2 семестр / практика 4 1 варант 2 семестр / практика 4 отчёт
.docx1. Перечислить преимущества использования цифровых методов передачи сигналов.
В современных информационных системах преимущественно используются цифровые методы передачи и коммутации сигналов. Это обусловлено рядом преимуществ цифровых методов перед аналоговыми: 1) высокая помехоустойчивость за счет представления информации в виде последовательности символов (сигналов) с малым числом разрешенных уровней (обычно не более трех) и детерминированной частотой следования, что резко снижает влияние помех и искажений на качество передачи;
2) слабая зависимость качества передачи от длины линии связи, так как в пределах отдельных участков искажения сигналов оказываются ничтожно малыми;
3) стабильность параметров при записи и воспроизведении информации, эффективность использования пропускной способности каналов при передаче дискретных сигналов, что обусловлено малой долей аналоговых в устройствах обработки сигналов;
4) использование компактных устройств для хранения информации, 3 (жесткие диски компьютеров или лазерные диски);
5) высокие технико-экономические показатели, поскольку передача и коммутация сигналов в дискретной (цифровой) форме позволяют реализовать весь аппаратный комплекс на чисто электронной базе с широким применением цифровых интегральных схем. Это позволяет добиться высокой степени унификации узлов оборудования, снизить его стоимость, энергопотребление и массогабаритные характеристики, а также упростить изготовление и эксплуатацию, повысить надежность оборудования;
2. Что называется квантованием?
Квантованием называется преобразование электрического сигнала, непрерывного во времени и по уровню, в последовательность дискретных (отдельных) либо дискретно-непрерывных сигналов, в совокупности отображающих исходный сигнал с заранее установленной ошибкой.
3. Охарактеризуйте применяемые виды квантования.
Квантование сигнала производится по времени (дискретизация), уровню или по обоим параметрам одновременно. При дискретизации сигнал через равные промежутки времени Δt=ti-ti-1 прерывается (импульсный сигнал) либо изменяется скачком (ступенчатый сигнал). Например, непрерывный сигнал, проходя через контакты периодически включаемого электрического реле, преобразуется в последовательность импульсных сигналов. При бесконечно малых интервалах включения (отключения), получается точное представление непрерывного сигнала. При квантовании сигнала по уровню соответствующие мгновенные значения непрерывного сигнала заменяются ближайшими дискретными уровнями, которые образуют дискретную шкалу квантования. Любое значение сигнала, находящееся между уровнями, округляется до значения ближайшего уровня. Разность между соседними разрешенными уровнями называется шагом квантования q. Если q = соnst во всем диапазоне изменений амплитуды, квантование называется равномерным. Равномерное квантование технически проще реализуемо, но плохо защищено от шумов (ошибки) квантования - разности между истинным значением сигнала и квантованным: δ=Uист - Uкв. При 4 слабых сигналах при равномерном квантовании ошибка возрастает. В этих случаях прибегают к неравномерному квантованию. Шаг квантования q берется минимальным и увеличивается с ростом амплитуды сигнала. Эффект неравномерного квантования можно получить путем сжатия динамического диапазона (глубины дискретизации) сигнала с помощью «компрессора», имеющего нелинейную амплитудную характеристику, и последующего равномерного квантования. На приеме для восстановления исходного динамического диапазона сигнала необходимо установить экспандер (расширитель) с характеристикой, обратной характеристике компрессора. При этом результирующая характеристика цепи компрессорэкспандер (компандер) должна быть линейной во избежание нелинейных искажений сигналов.
4. Как осуществить квантование по уровню?
Квантование по уровню: диапазон напряжения сигнала от до делится на интервалы. Величина каждого интервала Δq (шага квантования) заранее выбрана. Проводятся линии, параллельные оси времени и обозначающие уровни квантования.
Переход с одного уровня на другой происходит, когда значение непрерывного сигнала находится в середине интервала квантования, так как в этот момент абсолютная погрешность квантования оказывается наибольшей и равной ±q/2. Интервалы квантования делят пополам, проводят горизонтальные пунктирные линии до пересечения их с аналоговым 7 сигналом. В точках пересечения значения передаются наименее точно. В других точках возникает ошибка квантования, равная разности между значениями аналогового сигнала и ближайшим уровнем.
Каждому интервалу присваивается -разрядный двоичный код — номер интервала, записанный двоичным числом. Каждому отсчёту сигнала присваивается код того интервала, в который попадает значение напряжения этого отсчёта. Таким образом, аналоговый сигнал представляется последовательностью двоичных чисел, соответствующих величине сигнала в определённые моменты времени, то есть цифровым сигналом. При этом каждое двоичное число представляется последовательностью импульсов высокого (1) и низкого (0) уровня.
5. Как осуществить квантование по времени?
При квантовании аналогового сигнала по времени ось времени делится на интервалы, отстоящие друг от друга на величину Δt. Через эти точки проводятся вертикальные линии до пересечения с аналоговым сигналом, и определяются дискретные значения, начиная с х0(t). Это значит, что сигнал будет передаваться не бесконечным множеством значений, а определенным количеством. Чем больше дискретных значений передается за время Т (равное длительности существования сигнала), тем меньше шаг квантования Δt, тем с большей точностью будет восстановлена функция на приемной стороне.
6. Как осуществить квантование по уровню и по времени?
При квантовании по уровню и времени сначала проводят линии, параллельные оси х с шагом Δt, затем уровни с шагом q, параллельные оси времени. Квантование осуществляют заменой через шаг Δt значений аналогового сигнала ближайшим дискретным уровнем. Точки проставляются только на пересечениях вертикальных и горизонтальных линий. Погрешность квантования определяется как сумма погрешностей квантования по отдельным видам.
7.Ошибки квантования
Источниками ошибок в процессах обработки сигналов являются округление (усечение) результатов арифметических операций, шум аналого-цифрового квантования входных аналоговых сигналов, неточность реализации характеристик цифровых фильтров из-за округления их коэффициентов (параметров).
Шум квантования (грануляционный шум)
Ошибки квантования формируют нежелательный сигнал, выражающийся как широкодиапазонный шум, равномерно распределенный по всему спектру - от 0 Гц до половины частоты дискретизации, известной как частота Найквиста.
Поскольку максимальное округление может составлять половину наименьшего знакомого системе значения,
Что это означает? А то, что максимальная ошибка, и, как следствие, шум, внесенный в результате ошибки, будет составлять 3.01 dB, поскольку каждый бит соответствует 6,02 dB динамического диапазона.
Поскольку шум квантования не взаимосвязан с характеристиками полезного сигнала и имеет скорее рандомальный характер, по своей сущности он сильно напоминает белый шум.
Способы борьбы
Одним из способов уменьшить уровень шума в критическом диапазоне 20 Гц - 20 КГц, является применение техники передискретизации (использование гораздо более высокой частоты дискретизации, чем минимально необходимая) и различных алгоритомов, с помощью которых возможно перераспределить общую мощность шума квантования таким образом, чтобы основная его часть приходилась на диапазон, находящийся за границей слышимого спектра. Дополнительным преимуществом передискретизации является возможность сдвинуть частоту Найквиста, таким образом, что наличие в аналоговом сигнале частот более 20 КГц не будет приводитъ к эффекту изветстным под названием алиасинг (aliasing).
