4. Классификация сигналов. Понятия дискретизации и квантования. Примеры цифрового преобразования непрерывных сигналов.

Проведем классификацию сигналов. В первую очередь выделим сигналы:

• детерминированные;

• случайные.

Детерминированными называют сигналы, которые точно определены в любые моменты времени. В отличие от них некоторые параметры случайных сигналов заранее предсказать невозможно.

Строго говоря, так как выдача источником сообщений (например, датчиком) того или иного конкретного сообщения случайна, то предсказать точно изменение значений параметров сигнала невозможно. Следовательно, сигнал принципиально имеет случайный характер. Детерминированные сигналы имеют весьма ограниченное самостоятельное значение только для целей наладки и регулировки информационной и вычислительной техники, играя роль эталонов.

В зависимости от структуры параметров сигналы подразделяются на:

• дискретные;

• непрерывные;

• дискретно-непрерывные.

Под ДИСКРЕТИЗАЦИЕЙ подразумевают преобразование функции непрерывного времени (в частности, аналогового сигнала) в функцию дискретного времени, представляющую последовательность величин, называемых выборками или отсчетами (sample value).

Под КВАНТОВАНИЕМ по уровню (или просто квантованием) подразумевают преобразование некоторой величины с непрерывной шкалой значений (например, амплитуда сигнала) в величину, имеющую дискретную шкалу значений.

Приведем примеры цифрового преобразования непрерывных сигналов.

Пример 6. В цифровых телефонных системах (стандарт G.711) замена аналогового сигнала последовательностью отсчетов происходит с частотой 2F=8000 Гц, интервал между отсчетами Т_д = 125 мкс. Это связано с тем, что диапазон частот телефонного сигнала составляет 300-3400 Гц, а частота выборки для неискаженного преобразования по теореме Найквиста-Котельникова должна быть, как минимум, в два раза больше максимальной частоты преобразовываемого сигнала F.

Далее каждый импульс заменяется в 8-и разрядном аналого-цифровом преобразователе АЦП (ADC – Analog-to-Digital Converter) двоичным кодом, учитывающим знак и амплитуду отсчета (256 уровней квантования). Такой процесс квантования носит название импульсно-кодовой модуляции ИКМ (PCM – Pulse Code Modulation).

Скорость передачи одного телефонного сообщения оказывается 8×8000=64 Кбит/с (такую скорость имеет, например, цифровой телефонный канал ISDN). 30-канальная система передачи телефонных сообщений (система первого уровня иерархии стандарта МККТТ – PDH-E1) с временным разделением каналов работает уже со скоростью 2048 Кбит/с.

Пример 7. При цифровой записи музыки на компакт-диск (CD – Compact Disk), вмещающий максимум 74 минуты стереозвучания, используют частоту дискретизации 2F≈ 44,1 кГц (т.к. предел слышимости человеческого уха 20 кГц плюс 10%-ный запас) и 16-и разрядное равномерное квантование каждой выборки (65536 уровней звукового сигнала). При этом одна минута стереофонического звука будет занимать около 10,09 Мбайтов.

Использование цифровых сигналов резко снижает вероятность получения искаженной информации, т.к.:

• в этом случае применимы эффективные методы кодирования, которые обеспечивают обнаружение и исправление ошибок;

• можно избежать свойственного непрерывному сигналу эффекта накопления искажений в процессе передачи и обработки, поскольку квантованный сигнал легко восстановить до первоначального уровня всякий раз, когда величина накопленных искажений приблизится к половине шага квантования.

И самое важное, в этом случае обработку и хранение информации можно осуществлять средствами вычислительной техники.