Tehnici de transmisiuni digitale si domenii de aplicabilitate. Metoda PCM  (Pulse Code Modulation)

Pentru transformarea prin modulatia impulsurilor in cod - PCM (Pulse Code Modulation) - modulatia impulsurilor in cod a unui semnal electric analog in semnal digital sunt necesare trei operatiuni:

- esantionarea semnalului analog;

- cuantizarea esantioanelor;

- codarea esantioanelor.

Esantionarea semnalelor analogice

Se numeste esantionare procesul prin care o functie continua in timp este inlocuita cu valori discrete pe care functia le ia in anumite momente. La un semnal electric esantionarea consta in inlocuirea semnalului continuu cu o succesiune de impulsuri situate la intervale de timp egale si ale caror amplitudini sunt egale cu amplitudinile semnalului la momentele respective.

Fig.1. Esantionarea unui semnal analog

Impulsurile se numesc "esantioane"; intervalul de timp T dintre esantioane se numeste "perioada de esantionare". Rezulta frecventa de esantionare:

Teorema esantionarii arata ca un semnal continuu cu spectrul limitat la o frecventa maxima f_M este complet definit de esantioanele sale, cu conditia ca frecventa de esantionare sa fie mai mare sau cel putin egala cu dublul frecventei f_M.

fT ≥ 2fM

Teorema esantionarii este usor explicabila prin observarea spectrelor de frecventa ale semnalului original (fig. 2).

Fig 2. Spectrele de frecventa

a - semnal original; b- semnal esantionat

Spectrul semnalului esantionat pastreaza o componenta de joasa frecventa identica (doar atenuata) cu spectrul semnalului original, care poate fi separata de restul spectrului printr-o simpla filtrare trece - jos.

Filtrarea este posibila daca f_T - f_M > f_M deci f_T > 2 f_M astfel ca spectrul de joasa frecventa si prima banda laterala inferioara sa nu se intrepatrunda.

Tinand seama ca banda de frecvente a semnalului telefonic este standardizata la 300 ÷ 3400 Hz, f_T  trebuie sa fie mai mare de 6,8 kHz.

Din motive tehnice de proiectare (conditiile filtrului trece - jos) s-a stabilit pe plan mondial ca frecventa de esantionare pentru telefonie sa fie de 8 kHz.

Procedeul de inlocuire a unui semnal electric continuu printr-un tren de impulsuri modulate in amplitudine se numeste prescurtat PAM (Pulse Amplitude Modulation).

Deoarece durata t_i a esantioanelor este mult mai mica decat perioada de esantionare T, timpul ramas disponibil poate fi folosit pentru transmisia simultana pe acelasi circuit fizic a mai multor semnale PAM, dar cel mult  , realizand astfel multiplexarea in timp a semnalelor analogice.

Cuantizarea esantioanelor

Intregul domeniu de amplitudini posibile a semnalului este impartit intr-un numar finit de intervale de cuantizare. Doua intervale vecine sunt separate prin asa numitul "nivel de decizie". In centrul fiecarui interval se gaseste "nivelul de reconstructie".

Prin cuantizare, toate esantioanele a caror amplitudini se gasesc in acelasi interval capata amplitudinea nivelului de reconstructie respectiv.

Codarea

Prin esantionare si cuantizare s-a transformat semnalul analog intr-o succesiune de esantioane, fiecare avand o valoare dintr-un total de 256 valori posibile (128 pozitive si 128 negative). Aceasta succesiune de valori constituie semnalul digital.

Codarea consta in transmiterea fiecarui numar intreg cuprins intre -128 si +128 cu ajutorul unui cod format din opt simboluri binare (biti).

Altfel spus, fiecare esantion poate fi reprezentat de un cuvant binar de 8 biti. Acest cuvant se numeste in tehnica de calcul "octet" sau "byte".

Semnalul digital se compune din 8 biti (2⁸ = 256) astfel:

Primul bit reprezinta semnul: pentru pentru

Urmatorii 7 biti exprima in cod binar in cod binar valoarea absoluta a numarului intreg cuprins intre 1 si 2⁷ = 128.

Exemple in fig. 3.

Fig. 3. Exemple de codare in cod binar simetric

La emisie, semnalul in banda de baza este trecut printr-un FTJ, pentru a-i limita banda, si apoi esantionat la intervale regulate, esantioanele fiind convertite A/D si trimise in linie. Convertorul A/D este comun tuturor canalelor sistemului, avand in vedere separarea cailor in timp.

Dupa esantionare, se memoreaza valoarea esantionului, care este apoi convertita A/D, la iesirea convertorului A/D obtinand un numar binar, care corespunde celei mai apropiate valori discrete a amplitudinii. Bitii astfel obtinuti sunt codati, pentru a avea o forma cat mai adecvata transmisiei prin canal.

Fig. 4. Structura functionala a unui sistem PCM

La receptie se efectueaza operatiile inverse; separarea canalelor se face cu ajutorul portilor de esantionare comandate in sincronism cu cele de la emisie. La iesirea convertorului D/A se obtine o versiune cuantizata a semnalului analogic, care este filtrata pentru a obtine semnalul in banda de baza. Aceasta structura functionala a sistemului este data in figura 4.

Domeniu de aplicabilitate:

Retele digitale de telecomunicatii - multiplex primar bazat pe metoda PCM.

In alegerea structurii multiplex intervin mai multi factori de proiectare, precum caracteristicile semnalului ce urmeaza a fi transmis (vocal, videotelefon, date, TV), aspectele tehnice ale procesului de multiplexare, precum si caracteristicile SC ce vehiculeaza semnalele rezultate.

Transmisia diferitelor semnale analogice (convorbiri, muzica, facsimil, videotelefon, TV).

Dezvoltarea sistemelor cu un numar sporit de canale datorita fibrei optice care a devenit mediul de transmisie cel mai economic.

Aparitia de servicii noi (posta electronica, acces Internet, videoconferinte, comert electronic).