Impulzné modulácie reprezentujú informáciu pomocou série diskrétnych impulzov. Namiesto plynulého prenášania analógového priebehu (ako pri AM/FM) sa signál prenáša ako „vzorkované“ alebo „časovo rozsekané“ impulzy, ktorých vlastnosti sa menia podľa správy.
Impulzné modulácie sú prirodzeným mostom medzi analógovým a digitálnym svetom: uľahčujú spracovanie, multiplexovanie (TDM), regeneráciu signálu a sú základom pre digitálnu komunikáciu.
Základné pojmy (vzorkovanie a diskrétne spracovanie)
- Vzorkovanie: meriame hodnotu analógového signálu v pravidelných časových okamihoch.
- Vzorkovacia frekvencia fs: koľko vzoriek za sekundu odoberieme.
- Shannon-Kotelnikovov teorém: aby sa dal signál verne zrekonštruovať, typicky platí fs ≥ 2 fmax.
- Chyba vzorkovania: ak je fs príliš nízka, vyššie frekvencie sa „preklopia“ na nižšie → skreslenie.
- Kvantovanie: (pri PCM) hodnoty vzoriek zaokrúhľujeme na najbližšiu úroveň → vzniká kvantizačný šum.
Typy impulzných modulácií
mení sa amplitúda impulzov
mení sa šírka (duty cycle)
mení sa poloha impulzu v slote
vzorkovanie + kvantovanie + binárne kódovanie
Teória ku konkrétnym moduláciám
PAM – Pulse Amplitude Modulation
Pri PAM sú impulzy vysielané v pravidelných intervaloch (sloty), pričom amplitúda impulzu je úmerná okamžitej hodnote správy. V praxi ide o „vzorkovaný analóg“: amplitúda môže mať (takmer) spojité hodnoty.
- Výhody: jednoduchá realizácia, prirodzený krok pred PCM.
- Nevýhody: citlivé na amplitúdový šum a útlm; často vyžaduje zosilňovanie a filtráciu.
- Použitie: základné vzorkovanie, staršie telekomunikačné systémy, medzistupeň v A/D reťazci.
PWM – Pulse Width Modulation
Pri PWM má impulz obvykle konštantnú amplitúdu, ale mení sa jeho šírka (resp. strieda/duty cycle). Informácia je zakódovaná v pomere času „zapnuté“ ku celému slotu.
- Výhody: odolnejšie voči amplitúdovému šumu (amplitúda je pevná).
- Nevýhody: potrebuje presné časovanie; pri prenose sa môže meniť tvar hrán (skreslenie).
- Použitie: riadenie výkonu (motory, LED), spínané zdroje, servoriadenie, priemyselné regulácie.
PPM – Pulse Position Modulation
Pri PPM je amplitúda aj šírka impulzu konštantná a mení sa iba jeho poloha v časovom slote. Informácia je teda v časovom posune impulzu oproti referenčnej pozícii (napr. stredu slotu).
- Výhody: veľmi dobrá odolnosť voči amplitúdovému šumu (amplitúda je pevná).
- Nevýhody: citlivé na časové chyby (jitter), vyžaduje kvalitnú synchronizáciu.
- Použitie: niektoré rádiové/optické systémy, špeciálne telemetrické prenosy.
PCM – Pulse Code Modulation (digitálna reprezentácia)
PCM už nie je len „analóg v impulzoch“, ale plnohodnotná digitálna modulácia reprezentácie: signál sa vzorkuje, potom kvantuje na konečný počet úrovní a nakoniec zakóduje do bitov. Výsledkom je bitový tok, ktorý sa dá ľahko prenášať a regenerovať.
- Kroky PCM:
- Vzorkovanie: analógový signál sa odoberá v pravidelných časových intervaloch.
- Kvantovanie: každá vzorka sa zaokrúhli na jednu z obmedzeného počtu úrovní.
- Kódovanie: kvantované hodnoty sa zapíšu ako postupnosť bitov.
- Bitová rýchlosť: závisí od počtu vzoriek za sekundu a od počtu bitov na jednu vzorku.
- Kvantizačný šum: viac bitov znamená menšiu chybu a lepšiu kvalitu signálu.
- Použitie: digitálny zvuk (CD, VoIP), telekomunikácie, meracie a priemyselné systémy, digitalizácia signálov zo senzorov.