Digitalizace analogových signálů – diskrétní modulace

Digitalizace analogových signálů – diskrétní modulace
Narozdíl od amplitudové, frekvenční nebo fázové modulace se při diskrétní impulsové modulaci
nepřenáší informace spojitě, nýbrž pomocí uměle vytvořených impulsů, jejichž kombinace odpovídá
původní spojité informaci. Signál diskrétní impulsové modulace je na přenosové trase méně narušitelný
šumem a zkreslením. Na přijímací straně je snadno regenerovatelný. Diskrétní modulační metody jsou
založeny na vzorkování časového průběhu vstupního spojitého signálu. Podle Shannon–Kotělnikova
teorému musí být kmitočet vzorkovacích impulsů alespoň dvojnásobkem nejvyššího kmitočtu vzorkovaného spojitého signálu.
Mezi analogové metody diskrétní modulace patří impulsová amplitudová modulace (PAM), impulsová
šířková modulace (PŠM) a impulsová polohová modulace (PPM).
Signál získaný impulsovou amplitudovou modulací (PAM) je tvořen impulsy se stejnou šířkou a periodou, amplituda impulsu sleduje okamžitou hodnotu spojitého vzorkovaného signálu v okamžiku
vzorkování. Systém PAM lze použít pouze na kratších přenosových trasách s nízkou hladinou šumu.
Při impulsové šířkové modulaci (PŠM) je informace o amplitudě signálu v okamžiku vzorkování zachycena šířkou impulsů. Amplituda impulsů získaných touto modulací je konstantní a nenese žádnou
informaci. Na přijímací straně je proto možno amplitudovým omezením omezit zašumění signálu –
v tom je přednost PŠM před PAM.
Při vytvoření signálu impulsovou polohovou modulací (PPM) je informace o amplitudě vzorků vyjádřena okamžitou polohou (fází) impulsů. Amplituda i šířka impulsů zůstávají stejné a nenesou žádnou
informaci.
Obr. 1. Metody analogové diskrétní modulace a) analogový signál, b) vzorkovací impulsy, c) signál PAM, d) signál PŠM, e) signál PPM
1
Věnujme se však číslicovým (digitálním) modulačním metodám. Při impulsové kódové modulaci (PCM)
odpovídá každé kódové slovo na výstupu kvantizované amplitudě vzorku vstupního signálu. Přínos
PCM spočívá v tom, že dvojková soustava PCM signálu má univerzální použití při zpracování i při přenosu informace, a jediným podstatným faktorem z hlediska dekódování PCM signálu je přítomnost či
nepřítomnost kódového impulsu v přijatém kódovém slovu. Na příkladu na obr. 2 jsou pro názornost
použita 4 řádová místa – tedy 24 = 16 kvantizačních hladin. Vidíme, že jednotlivým vzorkům PAM
se přiřadí hodnota vyjádřená v dvojkové soustavě podle příslušné kvantizační hladiny. Důležité je
povšimnout si regenerace přijatého signálu PCM. Ačkoliv může vykazovat značné tvarové zkreslení,
je regenerovatelnost v širokém rozmezí dokonalá. Předností je tedy především malá citlivost na šum,
rušení a snadná regenerace kódovaného signálu jeho tvarováním. Nevýhodou je potřeba vysokých
přenosových rychlostí – PCM signál vyžaduje několikanásobně širší frekvenční pásmo než vzorkovaný
spojitý signál. Zpracování a přenos může být v sériovém nebo paralelním kódu. Paralelní kód umožňuje
potřebu vysoké přenosové rychlosti snížit.
!"
Obr. 2. Uspořádání signálových operací
při vytváření a přenosu signálu PCM
Při diferenční impulsové kódové modulaci (DPCM) odpovídá kódové slovo na výstupu kvantizovanému
rozdílu mezi skutečnou amplitudou vzorku a jeho úrovní predikovanou (předpokládanou z několika
předcházejících vzorků). Přenáší se informace o znaménku rozdílu a o jeho velikosti. Systém DPCM
je vhodný pro číslicový přenos obrazové informace, nikoli pro její zpracování.
Konečně zmiňme tzv. modulaci delta (DM). Při ní je odpovídající kódové slovo na výstupu tvořeno
jedním kódovým znakem vyjadřujícím polaritu přírůstku ∆ zpracovávané informace. Absolutní velikost přírůstku je zpravidla konstantní. Je vhodná pro číslicový přenos obrazové informace, nikoli
pro její zpracování. Je výhodná zejména pro průmyslovou televizi a videotelefonní aplikace.
Více viz [HV88].
2
Použitá literatura
[HV88]
Hojka, J. – Vomela, J.: Radioelektronická zařízení II. SNTL, Praha, 1988.
[Ma95]
Macků, P.: Maturita ReZ 1994/95.
3