И. Хабловски - Электроника в вопросах и ответах

На рис. 11.27 представлены колебания, соответствующие различным видам импульсной модуляции.

Рис. 11.27. Методы импульсной модуляции:

а — модулирующий сигнал; б — модуляция амплитуды импульса; в — модуляция ширины импульса; г — модуляция положения импульса; д — кодовая модуляция

При амплитудно-импульсной модуляции в каждый момент дискретизации амплитуда импульса пропорциональна мгновенной амплитуде модулирующего сигнала. При широтно-импульсной модуляции импульсы имеют постоянную амплитуду, но их ширина (длительность) пропорциональна амплитуде модулирующего сигнала в момент дискретизации. Для получения изменения ширины импульсов можно сдвигать во времени передний или задний фронт либо оба фронта одновременно. Если средняя ширина импульса составляет 5 мкс, то в процессе модуляции она может меняться от 1 до 9 мкс.

При модуляции положения импульсов их положение изменяется вблизи среднего значения. Сдвиг соответствует амплитуде сигнала в момент дискретизации. Два последних вида модуляции относятся к системе временной модуляции импульсов.

Импульсно-кодовая модуляция имеет наилучшие показатели. Эта модуляция основывается на одновременном использовании принципа дискретизации, временного квантования и кодирования. Квантование — это процесс, в котором модулирующий сигнал с непрерывно меняющейся амплитудой заменяется дискретным — ступенчатым сигналом с заранее заданным числом уровней. Это означает, что импульсам, амплитуда которых лежит в определенном интервале, называемом шагом квантования, соответствует один общий уровень.

Кодирование заключается в том, что отдельным уровням квантованного сигнала приписывается соответствующий кодовый символ. На практике кодовая модуляция осуществляется с помощью цифровых кодов, чаще всего двоичных. Например, четырехбитовый (разрядный) двоичный код позволяет принять 24, т. е. 16, амплитудных уровней от 0 до 15.

Если группы импульсов, полученные в результате импульсно-кодовой модуляции, снова преобразовать в сигнал, то возникает некоторое расхождение между воспроизведенным сигналом и первоначальным. Это расхождение, называемое шумами квантования, уменьшается с ростом числа уровней квантования.

Из упомянутых видов импульсной модуляции реже всего используется амплитудно-импульсная из-за невыгодных шумовых свойств. Наибольшее значение в связи с развитием цифровой техники имеет импульсно-кодовая модуляция.

Система группообразования (объединения и разделения) основана на одновременной передаче более чем одного сообщения на общей несущей частоте. Известны два метода группообразования — частотный и временной.

При частотном группообразовании каждому частотному каналу приписывается другая поднесущая частота. Каждое сообщение модулирует поднесущую. Модулированные поднесущие, суммированные соответствующим способом, модулируют затем высокочастотную несущую.

При временном группообразовании используется тот факт, что в системах с импульсной модуляцией длительность импульсов очень мала по сравнению с периодом дискретизации, т. е. имеется возможность размещения между импульсами, соответствующими одному сообщению, импульсов других сообщений. Это требует применения соответствующих коммутационных устройств. Последовательностью импульсов, представляющей много информационных каналов, модулируется затем высокочастотный передатчик.

Это отрасль техники (электроники), в которой сигналы, действующие в схемах, могут, как правило, иметь лишь два крайних (дискретных) уровня; высокий и низкий в отличие от аналоговых сигналов, которые имеют произвольные уровни и изменяются непрерывно (рис. 12.1).

Рис. 12.1. Пример цифрового (а) и аналогового (б) сигналов:

1 — высокий уровень; 2 — низкий уровень

Элементы схем (лампы, транзисторы, диоды) работают как электронные ключи и находятся в одном из двух крайних состояний: пропускания (включения) или запирания (выключения).

Главные достоинства цифровой техники: высокая надежность и очень высокая помехоустойчивость. Кроме того, «двухуровенность» сигналов часто исключает ошибки при передаче и воспроизведении информации, содержащейся в цифровом сигнале, поскольку распознавание двух крайних уровней сигнала является надежным даже при наличии больших искажений и помех.

Цифровая техника находит широкое применение в измерительных, устройствах, математических и вычислительных машинах, различных профессиональных электронных устройствах и все более широко в бытовой аппаратуре повседневного использования. Во многих случаях введение цифровой техники вместо аналоговой увеличивает надежность работы и точность (в частности, устраняется погрешность отсчета), упрощает конструкцию, уменьшает габаритные размеры и массу устройств, упрощает программирование, дает возможность регистрации информации. Используемые в цифровой технике схемы имеют также ряд преимуществ: их можно изготавливать в виде полупроводниковых интегральных микросхем.

Основу цифровой техники образует двоичная система выражения цифр, называемая также бинарной системой, и связанный с ней математический аппарат, называемый булевой алгеброй.

В двоичной системе счисления любое число удается записать с помощью 1 или 0, например двоичное число 11101011 соответствует десятичному числу 235. Каждая позиция числа, записанного в двоичной системе счисления, представляет одно из двух состояний (1 или 0). В электронике имеются элементы (транзистор, лампа, диод), которые могут работать в двух состояниях: пропускания (включено) и непропускания (выключено). Например, цепь тока — состояние включения и состояние выключения, реле — состояние замыкания и состояние размыкания.

Относительно электрических сигналов двоичная система счисления также соответствует двум состояниям или двум уровням: высокому (более положительному) и низкому (менее положительному, нулевому или даже отрицательному). Если высокое состояние рассматривать как «1», а низкое как «0», то имеем так называемую положительную логику. При таком условии каждое из двух возможных состояний элемента или схемы условно обозначается следующим способом (рис. 12.2): состояние H (от англ. high—высокий) или 1 — да — элемент активный; состояние L (от англ. low — низкий) или 0 — нет — элемент пассивный. В случае отрицательной логики высоким уровням присваивается 0, а низким 1. В дальнейшем примем только положительную логику.

На практике невозможно осуществить такое условие, при котором все цифровые сигналы точно соответствуют одному из двух принятых уровней, и разрешаются некоторые допуски, так что следовало бы скорее говорить о двух интервалах, в которых находятся сигналы.

Рис. 12.2. Интерпретация уровней цифрового сигнала в положительной логике

Объяснение двоичной системы проще всего провести сравнением с широко используемой в других областях десятичной системой.

Как известно, в десятичной системе для записи чисел используются десять цифр: 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9. Позиция (положение) каждой цифры в числе, записанном в десятичной системе, определяет ее значение, например цифра 3 в числе 235 определяет три десятка, т. е. 30, а цифра 3 в числе 2350 определяет три сотни, т. е. 300.

Для этих примеров можно записать:

235 = 2·102 + 3·101 + 5·100;

2350 = 2·103 + 3·102 + 5·101 + 0·100.

Как легко заметить, в десятичной системе каждое число записывается как последовательность коэффициентов при последовательных степенях основания этой системы.

В двоичной системе основание равно двум и имеются только две цифры 1 и 0. Последовательность цифр в двоичной записи числа представляет собой коэффициенты при соответствующих степенях двойки.

Например, имеем:

0 = 0·23 + 0·22 + 0·21 + 0·20, т. е. 0000;

1 = 0·23 + 0·22 + 0·21 + 1·20, т. е. 0001;

2 = 0·23 + 0·22 + 1·21 + 0·20, т. е. 0010;

3 = 0·23 + 0·22 + 1·21 + 1·20, т. е. 0011;

4 = 0·23 + 1·22 + 0·21 + 0·20, т. е. 0100;

15 = 1·23 + 1·22 + 1·21 + 1·20, т. е. 1111;