13.2 Особенности аналого-цифрового и цифро-аналогового преобразования

Правильное понимание физических процессов, происходящих при дискретизации и квантовании аналоговых сигналов, является основополагающим моментом при разработке устройств цифровой обработки сигналов. Это понимание требуется, несмотря на то, что в большинстве современных микросхем на одном кристалле объединены не только устройства квантования и дискретизации аналогового сигнала, где в основном и проявляются эти эффекты, но и блоки цифровой обработки сигнала как сигнальные процессоры, так и программируемые логические интегральные схемы.

Квантование аналогового сигнала по времени

На рисунке 13.3 приведены основные требования к устройствам дискретизации аналогового сигнала. Дискретизация непрерывных аналоговых данных должна осуществляться с интервалом времени t_д = 1/f_д. При разработке цифрового устройства этот период должен тщательно выбираться для реализации точного представления первоначального аналогового сигнала в цифровой форме.

Критерии дискретизации по котельникову

• Частота дискретизации f_д сигнала с шириной полосы f_в должна удовлетворять условию f_д > 2f_в

• Эффект наложения спектров возникает, когда f_д < 2f_в

• Эффект наложения спектров широко используются в таких задачах, как прямое преобразование ПЧ в цифровую форму

Рисунок 13.3 – Критерии неискажающей дискретизации аналогового сигнала

Очевидно, что чем больше будет взято отсчетов аналогового сигнала на интервале времени (больше выбранная частота дискретизации), тем более точным будет представление этого сигнала в цифровом виде. При уменьшении количества отсчетов в единицу времени (уменьшении частоты дискретизации) можно достигнуть предела, после которого преобразованный в цифровую форму сигнал будет искажен до такой степени, что будет невозможно восстановить его в первоначальном виде.

Иными словами, в соответствии с теоремой Котельникова требуется, чтобы частота дискретизации аналогового сигнала была, по крайней мере, вдвое больше полосы полезного сигнала, иначе информация об исходном виде аналогового сигнала будет потеряна. Если выбрать частоту дискретизации меньше (а в большинстве практических устройства и равной) удвоенной полосы частот преобразуемого аналогового сигнала, то возникает эффект, известный как наложение (заворот) спектра (aliasing).

Обычно анализ аналоговых цепей производится при помощи синусоидального сигнала. На нем проще понять физический смысл явлений, возникающих в исследуемом блоке. Так как дискретизатор является аналоговым устройством, то воспользуемся этим методом и мы. Для понимания физического смысла наложения спектра, рассмотрим эффекты, возникающие при дискретизации синусоидального сигнала. Эти эффекты мы проанализируем, как во временном, так и в частотном представлении исследуемого сигнала.

В качестве примера, иллюстрирующего эффект наложения спектра (заворота спектра), на рисунке 13.4 приведена временная диаграмма синусоидального сигнала, дискретизированного по времени идеальным дискретизатором.

Рисунок 13.4 – Влияние стробоскопического эффекта во временной области, приводящее к наложению спектров входного сигнала

В приведенном на этом рисунке примере, частота дискретизации f_д выбрана лишь ненамного выше частоты входного аналогового сигнала f_a. То есть мы нарушили теорему Котельникова! Обратите внимание, что в результате дискретизации, мы получили отсчеты сигнала, частота которого равна разности частот дискретизации и исходного сигнала f_д – f_a. То есть мы наблюдаем низкочастотный образ реального сигнала. Этот эффект известен в технике как стробоскопический эффект.

На рисунке 13.5 приведено частотное представление той же самой ситуации. На этом рисунке четко видно, что на выходе идеального дискретизатора появляется не только низкочастотная составляющая с частотой f_д – f_a, но и f_д + f_a, 2f_д – f_a, 2f_д + f_a и т.д.

Теперь рассмотрим дискретизацию одиночного синусоидального сигнала с частотой f_a идеальным дискретизатором с частотой следования стробирующих импульсов f_д. Пусть, f_д > 2f_a. В частотном спектре на выходе дискретизатора появляются гармоники частоты дискретизации f_д, промодулированные исходным сигналом, в результате чего появляются образы входного сигнала на частотах, равных |±Kf_д ± f_a|, где K = 1, 2, 3, 4, ... Эта ситуация отчетливо видна на спектре сигнала полученного с выхода идеального дискретизатора, приведенном на рисунке 13.5.

Рисунок 13.5 – Спектр дискретизированного аналогового сигнала

Полоса сигнала по Котельникову определяется как спектр от постоянного тока до f_д/2. Частотный спектр на входе дискретизатора разделяется на бесконечное число зон. Полоса частот каждой зоны составляет 0,5f_д. На практике идеальный дискретизатор перемещает все высокочастотные образы сигнала в полосу частот от 0 до f_д/2 и накладывает их на сигнал, присутствующий в первой зоне Котельникова.

Теперь рассмотрим случай, когда частота полезного сигнала выходит за пределы первой зоны Котельникова. При частоте сигнала, немного ниже частоты дискретизации, временная диаграмма приведена на рисунке 1.4. Этот случай тоже можно проиллюстрировать рисунком 13.5, однако на этот раз в качестве входного сигнала следует рассматривать сигнал во второй зоне Котельникова, а компонента сигнала в первой зоне возникает после процесса дискретизации.

Обратите внимание, что, несмотря на то, что сигнал находится вне первой зоны Найквиста, его продукт преобразования f_д – f_a попадает внутрь этой зоны. Возвращаясь к рисунку 13.5, становится ясно, что, если мешающий сигнал появляется на любом из образов входной частоты f_a, то он тут же переносится на частоту f_a, приводя, таким образом, к появлению мешающего частотного компонента в первой зоне Котельникова.

Такой процесс подобен работе аналогового смесителя. Это означает, что перед устройством дискретизации сигнала обязательно требуется аналоговая фильтрация, подавляющая компоненты входного сигнала, частоты которых находятся вне полосы первой зоны Котельникова и после дискретизации попадают в ее пределы. Требования к амплитудно-частотной характеристике аналогового фильтра на входе дискретизатора будут зависеть от того, как близко частота внеполосного сигнала отстоит от f_д/2, а также величиной требуемого подавления. Эти вопросы мы рассмотрим позднее в главе, посвященной фильтрам, предназначенным для устранения эффекта наложения спектров.

Погрешности дискретизатора

До сих пор предполагалось, что квантование по времени производится дельта импульсами (импульсами с нулевой длительностью). Однако это математическая абстракция. Обычно сигнал на входе аналого-цифрового устройства запоминается на емкости на время, достаточное для преобразования этого сигнала в цифровое значение. Для реализации подобного устройства можно воспользоваться схемой устройства, приведенной на рисунке 13.6.

Рисунок 13.6 – Принципиальная схема устройства выборки и хранения

Такая схема обычно называется устройством выборки и хранения (УВХ). В приведенной на рисунке 13.6 схеме, малое время заряда запоминающей емкости обеспечивается низким выходным сопротивлением буферного усилителя DA1. Большое время хранения, необходимое для обеспечения заданной точности работы аналого-цифрового преобразователя, обеспечивается большим входным сопротивлением буферного усилителя DA2.

При выполнении перечисленных выше условий, отношение времени хранения к времени заряда запоминающей емкости C1 будет определяться в основном отношением сопротивлений закрытого и открытого ключа K1.