Головні мережеві послуги | Класифікація комп'ютерних мереж | Класифікація локальних мереж | Технологія клієнт-сервер. види серверів | Товстий коаксіальний кабель | Тонкий коаксіальний кабель | Переваги і недоліки оптичних систем зв'язку | геостаціонарний супутник | Середньо- і низькоорбітальні супутники | Інфрачервоне випромінювання |

загрузка...
загрузка...
На головну

Перетворення аналогового сигналу в цифровий

  1. N У цих випадках довжина хвилі електромагнітного сигналу порівнянна або багато менше розмірів досліджуваного об'єкта.
  2. А. Цифровий звіт
  3. А. Цифровий звіт
  4. Алгоритм складання симплексной таблиці. Перетворення симплексной таблиці.
  5. Біодинаміка пересування з механічним перетворенням енергії
  6. Швидке перетворення Фур'є
  7. Вольтметр (АЦП) з часом-імпульсним перетворенням.

Для перетворення будь-якого аналогового сигналу (звуку, зображення) в цифрову форму необхідно виконати три основні операції: дискретизацию, квантування і кодування.

дискретизація - Уявлення безперервного аналогового сигналу послідовністю його значень (відліків). Ці відліки беруться в моменти часу, відокремлені один від одного інтервалом, який називається інтервалом дискретизації. Величину, зворотну інтервалу між відліками, називають частотою дискретизації. На рис. 1 показані вихідний аналоговий сигнал і його дискретизованої версія. Картинки, наведені під тимчасовими діаграмами, отримані в припущенні, що сигнали є телевізійними видеосигналами одного рядка, однаковими для всього телевізійного растра.

Рис.1 Аналого-цифрове перетворення. Дискретизація.

Зрозуміло, що чим менше інтервал дискретизації і, відповідно, більша їх кількість, тим менше розходження між вихідним сигналом і його дискретизованої копією. Ступінчаста структура дискретизованого сигналу може бути згладжена за допомогою фільтра нижніх частот. Таким чином і здійснюється відновлення аналогового сигналу з дискретизованого. Але відновлення буде точним тільки в тому випадку, якщо частота дискретизації принаймні в 2 рази перевищує ширину смуги частот вихідного аналогового сигналу (це умова визначається відомою теоремою Котельникова). Якщо ця умова не виконується, то дискретизація супроводжується незворотними спотвореннями. Справа в тому, що в результаті дискретизації в частотному спектрі сигналу появляютс додаткові компоненти, які містяться навколо гармонік частоти дискретизації в діапазоні, що дорівнює подвоєною ширині спектра вихідного аналогового сигналу. Якщо максимальна частота в частотному спектрі аналогового сигналу перевищує половину частоти дискретизації, то додаткові компоненти потрапляють в смугу частот вихідного аналогового сигналу. У цьому випадку вже не можна відновити вихідний сигнал без спотворень. Теорія дискретизації приведена в багатьох книгах.

Рис.2 Аналого-цифрове перетворення. Спотворення дискретизації.

Приклад спотворень дискретизації наведено на рис. 2. Аналоговий сигнал (припустимо знову, що це відеосигнал ТВ рядка) містить хвилю, частота якої спочатку збільшується від 0,5 МГц до 2,5 МГц, а потім зменшується до 0,5 МГц. Цей сигнал дискретизируется з частотою 3 МГц. На рис. 2 послідовно наведені зображення: вихідний аналоговий сигнал, Дискретизований сигнал, відновлений після дискретизації аналоговий сигнал. Відновлювальний фільтр нижніх частот має смугу пропускання 1,2 МГц. Як видно, низькочастотні компоненти (менше 1 МГц) відновлюються без спотворень. Хвиля з частотою 1,5 МГц зникає і перетворюється у відносно рівне поле. Хвиля з частотою 2,5 МГц після відновлення перетворилася в хвилю з частотою 0,5 МГц (це різниця між частотою дискретизації 3 МГц і частотою вихідного сигналу 2,5 МГц). Ці діаграми-картинки ілюструють спотворення, пов'язані з недостатньо високою частотою просторової дискретизації зображення. Якщо об'єкт телевізійної зйомки є дуже швидко рухається або, наприклад, що обертається предмет, то можуть виникати і спотворення дискретизації в тимчасовій області. Прикладом спотворень, пов'язаних з недостатньо високою частотою тимчасової дискретизації (а це частота кадрів телевізійного розкладання), є картина швидко рухомого автомобіля з нерухомими або, наприклад, повільно обертаються в ту чи іншу сторону спицями колеса (стробоскопічний ефект). Якщо частота дискретизації встановлена, то спотворення дискретизації відсутні, коли смуга частот вихідного сигналу обмежена зверху і не перевищує половини частоти дискретизації.

Якщо зажадати, щоб в процесі дискретизації не виникало спотворень ТБ сигналу з граничною частотою, наприклад, 6 МГц, то частота дискретизації повинна бути не менше 12 Мгц. Однак, чим ближче частота дискретизації до подвоєною граничній частоті сигналу, тим важче створити фільтр нижніх частот, який використовується при відновленні, а також при попередньої фільтрації вихідного аналогового сигналу. Це пояснюється тим, що при наближенні частоти дискретизації до подвоєною граничній частоті діскретізіруемого сигналу пред'являються все більш жорсткі вимоги до форми частотних характеристик фільтрів, що відновлюють - вона все точніше повинна відповідати прямокутної характеристиці. Слід підкреслити, що фільтр з прямокутною характеристикою не може бути реалізований фізично. Такий фільтр, як показує теорія, повинен вносити нескінченно велику затримку в пропускається сигнал. Тому на практиці завжди існує деякий інтервал між подвоєною граничною частотою вихідного сигналу і частотою дискретизації.

квантування

являє собою заміну величини відліку сигналу найближчим значенням з набору фіксованих величин - рівнів квантування. Іншими словами, квантування - це округлення величини відліку. Рівні квантування ділять весь діапазон можливої ??зміни значень сигналу на кінцеве число інтервалів - кроків квантування. Розташування рівнів квантування обумовлено шкалою квантування. Використовуються як рівномірні, так і нерівномірні шкали. На рис. 3 показані вихідний аналоговий сигнал і його квантованими версія, отримана з використанням рівномірної шкали квантування, а також відповідні сигналам зображення.

Рис.3 Аналого-цифрове перетворення. Квантування.

Спотворення сигналу, що виникають в процесі квантування, називають шумом квантування. При інструментальної оцінки шуму обчислюють різницю між вихідним сигналом і його квантованной копією, а в якості об'єктивних показників шуму приймають, наприклад, середньоквадратичне значення цієї різниці. Тимчасова діаграма і зображення шуму квантування також показані на рис. 3 (зображення шуму квантування показано на сірому фоні). На відміну від флуктуаційних шумів шум квантування коррелирован з сигналом, тому шум квантування не може бути усунутий подальшою фільтрацією. Шум квантування зменшується зі збільшенням числа рівнів квантування. Ще кілька років тому цілком достатнім здавалося використовувати 256 рівнів для квантування телевізійного відеосигналу. Зараз вважається нормою квантовать відеосигнал на 1024 рівня. Число рівнів квантування при формуванні цифрового звукового сигналу набагато більше: від десятків тисяч до мільйонів.

цифрове кодування.

Квантований сигнал, на відміну від вихідного аналогового, може приймати тільки кінцеве число значень. Це дозволяє представити його в межах кожного інтервалу дискретизації числом, рівним порядковому номеру рівня квантування. У свою чергу це число можна виразити комбінацією деяких знаків або символів. Сукупність знаків (символів) і система правил, за допомогою яких дані представляються у вигляді набору символів, називають кодом. Кінцева послідовність кодових символів називається кодовим словом. Квантований сигнал можна перетворити в послідовність кодових слів. Ця операція і називається кодуванням. Кожне кодове слово передається в межах одного інтервалу дискретизації. Для кодування сигналів звуку і зображення широко застосовують двійкового коду. Якщо квантований сигнал може приймати N значень, то число двійкових символів в кожному кодовому слові n> = log2N. Один розряд, або символ слова, представленого в двійковому коді, називають бітом. Зазвичай число рівнів квантування одно цілої ступеня числа 2, т. Е N = 2n.

Рис.6 Аналого-цифрове перетворення.

Кодові слова можна передавати в паралельній або послідовній формах (рис. 6). Для передачі в паралельній формі треба використовувати n ліній зв'язку (в прикладі, показаному на малюнку, n = 4). Символи кодового слова одночасно передаються по лініях в межах інтервалу дискретизації. Для передачі в послідовній формі інтервал дискретизації треба розділити на n підінтервалів - тактів. В цьому випадку символи слова передаються послідовно по одній лінії, причому на передачу одного символу слова відводиться один такт. Кожен символ слова передається за допомогою одного або декількох дискретних сигналів - імпульсів. Перетворення аналогового сигналу в послідовність кодових слів тому часто називають імпульсно-кодовою модуляцією. Форма подання слів певними сигналами визначається форматом коду. Можна, наприклад, встановлювати в межах такту високий рівень сигналу, якщо в даному такті передається двійковий символ 1, і низький - якщо передається двійковий символ 0 (такий спосіб представлення, показаний на рис. 6, називають форматом БВН - Без Повернення до Нулю). У прикладі рис. 6 використовуються 4-розрядні двійкові слова (це дозволяє мати 16 рівнів квантування). У паралельному цифровому потоці по кожній лінії в межах інтервалу дискретизації передається 1 біт 4-розрядного слова. У послідовному потоці інтервал дискретизації ділиться на 4 такти, в яких передаються (починаючи зі старшого) біти 4-розрядного слова.

Операції, пов'язані з перетворенням аналогового сигналу в цифрову форму (дискретизація, квантування і кодування), виконуються одним пристроєм - аналого-цифровим перетворювачем (АЦП). Зараз АЦП може бути просто інтегральної мікросхемою. Зворотна процедура, т. Е відновлення аналогового сигналу з послідовності кодових слів, проводиться в цифро-аналоговому перетворювачі (ЦАП). Зараз існують технічні можливості для реалізації всіх обробок сигналів звуку і зображення, включаючи запис і випромінювання в ефір, в цифровій формі. Однак в якості датчиків сигналу (наприклад, мікрофон, передає ТБ трубка або прилад із зарядним зв'язком) і пристроїв відтворення звуку і зображення (наприклад, гучномовець, кінескоп) поки використовуються аналогові пристрої. Тому аналого-цифрові і цифро-аналогові перетворювачі є невід'ємною частиною цифрових систем.

Цифрові сигнали можна описувати за допомогою параметрів, типових для аналогової техніки, наприклад таких, як смуга частот. Але їх застосовність в цифровій техніці є обмеженою. Важливим показником, що характеризує цифровий потік, є швидкість передачі даних. Якщо довжина слова дорівнює n, а частота дискретизації FD, то швидкість передачі даних, виражена в числі довічних символів в одиницю часу (біт / с), знаходиться як добуток довжини слова на частоту дискретизації: C = nFD.



Модуляція при передачі аналогових сигналів | Імпульсно-кодова модуляція
загрузка...
© um.co.ua - учбові матеріали та реферати