Добавил:

ivanov666 Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.

Вуз:

Башкирский Государственный Аграрный Университет

Предмет:

[НЕСОРТИРОВАННОЕ]

Файл:

Учебно-методическое пособие по дисциплине «Технологии и оборудование производства программ телевизионного и звукового вещания». Учебно-методическое по

.pdf

Скачиваний:

Добавлен:

07.09.2026

Размер:

1 Мб

Скачать

☆

<<< < Предыдущая 1 2 3 4 5 67 / 97 8 9 > Следующая >>>

Рисунок 2 – Дискретное представление сигналов

Интервал времени tд, через который отсчитываются значения

непрерывного сигнала, называется интервалом дискретизации. Обратная

величина 1/tд (обозначим ее f

) называется частотой взятия отсчетов, или

частотой дискретизации.

Отсчеты непрерывного сигнала, следует брать с такой частотой (или через такой интервал времени), чтобы успевать отследить все, даже самые быстрые, изменения сигнала. Иначе при восстановлении этого сигнала по дискретным отсчетам часть информации будет потеряна, и форма восстановленного сигнала будет отличаться от формы исходного (рисунок 3). Это означает, что звук на приеме будет восприниматься с искажениями.

Рисунок 3 – Искажение формы восстановленного сигнала

Спектр дискретного сигнала содержит спектр исходного сигнала (в

диапазоне частот от 0 до F

). Чтобы восстановить исходный сигнал из

дискретного, достаточно пропустить дискретный сигнал через фильтр

нижних частот с граничной частотой полосы пропускания Fс и подавить все

«боковые» спектры. На выходе такого фильтра появится исходный

Исходный непрерывный

сигнал

Восстановленный

сигнал

0 t д

2 t д

3 t д t 5 t д

4 t д

0 t д

2 t д

3 t д t 5 t д

4 t д

i(t)

U(t)

непрерывный сигнал.

При слишком редкой дискретизации (низкая частота дискретизации fд и большой интервал дискретизации t

) будет иметь место наложение на

спектр исходного сигнала «бокового» спектра (рисунок 4, а). Это приведет к искажению формы исходного спектра, и значит, к отличию восстановленного сигнала от исходного. Наоборот, более частая дискретизация позволит легко восстановить непрерывный сигнал из дискретного с помощью несложного фильтра нижних частот (рисунок 4, б). Таким образом, для безыскаженного

восстановления непрерывного сигнала из дискретного необходимо частоту дискретизации fд выбирать не ниже удвоенной ширины его спектра

(рисунок 4, в).

Обычно отсчетные значения на кривой берут «с запасом»: не в 2 раза чаще, чем колеблется звук, а, в 3 – 4 раза. В этом случае они очень хорошо передают форму кривой.

В 1933 году в работе «О пропускной способности «эфира» и проволоки в электросвязи» русский ученый В.А. Котельников доказал теорему, ставшую основополагающей в теории и технике цифровой связи. Суть этой теоремы состоит в том, что непрерывный сигнал, у которого спектр ограничен частотой F, может быть полностью и однозначно восстановлен по

его дискретным отсчетам, взятым с частотой f

= 2Fс, то есть через

интервалы времени t

=1/ 2Fc.

Мы не приводим полную математическую формулировку теоремы, а также ее доказательство, а лишь ограничиваемся указанием сути теоремы.

Рисунок 4 – Спектр дискретного сигнала

а) – спектр сигнала, при fд < 2Fс; б) – спектр сигнала, при fд > 2Fс;

в) – спектр сигнала, при fд = 2Fс.

а)

f, Гц

U(f

б)

Fс

f, Гц

U(f

в)

Fс

f, Гц

U(f

Квантование и кодирование

КВАНТОВАНИЕ. Пусть в результате дискретизации непрерывного сигнала

s(t) была получена последовательность узких импульсов, которая

представляет собой амплитудно-модулированный сигнал (АИМ-сигнал). Амплитуды импульсов равны в этом случае мгновенным значениям сигнала

s(t) в моменты i x t

, где i = 0, 1, 2, 3, ...; tд– период следования импульсов,

или интервал дискретизации.

Подвергнем полученный АИМ-сигнал квантованию по уровню

(рисунок 5). Для этого диапазон возможных значений амплитуд (то есть диапазон значений первичного сигнала) делится на отрезки, называемые

шагами квантования



. Границы этих отрезков являются разрешенными

для передачи значений амплитуд импульсов. Таким образом, амплитуды передаваемых импульсов будут равны не мгновенным значениям первичного сигнала, а ближайшим разрешенным уровням. Такое преобразование первичных сигналов можно называть квантованной амплитудно- импульсной модуляцией (КАИМ). Особенностью КАИМ-сигнала является то, что все его уровни можно пронумеровать (а их число хотя и большое, но конечное) и тем самым свести передачу КАИМ-сигнала к передаче последовательностей номеров уровней, которые этот сигнал принимает в моменты i x tД.

Если шаги квантования одинаковы и не зависят от уровня квантования, то квантование называют равномерным. Возможно неравномерное квантование, при котором шаги квантования различны.

В процессе квантования возникает ошибка вследствие того, что передаваемый квантованный сигнал отличается от истинного. Эту ошибку можно рассматривать как специфическую помеху – шум квантования. Последний представляет собой случайную последовательность импульсов (рисунок 6), максимальное значение амплитуды которых не превышает половины шага квантования. Чем меньше шаг квантования, тем меньше шум, но больше число передаваемых разрешенных уровней.

Следующий шаг в преобразовании сигнала состоит в переводе квантованного АИМ-сигнала в цифровой. Эта операция называется

Рисунок 5 – Квантование

АИМ-сигнала по уровню

Рисунок 6 – Шум квантования





4 3 2 1

-1

-2

-3

-4

()



кодированием КАИМ-сигнала.

КОДИРОВАНИЕ. В результате дискретизации и квантования получается дискретный сигнал (дискретен по уровню и во времени). Для передачи этого сигнала по каналу связи, а также для записи на ленту или диск он должен быть преобразован в другой вид. Этот процесс называется

кодированием.

Квантованный отсчет сигнала является элементом дискретного сигнала с большим числом уровней, например, 2, 4, 8, 16, 32, 64, 128, или более. Его можно передавать непосредственно по каналу только при условии, что в канале уровень помех значительно ниже уровня кванта. Это очень сложно реализовать на практике, особенно, если много уровней квантования т.к. при неизменной амплитуде сигнала амплитуда одного кванта уменьшается с увеличением количества уровней. В противном случае информация об исходном сигнале будет искажена, и мы не сможем восстановить исходный сигнал.

Цель кодирования – представить один элемент с большим основанием в виде группы элементов с малым основанием, так как последние лучше согласуются с параметрами канала связи. Эта группа

называется кодовым словом. Например, выборка, квантованная в один из 16 уровней, может быть представлена комбинацией из четырех элементов двоичных символов. Каждый двоичный разряд имеет два значения уровня 0 и 1, а пять разрядов дают 24 = 16 комбинаций (рисунок 7, а).

Существует много способов установления однозначного соответствия между квантованными уровнями и кодовыми комбинациями. Один из удобных способов – выражать порядковые номера квантованных уровней в виде двоичных чисел.

n = a

m-1

+ a

m-2

+…+ a020,

где n – кодируемого уровня квантования;

m – число разрядов в кодовой группе (слове); а – число, принимающее значение 0 или 1.

Кодовая комбинация, соответствующая числу n, содержит

передаваемые последовательно a

m-1

, a

m-2

... a0.

Необходимое число разрядов (длина кодового слова) для кодирования

при заданном максимальном числе уровней квантования n

макс

определяется

из выражения m=log2n

макс

, например, максимальное число уровней

квантования 32, тогда число разрядов m =log232 = 5. Если кодовая группа содержит m символов 0 или 1, то с помощью такого m-разрядного двоичного

кода можно закодировать число до n

макс

= 2

, например кодовая группа

содержит 5 символов, тогда n

макс

= 25 = 32.

Кодирующее устройство (кодер) может формировать одновременно (последовательно или параллельно) несколько элементов кодовой комбинации. Их можно передавать последовательно по общему каналу (рисунок 7, б), либо параллельно (рисунок 7, в) по индивидуальным каналам.

Более распространенной является передача в последовательной форме.

На практике дискретизация, квантование и кодирование объединяются

в общем функциональном узле аппаратуры.

Достоинством цифровых систем связи является возможность применения кодирования для повышения помехоустойчивости, а также удобство обработки сигналов.

Рисунок 7 – Кодирование квантованного сигнала

а) –квантованный сигнал (16 уровней);

б) последовательное кодирование сигнала;

в) параллельное кодирование сигнала.

U(t)

1 символ

U(t)

1 символ

(0000) 0

(0001) 1

(0010) 2

(0011) 3

(0100) 4

(0101) 5

(0110) 6

(1000) 8

(1001) 9

(1010) 10

(1011) 11

(1100) 12

(1101) 13

(1110) 14

(0111) 7

(1111) 15

уровни

а)

б)

в)

Успехи в развитии интегральной микросхемотехники позволили объединить в корпусе одной небольшой микросхемы электронный ключ и кодер. Эта микросхема преобразует непрерывную (часто говорят аналоговую) электрическую величину в двоичный цифровой код и известна под названием аналого-цифрового преобразователя (АЦП). Выпускаются АЦП с 8-, 10- и более разрядными двоичными кодами.

Интересно подсчитать, какую скорость имеет цифровой поток,

полученный из непрерывного сигнала путем дискретизации его с частотой fд =8 кГц или через t

=1/fд = 125 мкс и 8-разрядного кодирования. За секунду

ток изменяется 8000 раз. В 8-разрядном кодере каждое измеренное значение тока представляется двоичным словом из 8 бит. Значит, каждую секунду в линию отправляется 8000  8 = 64000 бит, то есть скорость цифрового потока равна 64 кбит/с.

Кодовая комбинация из 8 бит, образующая двоичное слово, называется

байтом. Символы в каждой кодовой комбинации отделены друг от друга

временным интервалом tт, то есть следует с частотой fT=1/t

. Эта частота

называется тактовой. Преобразование отсчетов непрерывного сигнала в двоичный код называется импульсно-кодовой модуляцией (ИКМ). В настоящее время этот способ получения цифровых сигналов из аналоговых наиболее распространен. Системы передачи, использующие данное преобразование сигналов, называются ИКМ системами. В иностранной литературе используется аббревиатура РСМ (от английских слов pulse code modulation, что в переводе как раз и означает импульсно-кодовая модуляция).

ВОССТАНОВЛЕНИЕ АНАЛОГОВЫХ СИГНАЛОВ

Цифровой сигнал, проходя по линии связи, ослабляется, искажается и подвергается воздействию различных помех, что приводит к изменению формы и длительности импульсов, уменьшению их амплитуды и случайным временным сдвигам. Поэтому, как только появилась первая линия связи (телеграфный провод), так сразу перед связистами встала задача – направить все свои силы на борьбу с искажениями, которые есть всегда. Не существует такой линии связи, которая не вносила бы искажений в передачу информации. Правда, чем короче линия, тем эти искажения менее заметны. Искажения ограничивают дальность связи и иногда весьма существенно, поскольку на приеме из-за них бывает очень трудно определить, какая информация передавалась.

Для восстановления параметров цифрового сигнала в линейном тракте СП с ИКМ через определенные расстояния устанавливаются регенераторы, т.е. устройства, восстанавливающие параметры цифрового сигнала.

В процессе регенерации (восстановления) цифрового сигнала выполняются следующие основные операции:

 усиление восстанавливаемых импульсов, так как при прохождении по

линии связи они испытали затухание;

 коррекция формы импульсов, так как при прохождении цифрового

сигнала по линии связи из-за неидеальности амплитудно-частотных и фазочастотных характеристик форма импульсов линейного сигнала искажается;

 сравнение усиленных и откорректированных импульсов с пороговым

значением для определения наличия или отсутствия сигнала на фоне помех;

 стробирование импульсов, в результате которого создаются такие

условия, при которых импульсы цифрового сигнала на выходе регенератора формируются в строго определенные моменты;

 формирование новых импульсов с заданными параметрами и в

определенные моменты времени.

Структурная схема регенератора и временные диаграммы, поясняющие его работу, приведены на рисунке 8 и 9 соответственно, где приняты следующие обозначения:

Рисунок 8 – Структурная схема регенератора

КУ – корректирующий усилитель, предназначенный для компенсации затухания регенерационного участка и коррекции амплитудно-частотных искажений, вносимых линией, и тем самым коррекции формы импульсов для полного или частичного устранения влияния одних импульсов на другие;

ПУ – пороговое устройство, предназначенное для определения превышения сигнала над помехами; если амплитуда импульса больше U

nop

то на выходе порогового устройства появляется импульс, если же амплитуда импульса меньше U

пор

, то на выходе порогового устройства импульс не

появляется; импульсы с выхода ПУ подаются на решающее устройство (РУ);

ВТЧ – выделитель тактовой частоты, предназначенный для формирования коротких стробирующих импульсов; стробирующие импульсы фазируются относительно входных символов таким образом, что в середине тактовых интервалов, где амплитуда входных импульсов максимальна; стробирующие импульсы подаются на второй вход решающего устройства;

РУ – решающее устройство, необходимое для опробывания (стробирования) в каждом такте поступающих символов; если в момент прихода на РУ стробирующего импульса с выхода ВТЧ поступает импульс с выхода ПУ, то на выходе РУ появляется импульс, т.е. фиксируется «1» информационного сигнала; если же в момент поступления стробирующих

КУ

ПУ

РУ

ФВИ

ВТЧ

импульсов с выхода ВТЧ на вход РУ импульс не поступает, то на выходе РУ импульс не появляется, т.е. фиксируется «0» информационного сигнала;

ФВИ – формирователь выходных импульсов, т.е. формирование их амплитуды, длительности и взаимного временного соотношения между символами линейного цифрового сигнала, следующих с тактовой частотой;

Линейный цифровой сигнал (Рисунок 9, а) с выхода тракта передачи или предыдущего регенератора поступает в линию. При прохождении по линии сигнал испытывает затухание, искажения и воздействие помех, поэтому на приеме часто устанавливают корректирующий усилитель. Принятый сигнал на входе усилителя имеет вид, показанный на рисунке 9, б. Сигналы на выходе корректирующего усилителя показаны на рисунке 9, в. Если на входе порогового устройства (ПУ) сигнал превышает пороговое

значение U

пор

, то на выходе ПУ появляется сигнал, условно показанный на

рисунке 9, г. С выхода ПУ сигналы поступают на один из входов решающего устройства (РУ), на другой вход которого поступают стробирующие импульсы с выхода выделителя тактовой частоты (ВТЧ). При совпадении символов «1» на входе РУ со стробирующими импульсами на выходе РУ появляются символы, соответствующие «1» (рисунок 9, е). Эти символы поступают на вход формирователя выходных импульсов (ФВИ), где восстанавливаются первоначальные амплитуда и длительность импульсов линейного цифрового сигнала (рисунок 9, ж).

Для качественной работы регенератора очень важен выбор величины порога срабатывания. Если порог выбран небольшим, то ПУ будет уверенно обнаруживать каждый переданный импульс, даже очень сильно «изъеденный» помехой (при условии, конечно, что он не исчез совсем). Но зато при этом нет никакой гарантии, что из-за частого превышения шумом невысокого порога не будут пропущены те моменты, когда передавались нули, и, следовательно, импульсы в линии отсутствовали. Наоборот, если пороговую «планку» поднять очень высоко, то ПУ не пропустит почти ни одного 0 (кроме тех редких случаев, когда шум будет очень большим). Но вместе с тем он не будет «замечать» большое число импульсов, амплитуды которых уменьшились из-за воздействия помех и оказались ниже порогового уровня. На рисунке 10, показано влияние величины порога на вероятность ошибочных решений. С увеличением порогового значения растет вероятность пропуска 1, но одновременно уменьшается вероятность пропуска 0. Пересечение этих кривых – оптимальное решение. При пороговом значении, равном как раз половине высоты импульса, риск пропустить ту или другую цифру (0 или 1) будет одинаковым.

Синхронизация работы ФВИ от ВТЧ обеспечивает устранение флуктуации временного положения импульсов, возникающих в процессе их передачи. Эти флуктуации называются фазовыми дрожаниями.

 Из описания  оптимальный выбор значения порогового напряжения U

пор

;

кратковременность стробирования, осуществляемого в момент достижения импульсом на входе принципа действия регенератора цифровых систем передачи, можно выделить основные особенности его технической реализации, которые обеспечивают минимум ошибок в работе:

 частотная характеристика усиления корректирующего усилителя

должна соответствовать частотной характеристике затухания регенерационного участка;

 на выходе усилителя должно быть обеспечено максимальное

отношение сигнал/шум; порогового устройства наибольшего значения. Таким образом, помехи, амплитуда которых не превысит U

пор

, не вызовут

ошибочного решения РУ, и помехи, превышающие U

пор

, но не совпадающие

с моментами стробирования, также не приведут к ошибкам.

Рисунок 9 – Временные диаграммы работы регенератора

На выходе выделителя тактовой частоты - ВТЧ

На выходе формирователя выходных импульсов - ФВИ

На выходе решающего устройства - РУ

На выходе корректирующего усилителя

На выходе предыдущего регенератора

На входе регенератора

На выходе порогового устройства

а)

б)

в)

г)

д)

е)

ж)

Uпор

Регенераторами снабжаются все цифровые системы передачи, работающие по электрическим и оптическим кабелям, радиорелейным и спутниковым стволам. На радиорелейных линиях связи регенераторы размещаются вместе с приемной аппаратурой на промежуточных и оконечных башнях (или мачтах), а на спутниковых линиях – на самом спутнике и на приемных земных станциях.

Рисунок 10 – Влияние величины порога на вероятность

ошибочных решений

При приеме сигналов ИКМ для восстановления аналогового сигнала необходимо преобразовать цифровой сигнал (последовательность двоичных импульсов) в квантованный АИМ сигнал (такое преобразование называется декодированием и затем осуществить операцию демодуляции, то есть

выделения из АИМ-сигнала аналогового сигнала s(t).

Итак, при использовании ИКМ выполняются следующие преобразования аналогового сигнала: в пункте передачи – амплитудно-импульсная модуляция, квантование и кодирование; в пункте приема – декодирование и демодуляция квантованного АИМ–сигнала. Полученный на приеме аналоговый сигнал отличается от переданного, так как образуется из квантованных импульсов, амплитуды которых равны не мгновенным

значениям сигнала s(t), а ближайшим разрешенным значениям.

Таким образом, операция квантования вносит в процесс передачи сигнала неустранимую ошибку, которая тем меньше, чем больше уровней квантования.

А как узнать, какое десятичное число скрывается под его записью в двоичной системе? Правило простое: под каждым разрядом двоичного числа следует записать его «вес». Те «веса», которые соответствуют единичным разрядам, нужно сложить. Полученная сумма и явится десятичным числом. Вот перед нами число 1001011, записанное в двоичной нумерации. Поступаем согласно сказанному выше (таблица 1):

Величина порога в долях амплитуды импульса

Оптимальная величина

Вероятность ош

ибочного

0,25

0,5

0,75

порога равна половине

высоты импульса

решения

Принят 0 вместо 1

Принята 1 вместо 0

<<< < Предыдущая 1 2 3 4 5 67 / 97 8 9 > Следующая >>>

Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]