторого запаса, верхняя граница округляется до 4 кГц. Таким образом, частота дискретизации в нашем случае равна 8 кГц.
Квантование и кодирование практически всегда являются неотъемлемыми частями друг друга. Квантование в цифровой телефонии неравномерное, 256-уровневое. Неравномерность квантования выражается в том, что шаг квантования (расстояние между соседними уровнями в единицах измерения характеристики аналогового сигнала, которая квантуется; в данном случае — напряжение сигнала в вольтах) для малых амплитуд выбирается минимальным, для средних — бóльшим и для больших — самым большим. Это сделано для того, чтобы повысить точность передачи сигналов с низкой амплитудой. 256 уровней квантования можно «уместить» в одно 8-разрядное двоичное число, таким образом, один отсчет представляется в виде 8-разрядной кодовой комбинации. Все 256 уровней делятся на две группы: положительные и отрицательные. Для положительных сигналов первый бит в кодовой комбинации равен «1», для отрицательных — «0». Каждая группа делится на 8 сегментов. В пределах одного сегмента шаг квантования неизменный, в то время, как от сегмента к сегменту он меняется, увеличиваясь с возрастанием номера сегмента. Под номер сегмента отводятся следующие 3 бита. Последние 4 бита занимает номер уровня в сегменте, всего этих уровней 16. Итого имеем: 16 уровней × 8 сегментов × 2 группы = 256 уровней.
К примеру, число «10010101» представляет собой положительный сигнал (1), с уровнем 5 (0101) в 1-м сегменте (001).
Теперь можно посчитать скорость полученного цифрового сигнала:
B = 8000 отсчетов/сек × 8 бит/отсчет = 64000 бит/с = 64 кбит/с.
Данные сигналы являются простейшими сигналами в цифровой телефонии. Для их передачи используются основные цифровые каналы со скоростью 64 кбит/с. Также по данным каналам могут передаваться компандированные сигналы, которые имеют большее количество уровней квантования, но тем не менее, после компандирования все равно имеют 8 бит/отсчет.
В чем заключается принцип икм
Различают три метода цифрового представления аналоговых сигналов (3 метода цифровой модуляции):
В тоже время каждый метод цифровой модуляции обладает определенными особенностями, которые будут рассмотрены в данной и следующих лекциях.
Из принципа ИКМ следует, что при этом методе каждый отсчет сигнала кодируется отдельно и соответственно, каждая кодовая ipynna несет информацию об одном отсчете сигнала.
Принцип ДИКМ заключается в том, что в данном случае квантуются и кодируются не мгновенные значения кодируемого сигнала в моменты дискретизации, а разноси» между действительным и предсказанным значениями сигнала в тактовый момент. При ДИКМ предсказанное значение сигнала в i-ый тактовый момент принимается равным значению сигнала в предыдущий (М) тактовый момент.
Принятый алгоритм предсказания при ДИКМ является достаточно простым, а техническая реализации его не вызывает затруднений, что объясняет наибольшее распространение ДИКМ среди методов кодирования с предсказанием. Особенности формирования разностного сигнала при ДИКМ объясняются на Рис. 1., 2.
Рис. 1. Формирование разностного сигнала при ДИКМ.
Рис. 2. (а, б) Принцип ДИКМ.
Осуществляя квантование и кодирование разностей соседних отсчетов, получают цифровой ДИКМ сигнал.
Как видно из рисунков, амплитуды разностей отсчетов меньше амплитуд самих отсчетом, 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 по тока и, следовательно, уменьшает требуемую полосу частот линии передачи. Если же полоса частот линии передачи и скорость цифрового потока определяются параметрами ИКМ, то применение ДИКМ позволяет уменьшить ошибку квантования по сравнению с ИКМ за счет уменьшения шага квантования.
В настоящее время известно много вариантов технической реализации ДИКМ. Наиболее широкое распространение получила схема кодера ДИКМ с обратной связью, представленная на Ряс. 3.а
В этой схеме оценивается не разность между двумя соседними отсчетами передаваемого сигнала, а разность между значением данного отсчета квантованным значением предыдущего отсчета, что позволяет уменьшить ошибку квантования. Временные диаграммы, поясняющие принцип кодера, показаны на Рис. 4.
Структурная схема кодера включает в себя: ФНЧ, ограничивающим спектр частот входного сигнала частотой Fв, дифференциальный (разностный) усилитель ДУ, усиливающий разность двух сигналов, посыпающих на его входы; дискретизатор Дскр, осуществляющий дискретизацию разностного сигнала; кодер ИКМ, осуществляющий квантование и кодирование разностного сигнала; декодер ИКМ, в котором кодовые группы преобразуются в дискретные отсчеты разностного сигнала; интегратор Инт, преобразующий амплитудные отсчеты поступающие на его вход, в ступенчатую функцию.
Итак, при ДИКМ кодируется не значение отсчетов сигнала, а разность соседних отсчетов. Квантование и кодирование разности позволяет уменьшить число уровней квантования разностей отсчетов по сравнению с необходимым числом уровней при квантовании самих отсчетов. Таким образом, уменьшается разрядность информационных символов, передаваемых по каналу передачи в единицу времени. ДИКМ целесообразно применять при передаче телевизионных и видеотелефонных сигналов, когда возможны резкие изменения напряжения сигнала, соответствующего границам между темными и яркими деталями изображения.
В чем заключается принцип икм
Принципы построения многоканальной аппаратуры с использованием импульсно-кодовой модуляции
В системе с временным разделением сигналов носителем передаваемой информации является периодическая последовательность прямоугольных импульсов, амплитуда которых изменяется в соответствии с изменением передаваемого сигнала. Такая модуляция называется амплитудно-импульсной (АИМ). Однако помехоустойчивость сигналов АИМ весьма низка, так как любая помеха, изменяющая амплитуду импульса, искажает форму огибающей импульсной последовательности, а значит, и сигнал на приеме.
Наибольшую помехоустойчивость при передаче импульсных сигналов обеспечивает импульсно-кодовая модуляция’ (ИКМ).
Принцип ИКМ заключается в том, что непрерывный сигнал (например, телефонный разговор) сначала превращается в модулированную по амплитуде последовательность импульсов (получим АИМ — сигнал), а затем импульсы этой последовательности кодируются, т. е. передаются по системе связи в виде закодированных цифр. Причем кодовая комбинация каждой цифры соответствует определенной амплитуде импульса. Так как амплитуды импульсов, отсчитываемые через определенные интервалы времени, могут быть любыми, то соответственно необходимо и бесконечно большое число закодированных цифр. Для их уменьшения до кодирования амплитуды импульсов квантуют, т. е. вместо фактически существующего в момент отсчета значения амплитуды импульса передают на кодирующее устройство ближайшее к нему — большее или меньшее — нормированное значение амплитуды. Принцип квантования импульсов по амплитуде можно проследить по рис. 101.
Естественно, что квантование амплитуд импульсов вносит определенные искажения передаваемого сигнала, поскольку огибающая квантованных импульсов не точно соответствует огибающей амплитудно-модулированных исходных импульсов (рис. 101,а). Поэтому число градаций нормированных импульсов (ступеней квантовая) не должно быть слишком малым.
Кодовые комбинации для передачи квантованных импульсов в системе ИКМ строятся по принципу современного телеграфного кода, только число элементов в кодовой комбинации определяется числом градаций нормированных значений сигнала АИМ, передачу которых должна обеспечить система ИКМ.
Современный телеграфный код является двоичным, т. е. элементы кода могут принимать два значения — плюс или минус, наличие или отсутствие импульса (условно обозначается «1» или «0»). В двоичном коде число различных значений, которые могут передаваться кодовыми группами, определяется выражением N=2n, где п — число элементов в кодовой комбинации. В телеграфном коде число импульсов «1» или «0» в каждой комбинации равно 5, что позволяет передавать 25 = 32 различные буквы или знаки. Как показали многочисленные исследования, в системе ИКМ для неискаженной передачи необходимо иметь не менее 100 различных квантованных уровней импульсов, поэтому п должно быть равно 7 (27= 128).
Сигнал, показанный на рис. 101, имеет 14 значений уровней амплитуд — от 0 до 13 (нулевое значение амплитуды также передается определенным кодом), поэтому достаточно иметь 24==16 различных комбинаций, в каждой будет по 4 импульса. В табл.5 приведены номера импульсов, их уровни и соответствующие им кодовые комбинации, передаваемые по каналу связи.
При определении полосы частот, получаемой при передаче телефонных сигналов методом ИКМ, необходимо учитывать, что принцип ИКМ требует дискретизации непрерывного сигнала, т. е. его преобразования в импульсы с частотой следования, где макс — максимальная частота передаваемого сигнала.
Импульсно – кодовая модуляция (ИКМ)
Лекция № 15.
Аналого – цифровое преобразование при ИКМ.
Принципы аналого – цифрового преобразования на основе ИКМ были предложены в 1940 г. Французским инженером А. Ривсом. В ИКМ аналоговый первичный сигнал подвергается преобразованию в цифровую форму с помощью трех операций:
— дискретизации по времени;
— квантования по амплитуде (уровню);
— кодирования.
Таким образом, аналого – цифровой преобразователь (АЦП) ИКМ должен содержать дискретизатор, квантователь и кодирующее устройство.
Аналого – цифровой преобразователь ИКМ.
В квантователе устанавливаются уровни, разрешенные для передачи. Разница между двумя ближайшими уровнями называется шагом квантования Δi. Если шаги квантования одинаковы и не зависят от уровня квантования, то квантование является равномерным. При различных шагах 
получается неравномерное квантование. При квантовании отсчеты непрерывного сигнала 
, попадающие в интервал между разрешенными уровнями, округляются до ближайшего разрешенного уровня. Из – за округления в процессе квантования возникает погрешность
,
поскольку квантованное значение отсчета 
отличается от истинного . Эта погрешность является специфической помехой любого АЦП и называется шумом квантования. Шум квантования 
представляет собой случайную последовательность импульсов, максимальное значение которых не превышает половины шага квантования.
Квантованный сигнал уже, в принципе, можно считать кодовым основанием кода 
, равным числу разрешенных уровней квантования. Однако многоуровневые сигналы очень не удобны для передачи, так как приемник должен уверенно различать все разрешенные уровни. Кроме того, такие сигналы такие сигналы трудно регенерировать при воздействии помех, поэтому в системах ИКМ обычно используют двоичный код.
Кодер АЦП преобразует квантованные отсчеты в кодовые комбинации, обозначающие соответствующие уровни. Чаще всего кодирование сводится к записи номера уровня в двоичной системе счисления. Это будет так называемый двоичный натуральный код. В системах связи с ИКМ применяются и другие двоичные коды (например, Грэя или симметричный), дающие несколько большую защищенность системы ИКМ от ошибок.
Таблица кодов для 16-ти уровней квантования.
В этой таблице зачерненные участки представляют 1 («единицы»), а незачерненные – 0 («нули») в кодовых комбинациях. В практических системах с ИКМ старший разряд кодовых комбинаций, как правило, указывает полярность (знак) отсчетов (обычно 1 – положительная, 0 – отрицательная полярность). При известных значениях отсчетов и шаге квантования с помощью таблицы кода можно легко построить кодовые комбинации на выходе АЦП в ИКМ.
Цифро – аналоговое преобразование при ИКМ.
Обратное преобразование цифрового сигнала в непрерывный при ИКМ осуществляется декодером и фильтром нижних частот (ФНЧ).
Цифро – аналоговый преобразователь ИКМ.
Выделение из АИМ сигнала непрерывного первичного сигнала 
эквивалентно детектированию АИМ и осуществляется обычно ФНЧ.