5. Цифровая обработка сигналов

5.1. Общая характеристика цифровых сигналов и цифровых микросхем

Рис. 5.1. Искажение шумами и наводками аналогового (слева) и цифрового (справа) сигналов

При разработке электронной системы приходится делать выбор между аналоговым и цифровым сигналами, рассматривая два вопроса: влияние помех и точность обработки сигнала. При прохождении любого сигнала через реальное устройство на него всегда накладываются помехи и на выходе имеют дело с сигналом, представляющим собой сумму полезного сигнала и помехи (рис. 5.1). При обработке аналогового сигнала, имеющего непрерывный характер и в заданном диапазоне уровней могущего принимать любые значения напряжений или токов, точность представления выходной величины ограничивается достижимой точностью изготовления элементов и узлов, входящих в соответствующее устройство.

Дискретные сигналы имеют прерывистый характер, в общем случае как по времени, так и по уровню. При переходе от аналогового сигнала к дискретному проводят дискретизацию первого как по времени, так и по уровню (последнюю называют квантованием). Дискретизация по времени состоит в том, что сигнал передается не непрерывно, а только в отдельные моменты времени, следующие, как правило, через одинаковые промежутки времени Δt. Квантование заключается в том, что вместо мгновенного значения аналогового сигнала передаются ближайшие разрешенные значения по заранее установленной шкале дискретных уровней (рис. 5.2). Если вместо разрешенных значений сигнала через интервалы времени Δt передаются номера соответствующих уровней (цифры), говорят о цифровых сигналах.

Рис. 5.2. Дискретизация сигнала

При обработке цифрового сигнала принципиально можно получить большую точность за счет увеличения количества разрядов в изображении чисел. При этом требования к точности изготовления элементов, служащих для представления каждого разряда числа, будут значительно ниже, чем для элементов, используемых приработке аналоговых сигналов. Поэтому часто оказывается более рациональным использовать дискретные сигналы. Заметим, однако, что при дискретизации по уровню всегда с самого начала в сигнал замешивается ошибка, называемая ошибкой квантования ( на рис. 5.2), но зато потом, при передаче, приеме и особенно обработке сигналов, влияние помех оказывается значительно меньшим.

В современных электронных устройствах, производящих обработку дискретных сигналов, цифры представляют в двоичной системе. Сами устройства называют цифровыми, они имеют ряд преимуществ конструктивно-технологического порядка.

Во-первых, достоинством двоичной системы счисления является возможность использования элементов, имеющих только два резко различных устойчивых состояния — работающих по принципу «да», «нет» («истина», «ложь»). Например, транзистор может быть либо заперт, либо насыщен. Обычно в качестве параметра выбирают не ток, а напряжение, уровень которого может быть ВЫСОКИМ или НИЗКИМ. Эти два состояния могут представлять различные «биты» (binary digits — двойные разряды) информации. Например, следующим образом: один бит числа — ключ замкнут или разомкнут, сигнал присутствует или отсутствует, уровень аналогового сигнала выше или ниже заданного предела, некоторое событие произошло или не произошло, требуется или не требуется выполнять некоторые действия и т. д. Другими словами, состояния ВЫСОКОГО и НИЗКОГО уровней некоторым заданным образом определяют «истинные» и «ложные» значения в булевой алгебре.

Во-вторых, математические операции в двоичной системе счисления достаточно просты и для их проведения требуется небольшое число однотипных элементов, что позволяет осуществлять широкую унификацию. Цифровые устройства представляют собой набор большого числа стандартных схем, каждую из которых нужно изготавливать в больших количествах. Это создает благоприятные условия для массового производства элементов цифровых устройств, что значительно улучшает такие их показатели, как надежность, габариты, масса и стоимость.

В-третьих, высокая точность достигается за счет увеличения количества разрядов в изображении числа. При этом требования к точности изготовления и стабильности работы самих элементов не повышаются. Достаточно, чтобы у этих элементов лишь сохранялись резко выраженными фиксированные состояния, соответствующие «1» и «0» (например, проводимость и непроводимость, замыкание и размыкание контакта и т. д.), т. е. цифровые устройства, производящие вычисления с высокой точностью, могут быть построены из элементов, имеющих относительно невысокую точность работы и не требующих высокой точности изготовления деталей.

Наконец, важным фактором является экономическая эффективность цифровых устройств: простота эксплуатации, регулировки и настройки; технологичность изготовления отдельных элементов; возможность широкого использования новейших достижений микроэлектроники.

Если в какой-либо точке схемы истинное значение (логическая 1) определяет ВЫСОКИЙ уровень (при этом НИЗКИЙ уровень соответствует логическому 0), то говорят, что эта сигнальная линия использует «положительную логику», и наоборот.

Значения напряжений, соответствующих ВЫСОКИМ и НИЗКИМ уровням, могут колебаться в некотором диапазоне. Например, для ТТЛ состояние НИЗКОГО уровня может быть представлено любым значением напряжения от –0,5 до 0,4 В (типичное значение составляет величину порядка 0,3 В, что соответствует сигналу на выходе насыщенного n—p—n-транзистора с заземленным эмиттером), и ВЫСОКИЙ уровень — любым значением напряжения в пределах от +2,4 до +5,5 В (типовая величина составляет приблизительно 3,4 В).

Такие широкие диапазоны выбраны для того, чтобы изготовитель микросхем имел в своем распоряжении определенный допуск, в пределах которого параметры схемы могут изменяться за счет изменения температуры, нагрузки, напряжения питания, а также под воздействием шумов, т. е. разнообразных паразитных сигналов, которые добавляются к рабочему сигналу при его прохождении через схему (за счет емкостных связей, внешних наводок и т. п.).

Получив сигнал, схема определяет, каков его уровень (ВЫСОКИЙ или НИЗКИЙ), и действует соответствующим образом. Если помеха не превращает «1» в «0» или наоборот, то все прекрасно и любые помехи отсеиваются на каждой ступени, поскольку на выходе схемы восстанавливаются «чистые» значения «1» или «0». В этом смысле цифровая электроника не подвержена влиянию помех и является идеальной.

В течение продолжительного времени стандартным напряжением питания цифровых схем было напряжение 5 В. Такое значение напряжения использовалось для обеспечения нормального режима работы биполярного транзистора. Однако в конце 80-х стандартной технологией при проектировании интегральных схем (ИС) стала технология КМОП. Для КМОП ИС не является обязательным использование того же напряжения, что и для ТТЛ ИС, но для обеспечения совместимости со старыми системами промышленность адаптировала уровни логических сигналов к уровням сигналов ТТЛ.

Однако рост требований к скорости работы и компактности ИС при минимальной их стоимости стало причиной снижения напряжения питания ИС. Кроме того, снижение напряжения питания СБИС с субмикронными размерами элементов необходимо для предотвращения увеличения напряженности электрических полей в них. Поэтому в современной аппаратуре (особенно мобильной) напряжение питания может быть снижено до 1,3 В.

Простейшие логические преобразования осуществляют цифровые микросхемы малой степени интеграции, представляющие собой, по существу, логические элементы (например, И–НЕ, ИЛИ–НЕ). С их помощью можно построить любое цифровое устройство. Такие устройства, как малоразрядные регистры, счетчики, дешифраторы, сумматоры и т. п. выпускают в виде схем средней степени интеграции, номенклатура которых должна быть более широкой и разнообразной, так как их универсальность ниже.

С появлением БИС и СБИС схемы с тысячами и даже миллионами логических элементов стали размещаться на одном кристалле. При этом проблема снижения универсальности для ИС с жесткой структурой обострилась бы чрезвычайно — пришлось бы производить огромное число типов ИС при снижении объема производства каждого из типов, что непомерно увеличило бы их стоимость, так как высокие затраты на проектирование БИС/СБИС относились бы к небольшому объему их выпуска.

Выход из возникшего противоречия был найден на пути переноса специализации микросхем в область программирования. Появились микропроцессоры и БИС/СБИС с программируемой структурой.

Микропроцессор способен выполнять команды, входящие в его систему команд. Меняя последовательность команд (программу), можно решать различные задачи на одном и том же микропроцессоре. Иначе говоря, в этом случае структура аппаратных средств не связана с характером решаемой задачи. Это обеспечивает микропроцессорам массовое производство с соответствующим снижением стоимости.

В виде БИС/СБИС с программируемой структурой потребителю предлагается кристалл, содержащий множество логических блоков, межсоединения для которых назначает сам пользователь. Промышленность получает возможность производить кристаллы массовым тиражом, не адресуясь к отдельным потребителям. Разработан целый спектр методов программирования связей между блоками и элементами кристалла. Два указанных метода имеют большие различия. Микропроцессоры реализуют последовательную обработку информации, выполняя большое число отдельных действий, соответствующих командам, что может не обеспечить требуемого быстродействия. В БИС/СБИС с программируемой структурой обработка информации происходит без разбиения этого процесса на последовательно выполняемые элементарные действия. Задача решается «целиком», ее характер определяет структуру устройства. Преобразование данных происходит одновременно во многих частях устройства. Сложность устройства зависит от сложности решаемой задачи, чего нет в микропроцессорных системах, где сложность задачи влияет лишь на программу, а не на аппаратные средства ее выполнения.

Таким образом, БИС/СБИС с программируемой структурой могут быстрее решать задачи, сложность которых ограничена уровнем интеграции микросхем, а микропроцессорные средства — задачи неограниченной сложности, но с меньшим быстродействием. Оба направления способствуют дальнейшему улучшения технико-экономических показателей создаваемой на БИС/СБИС аппаратуры.

С ростом уровня интеграции ИС в проектировании на их основе все больше усиливается аспект, который можно назвать интерфейсным проектированием. Задачей разработки становится составление блоков из субблоков стандартного вида путем правильного их соединения. Успешное проектирование требует хорошего знания номенклатуры и параметров элементов, узлов и устройств цифровой аппаратуры и привлечения систем автоматизированного проектирования (САПР) для создания сложных систем.

ИС широкого применения изготовляют по технологиям КМОП, ТТЛШ и др. Элементы КМОП обладают рядом уникальных параметров (малая потребляемая мощность при невысоких частотах переключения, высокая помехоустойчивость, широкие допуски на величину питающих напряжений, высокое быстродействие при небольших емкостных нагрузках). Эти элементы доминируют в схемах внутренних областей БИС/СБИС. За ТТЛШ осталась в основном область периферийных схем, где требуется передача сигналов по внешним цепям, испытывающим значительную емкостную нагрузку. Элементы ЭСЛ (эмиттерно-связанная логика) обеспечивают максимальное быстродействие, но ценой повышения потребляемой мощности, что снижает достижимый уровень интеграции.