Амплитудная модуляция. Несущий сигнал. Двуполярные и однополярные сигналы при модуляции. Однотональная амплитудная модуляция. Коэффициент модуляции. Перемодуляция

Амплиту́дная модуля́ция — вид модуляции, при которой изменяемым параметром несущего сигнала является его амплитуда.

Несу́щий сигнал — сигнал, один или несколько параметров которого подлежат изменению в процессе модуляции. Степень изменения параметра определяется мгновенным значением информационного (модулирующего) сигнала.

При однополярной модуляции, как показано на рисунке 4.10, в кривой выходного напряжения в течение одной полуволны модулирующего сигнала формируются импульсы только одной полярности, а вместо импульсов напряжения противоположной полярности формируется интервал с нулевым напряжением (нулевая полочка). При этом, при изменении длительности импульсов напряжения, соответственно, изменяется длительность нулевой полочки таким образом, чтобы период несущей частоты оставался постоянным.

Однополярная модуляция может быть реализована в однофазной мостовой схеме АИН при условии, что одна пара силовых транзисторов, например, VT1 и VT4 переключаются с частотой сигнала модуляции, в моменты и т.д., а вторая пара транзисторов переключается с несущей частотой. Длительность управляющих импульсов формируется таким же образом, как и в предыдущем случае, в результате сравнения опорного напряжения и модулирующего сигнала. Формирование импульса на выходе инвертора, например, положительной полярности, обеспечивается при одновременном включении транзисторов VT1 и VT2. Поскольку транзистор VT2 переключается с высокой частотой, то при его выключении транзистор VT1 остается включенным, что приводит к замыканию тока нагрузки, запасенного в индуктивности, через транзистор VT1 и диод VD3. При этом на выходе инвертора напряжение равно сумме падений напряжения на транзисторе и диоде, т.е. близко к нулю. Аналогично создается нулевая полочка и при формировании отрицательной полуволны гладкой составляющей: при выключении транзистора VT3 ток нагрузки замыкается через транзистор VT4 и диод VD2. Таким образом, полярность гладкой составляющей выходного напряжения определяется включением транзисторов VT1 или VT4, а высокочастотное заполнение и, соответственно, форма гладкой составляющей - переключением транзисторов VT2 или VT3.

Основным преимуществом однополярной модуляции, по сравнению с двуполярной, является уменьшение амплитуд высокочастотных гармоник.

27. Эффекты квантования в цифровых системах. Квантование сигнала. Векторное квантование. Квантование и дискретизация. Глубина дискретизации. Линейное квантование. Шаг квантования. Шум квантования.

Эффекты квантования в цифровой обработке сигналов(ЦОС) обусловлены представлением данных в реальных системах. При любой аппаратной реализации алгоритмов ЦОС (программируемая логическая интегральная схема (ПЛИС), программа на ЭВМ, специализированный процессор ЦОС) для представления коэффициентов фильтра и отсчетов сигнала используются элементы памяти (регистры, ячейки запоминающего устройства), разрядность которых конечна. Операционные устройства (умно- жители, сумматоры) также имеют ограниченную разрядность, что приводит к искажению значений результатов промежуточных вычислений. Операция квантования является нелинейной; включение этой операции в процесс обработки сигналов приводит к тому, что алгоритм реализуется неточно. К возникающим в связи с операцией квантования эффектам можно отнести:

1) шум, обусловленный квантованием сигнала на входе системы (чаще всего шум аналогоцифрового преобразователя (АЦП));

2) погрешности характеристик фильтров (по причине квантования коэффициентов передаточной функции (ПФ));

3) некоррелированный шум округления (в умножителях и сумматорах), называемый также собственным шумом фильтра;

4) коррелированный шум округления (пре- дельные циклы). Можно сразу отметить, что для фильтров с конечной импульсной характеристикой (КИХ) предельные циклы не рассматриваются, так как они возникают исключительно в рекурсивных структурах. Перед более подробной оценкой источников шума сделаем ряд замечаний.

Квантование сигнала, дискретизация непрерывных сигналов, преобразование электрического сигнала, непрерывного во времени и по уровню, в последовательность дискретных (отдельных) либо дискретно-непрерывных сигналов, в совокупности отображающих исходный сигнал с заранее установленной ошибкой. К. с. осуществляется при передаче данных в телемеханике, при аналого-цифровом преобразовании в вычислительной технике, в импульсных системах автоматики и др.

При передаче непрерывных сигналов обычно достаточно передавать не сам сигнал, а лишь последовательность его мгновенных значений, выделенных из исходного сигнала по определённому закону. К. с. производится по времени, уровню или по обоим параметрам одновременно. При К. с. по времени сигнал через равные промежутки времени М прерывается (импульсный сигнал) либо изменяется скачком (ступенчатый сигнал, рис.). Например, непрерывный сигнал, проходя через контакты периодически включаемого электрического реле, преобразуется в последовательность импульсных сигналов. При бесконечно малых интервалах включения (отключения), т. е. при бесконечно большой частоте переключений контактов, получается точное представление непрерывного сигнала. При К. с. по уровню соответствующие мгновенные значения непрерывного сигнала заменяются ближайшими дискретными уровнями, которые образуют дискретную шкалу квантования. Любое значение сигнала, находящееся между уровнями, округляется до значения ближайшего уровня.

При бесконечно большом числе уровней квантованный сигнал превращается в исходный непрерывный сигнал.

Рассмотренные выше способы неравномерного и адаптивного квантования принято называть скалярными, поскольку кодированию по очереди подвергается каждый отсчет речевого сигнала независимо от остальных отсчетов. Получающиеся при этом скорости кодирования расположены достаточно далеко от границы Шеннона. Дальнейшего приближения скорости кодирования к границе можно добиться с помощью векторного квантования, которое широко используется в цифровых сотовых системах связи. Сущность его состоит в том, чтобы не квантовать отдельные отсчеты сигнала последовательно один за другим, а преобразовывать одновременно несколько отсчетов сигнала (блок) в совокупность кодовых слов. Более высокая эффективность такого преобразования (более низкая битовая скорость) по сравнению со скалярным квантованием достигается за счет учета статистической зависимости между отсчетами сигнала.

векторное квантованиеможносформулировать следующим образом. На входе квантователя формируется вектор отсчетов речевого сигнала с Nбл вещественными компонентами имеющими совместную плотность вероятности . При векторном квантовании вектор U(ti) превращается в другой вектор Vд(ti) той же размерности, но с цифровыми компонентами . Такое преобразование можно обозначить символом Q(-) и назвать оператором векторного квантования, так что Uд(ti) = Q{U(ti)}. Эти обозначения можно наглядно проиллюстрировать для Nбл = 2. В этом частном случае пространство возможных значений входного вектора является двумерным и представляет собой плоскость. При квантовании это пространство разделяют на ячейки.

Здесь произвольно выбраны ячейки Cк в форме шестиугольной кроме крайних ячеек, которые не ограничены. Общее число ячеек L = 37. В каждой ячейке выделен черной точкой вектор Uдк, компоненты которого представляются кодовым словом из п = log2L бит. Эти векторы являются выходными для данного L-уровневого векторного квантователя. Все входные векторы U(ti), попадающие в ячейки заменяются вектором Uдк.

Дискретизация и квантование исходного сигнала, пропорционального передаваемому сообщению, являются первыми этапами кодирования. Для определения частоты дискретизации (тактовой частоты) используется теорема Котельникова, согласно которой , где - максимальная частота спектра. Для телефонной передачи достаточно иметь . Для перехода к кодированному импульсному сигналу передается не бесконечное, а конечное число разрешенных значений уровней дискретизированного сигнала, отстоящих друг от друга на конечный интервал. Действительное значение сигнала заменяется ближайшим разрешенным. Шкала разрешенных значений называется шкалой квантования, а интервал между ними – шагом квантования. Квантование по сути является округлением чисел. Естественно, чем меньше шаг квантования, тем ближе квантованные значения к истинным. Пусть исходная функция подвержена дискретизации и квантованию. Ошибкой кавнтования называют разность между квантованным значением и истинным значением , т.е. передача квантованных значений сигнала вместо истинных равносильна наложению на истинные значения помехи : . Последовательность и называют помехой (или шумом) квантования. Квантование позволяет производить дальнейшее кодирование сигнала (например, преобразовывать его в цифровой), и, кроме того, оно представляет собой мощное средство борьбы со случайными помехами, которые всегда возникают в системе связи. На приемном конце мы будем получать сигнал где – мгновенное напряжение помехи в момент отсчета. Помеха имеет случайный характер, никак не контролируется, поэтому восстановить истинное значение нельзя. Если мы знаем ,то можно применить квантование с шагом, большим . На приемной стороне сигнал можно еще раз проквантовать и, таким образом, избавиться от помехи. При округлении ближайшим уровнем окажется тот, который передавался. Таким образом, повторное квантование производит восстановление поврежденного помехой сигнала. Эту операцию можно производить несколько раз, что предотвращает накопление помех. Это используется в радиорелейных линиях связи.   При оцифровке сигнала количество уровней квантования называют также глубиной дискретизации или разрядностью. Глубина дискретизации измеряется в битах и обозначает количество бит в двоичном слове, выражающих амплитуду сигнала. Чем больше глубина дискретизации и чем больше частота дискретизации, тем точнее цифровой сигнал соответствует аналоговому. В случае однородного квантования глубину дискретизации называют также динамическим диапазоном и измеряют в децибелах (1 бит ≈ 6 дБ).   Глубина звука (битность, уровень квантования) - важнейший параметр для цифрового звука, определяющий численное значение амплитуды сигнала. Иными словами, АЦП делает замер и записывает численное значение данного замера, а величина этого значения как раз зависит от уровня квантования. Например 16-битное квантование дает нам 65536 уровней. В большинстве своем на многих компьютерах звук кодирован с глубиной 16 бит. Многие хорошие звуковые карты и профессиональное оборудование может кодировать звук с глубиной 24 бита. Зачем нужно повышение битности звука? Для увеличения максимального динамического диапазона и для уменьшения шумов квантования.

Линейным называется квантование, если шаг квантования (∆) остается постоянным в допустимых пределах возможных значений.

Амплитудная характеристика имеет два характерных участка: зону квантования и зону ограничения. Если входной АИМ – сигнал удовлетворяет условиям (-U0)≤ Uвх≤ U0, то он попадает в зону квантования. Если это условие не удовлетворяется, то сигнал попадает в зону ограничения. В результате произойдет ограничение максимального значения сигнала, и ему будет присвоено значение Uогр.

граничение мгновенных значений сигнала приводит к появлению шумов ограничения. Обычно уровень сигнала на входе канала ИКМ выбирается так, чтобы вероятность превышения úUмахú >úU‌0‌ú была достаточно малой, поэтому определяющими в системах ИКМ являются шумы квантования. Средняя мощность шума квантования: Рш.кв.=∆2/12, где ∆- шаг квантования.

Максимальное число уровней квантования:

М =(2Uмах /∆) + 1= (2Uогр. /∆) + 1

Необходимое число уровней при равномерном квантовании М=512…2048.

Шаг квантования ( квант) определяет число уровней квантования или разрешающую способность ЦЙП. Шаг квантования равен единице младшего разряда в коде преобразователя. Шаг квантования не может быть меньше уровня помех в канале. Уменьшение шага квантования ниже этого уровня приводит к появлению ошибки из-за помех. Таким образом, нет смысла чрезмерно увеличивать число уровней квантования. Это не уменьшает общей ошибки, приводит только к обмену ошибки квантования на ошибку из-за помех. Правильный выбор шага квантования придает сигналу замечательные свойства: при наличии ретрансляции многократные усиления не приводят к накоплению ошибки из-за помех, как это происходит при всех других методах передачи. Если шаг квантования существенно превышает помеху, сигнал всякий раз восстанавливается при усилении с одной и той же ошибкой, не превышающей ошибки квантования.

Шум квантования — ошибки, возникающие при оцифровке аналогового сигнала. В зависимости от типа аналого-цифрового преобразования могут возникать из-за округления (до определённого разряда) сигнала или усечения (отбрасывания младших разрядов) сигнала.