9. Дискретные сигналы

Мы рассмотрели в предыдущих разделах методы описания аналоговых сигналов и ряд способов их преобразования: модуляцию, детектирование и фильтрацию. После осуществления модуляции сигнала, его усиления, высокочастотной фильтрации, демодуляции и низкочастотной фильтрации формируется сигнал постоянного тока, пропорциональный первичному сообщению. В таком виде сигнал может быть выведен на отчетное устройство или на самописец с целью его регистрации.

Теперь обратимся к другому классу сигналов – к дискретным сигналам и способам их преобразований. Аналоговый сигнал преобразуют в дискретный сигнал с целью его ввода в цифровой процессор. Здесь можно осуществить в цифровой форме самую изощренную обработку сигналов с целью выделения из них максимума информации, необходимой для решения поставленных перед Вами целей.

9.1 Аналого-цифровое и цифро-аналоговое преобразования

Обобщенная структура системы цифровой обработки сигналов представлена на рис. 9.1.

На вход поступает аналоговый сигналx(t).

АЦП – аналого-цифровой преобразователь. На его выходе образуется сигнал, дискретизированный по времени и квантованный по уровню, то есть цифровой сигнал. Этот сигнал является потоком чисел, который в форме параллельного или последовательного кода поступает на цифровой процессор.

ЦП – цифровой процессор, который выполняет различные математические операции с поступающими числами. Наличие памяти позволяет запоминать и использовать в текущих расчетах ранее полученные значения сигналов. Результатом работы процессора является новая последовательность чисел. Они являются отчетами значений выходного аналогового сигнала.

ЦАП – цифро-аналоговый преобразователь, осуществляющий восстановление выходного сигнала по его отчетам, образованным цифровым процессором. В результате получается ступенчатый сигнал, который еще нужно сгладить.

ФНЧ – фильтр нижних частот, осуществляющий сглаживание выходного сигнала и таким образом его преобразование в настоящий аналоговый сигнал.

В цифровой форме, то есть в цифровом процессоре, можно реализовать самые различные устройства и процедуры:

• анализаторы спектров,

• цифровые фильтры,

• нелинейные преобразования сигналов (логарифмирование, возведение в степень и т.д.), компенсация нелинейностей характеристик измерительных преобразователей,

• линейные преобразования, такие как интегрирование или дифференцирование сигналов,

• именно в цифровой форме осуществляется наиболее надежная передача данных на расстояние по каналам связи.

9.2 Дискретизация измерительных сигналов

Различные параметры физических процессов перед их вводом в любую информационную систему вначале преобразуются датчиками в электрические сигналы. В большинстве случаев эти сигналы являются непрерывно изменяющимися токами или напряжениями.

Наиболее развитыми средствами информационной техники являются цифровые устройства, работающие с дискретными сигналами. Поэтому непрерывные сигналы необходимо уметь преобразовывать в дискретные. Это достигается тем, что непрерывные сигналы подвергаются операциям квантования по времени (дискретизации) и квантования по уровню.

В результате дискретизации реализация (рис. 9.2-а) непрерывного измерительного сигналапреобразуется в функцию дискретного времени, представленную последовательностью значений величин, называемых координатами сигнала. С помощью этих координат исходная функция непрерывного времени может быть может быть восстановлена с заданной точностью.

Координатами могут быть, например, мгновенные значения сигнала, отсчитанные в дискретные моменты времени (рис. 9.2-б).

При квантовании по уровню осуществляется преобразование величины (или координат сигнала) с непрерывной областью значений в значения величины с дискретной областью значений. Это преобразование реализуется путем замены мгновенного значения сигнала одним из конечного множества разрешенных значений или уровней квантования (рис. 9.2-в).

Если провести нумерацию уровней, то значению сигнала (или его координатам) будет поставлено в соответствие некоторое число (например, – от -18 до +16 на рис. 1в), которое может быть выражено в двоичном или другом коде. Тогда каждое значение сигнала представляется последовательностью сигналов двух уровней, где наличие или отсутствие импульса на определенном месте соответствует нулю или единице в данном разряде двоичного числа. Так получается цифровая форма представления сигнала.