Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Учебно-методическое пособие по дисциплине «Технологии и оборудование производства программ телевизионного и звукового вещания». Учебно-методическое по
.pdf
71
Таблица 1
1 0 0 1 0 1 1
64 0 0 8 0 2 1
Как видим, заинтересовавшее нас число складывается из единицы,
двойки, восьмерки и шестидесяти четырех (1 + 2 + 8 + 64). Очевидно, оно
равно 75. Попробуйте самостоятельно определить, какому числу соответствует его двоичная запись 10110011.
Отметим еще раз, что восстановленная таким путем кривая
непрерывного тока будет несколько отличаться исходной формы тока, она
будет иметь плоские ступеньки между отсчетными значениями. Можно
сказать, что процесс взятия отсчетных значений и последующего
восстановления непрерывной кривой тока сопровождается специфическими
искажениями, которые могут повлиять на качество воспроизведения звука.
Однако на практике для восстановления тока используют не конденсатор, а
более сложные схемы, делающие форму восстановленного тока похожей на
форму исходного тока и тем самым сводящие на нет действия указанных
искажений.
РАДИОТЕХНИЧЕСКАЯ СИСТЕМА
Радиотехническая система (РТС) предназначена для передачи и приема
сообщений (рисунок 11). Источником сообщений (1) может быть какое-либо
физическое явление, человек или устройство, а получателем сообщений
может выступать как человек, так и устройство.
Для начала необходимо преобразовать сообщение в электрический
сигнал (2). Далее сигнал подается на фильтр нижних частот (3) для
ограничения спектра первичного электрического сигнала, так как в
соответствии с теоремой Котельникова дискретизируемый сигнал должен
иметь ограниченный спектр.
После ФНЧ сигнал подается на аналого-цифровой преобразователь (4),
который предназначен для преобразования аналогового сигнала в цифровую
форму. АЦП состоит из трёх этапов и включает в себя три блока
преобразования сигнала.
Амплитудно-импульсный модулятор (АИМ) или дискретизатор, в
котором происходит дискретизация сигнала по времени через интервал
времени t: для этого на АИМ подаются узкие прямоугольные импульсы с
интервалом t от генератора тактовых импульсов (ГТИ). Далее дискретный
по времени сигнал подается на квантователь, в котором полученные значения
отсчетов мгновенных значений квантуются. После этого последовательность
квантованных значений передаваемого сообщения представляется в виде
последовательности кодовых комбинаций. Такое преобразование называется
импульсно-кодовой модуляцией. Чаще всего кодирование осуществляется в
виде представления каждого уровня в двоичной системе счисления (0 или 1).
72
После АЦП может устанавливаться помехоустойчивый кодер (5), так как
при передачи на сигнал могут действовать различные помехи.
Затем совокупность кодовых комбинаций поступает на модулятор (6),
который и преобразует код в сигнал, пригодный для передачи по линии
связи. Общий принцип модуляции состоит в изменении одного или
нескольких параметров несущего колебания в соответствии с передаваемым
сообщением. После этого сигнал готов для передачи. Передача осуществляется по линии связи (7) (LC)-среде, использующейся для передачи
сигналов от передатчика к приемнику. В системах электросвязи ЛС
представляет собой кабель, а в системе радиосвязи- область пространства, в
которой распространяются электромагнитные волны.
На приемной стороне сигнал подается на детектор (8), это устройство
выполняет функцию демодуляции и преобразует принятый сигнал в
последовательность кодовых комбинаций. Далее кодовая последовательность
подается на декодер (9), это устройство, восстанавливающее исходный код,
обнаруживающее и устраняющее ошибки. После декодера кодовые
комбинации преобразуются в квантованную последовательность отсчетов в
цифро-аналоговом преобразователе (10). После этого ФНЧ (11) восстанавливает непрерывное сообщение по отсчетам (в соответствии с теоремой
Котельникова). Готовый аналоговый сигнал, соответствующий переданному, преобразуется в сообщение (12) и поступает к получателю (13).
Рисунок 11 – Структурная схема радиотехнической системы
Временные и спектральные диаграммы на выходе блоков
радиотехнической системы представлены на рис. 12 – 16.
13
12
10
9
8
7 линия связи
АЦП
источник
сообщения
исходное
сообщ. эл.
сигнал
АИМ
кванто
ватель
ИКМ
кодер
ПУ
модулятор
ГТИ
детектор
декодер
ЦАП
эл. сигнал
исходное
сообщ.
получатель
сообщения
11
73
Рисунок 12 – Временная и спектральная диаграмма исходного сигнала
Рисунок 13 – Временная и спектральная диаграмма на выходе ФНЧ
Рисунок 14 – Временная и спектральная диаграмма на выходе
дискретизатора.
Рисунок 15 – Временная и спектральная диаграмма на выходе квантователя
Рисунок 16 – Закодированная последовательность импульсов на выходе
импульсно-кодового модулятора
t, сек
U(t),B
f
в
f, Гц
U(f
fд f
в
f, Гц
U(f
U(t),B
t, сек
f, Гц
U(f
U(t),B
t, сек
t, сек
U(t),B
f
в
f, Гц
U(f
f
д
t, сек
U(t),B
74
ИССЛЕДОВАНИЕ ЦИФРОВОГО ГЕНЕРАТОРА
СИНУСОИДАЛЬНЫХ КОЛЕБАНИЙ
Методические указания к лабораторной работе №6
75
1 ЦЕЛЬ РАБОТЫ
8.1 Изучить методы генерирования сигналов.
8.2 Исследовать работу цифрового генератора.
9 ПОДГОТОВКА К РАБОТЕ
9.1 Изучить следующие вопросы:
а) понятие о цифровых сигналах;
б) дискретизация аналоговых сигналов;
в) квантование и кодирование;
г) восстановление аналоговых сигналов.
2.2 Изучить методические указания к лабораторной работе.
2.3 Подготовить ответы на контрольные вопросы.
10 ЗАДАНИЕ К РАБОТЕ
3.1 Работа рассчитана на одно занятие в компьютерном зале. Работа
выполняется в компьютерном зале бригадой из одного - двух или трех
студентов, в зависимости от величины группы и возможностей
компьютерного зала.
3.2 Изучить конструкцию генератора и его составляющих.
3.3 Получить синусоидальные колебания с различными параметрами.
11 ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ
4.1 С разрешения преподавателя запустить программу MATLAB 6.5.
4.2 Левой кнопкой мыши двойным нажатием открыть DigitalGenerator.
4.3 Подключить к выходу схемы осциллограф:
- нажатием левой кнопки мыши открыть подпрограмму Simulink
Library browser на панели инструментов → Simulink → Sinks →
Scope;
- поместить осциллограф Scope на схему: левой кнопкой мыши
подтянуть Scope на рабочее пространство.
4.4 Открыть окно осциллографа двойным нажатием левой кнопки
мыши. Нажать кнопку параметры, изменить число входов
осциллографа с 1 на 7.
4.5 Сделать подключение осциллографа к выходам отдельных блоков
генератора: генератора тактовых импульсов, цифро-аналогового
преобразователя,
4.6 Запустить программу на выполнение: нажать кнопку Start
Simulation на панели инструментов. Через несколько секунд
остановить нажатием кнопки Stop Simulation.
4.7 Открыть окно осциллографа двойным нажатием левой кнопки
мыши. Нажать кнопку Auto scale.
76
4.8 Зарисовать осциллограммы.
12 СОДЕРЖАНИЕ ОТЧЕТА
12.1 Титульный лист.
12.2 Цель и задачи работы.
12.3 Диаграммы работы генератора.
12.4 Выводы.
13 КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ
13.1 Что такое цифровой сигнал?
13.2 Что называется интервалом дискретизации?
13.3 С какой частотой следует дискретизировать аналоговый сигнал?
13.4 Как определить ошибку квантования сигнала?
13.5 В чем заключается принцип двоичного кодирования сигнала?
13.6 Как восстановить аналоговый сигнал из цифрового?
14 ЛИТЕРАТУРА
14.1 Телекоммуникационные системы и сети: Учебник / Под ред.
В.П. Шувалова. – М.: Горячая линия – Телеком, 2003. – Т.1 – 647 с.
14.2 Г.П. Катунин, Г.В. Мамчев, В.Н. Попантонопуло, В.П. Шувалов.
Телекоммуникационные системы и сети: – М.: Горячая линияТелеком, 2004. – Т.2. – 672 с.
15 ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ
Clock – генератор тактовых импульсов, задает тактовую частоту;
L_DLatch 0-3 – группа триггеров, представляющих собой бинарный
счетчик (от «0» до «2»);
CPU – 8-разрядное ПЗУ с памятью 16 Байт;
L_Bin To Dec – цифро – аналоговый преобразователь
Fcn – масшабирователь;
Analog Filter Design – аналоговый фильтр;
Out – выход;
Scope – осциллограф.
77
Рисунок 1 – Цифровой генератор синусоидальных колебаний
Во всем мире сейчас активно развивается цифровая связь. Качество
цифровой связи значительно выше, чем обычной, поскольку цифровые
сигналы меньше боятся всякого рода помех. Цифровой телефон позволяет
предоставить нам массу дополнительных услуг. Появляется возможность к
одной и той же телефонной линии подключить внешне совершенно
различные устройства – телефонный аппарат и персональный компьютер.
Через цифровую телефонную сеть владельцам персональных компьютеров
открывается доступ к банкам данных с широким ассортиментом
информации.
В наши дома приходит цифровое кабельное телевидение, дающее
необыкновенную четкость изображения и сочность красок; на прилавках
магазинов мы можем увидеть аппаратуру цифровой звуко- и видеозаписи,
обеспечивающую уникальное качество звука и изображения.
Можно сказать, что цифровой сигнал – это последовательность
импульсов. Если принять условно факт наличия импульса за 1, а факт его
отсутствия за 0, то импульсную последовательность можно представить как
78
чередование двух цифр: 0 и 1. Отсюда и появилось название «цифровой
сигнал». Число, которое принимает только два значения: 0 и 1, называется
«двоичной цифрой». В переводе на английский это звучит как «binary digit».
В практику широко вошло сокращение, составленное из начальных и
конечных букв английского словосочетания, то есть слово «bit», что
читается, как бит. Итак, одна позиция в цифровом сигнале есть 1 бит; это
может быть либо 0, либо 1.
При передаче цифровых сигналов естественным образом вводится
понятие скорости передачи – это количество бит, передаваемых в единицу
времени, чаще всего, в секунду.
По своей природе многие сигналы (телефонные, факсимильные,
телевизионные) не являются цифровыми. Это аналоговые или непрерывные
сигналы.
Можно ли «переложить» живую человеческую речь на язык нулей и
единиц, сохранив при этом все богатое разнообразие красок человеческого
голоса, всю гамму человеческих эмоций? Другими словами, речь идет о том,
как заменить непрерывный процесс последовательностью цифр, не потеряв
при этом информации о непрерывном процессе.
Если через очень короткие промежутки времени наносить значения
температуры воздуха на график, то мы получим множество точек,
отражающих изменение температуры. Здесь мы имеем дело не с
непрерывной кривой изменения температуры, а лишь с ее значениями,
отсчитанными через определенные промежутки времени. По сути говоря, мы
описали некоторый непрерывный процесс последовательностью десятичных
цифр. Подобный процесс называется дискретизацией непрерывного
сигнала. При длительных промежутках времени между наблюдениями за
температурой воздуха не удается отследить все ее быстрые изменения.
Аналогичный подход лежит в процессе дискретизации телефонного
сигнала. Если в цепь микрофона (рисунок 2), где ток является непрерывной
функцией времени, встроить электронный ключ и периодически на короткие
мгновения замыкать его, то ток в цепи будет иметь вид узких импульсов с
амплитудами, повторяющими форму непрерывного сигнала, и представлять
собой ничто иное, как дискретный сигнал (рисунок 2).
Интервал времени через который отсчитываются значения
непрерывного сигнала, называется интервалом дискретизации. Обратная
величина (обозначим ее ) называется частотой взятия отсчетов, или
частотой дискретизации.
Отсчеты непрерывного сигнала, так же, как и отсчеты температуры,
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. Это означает, что звук на приеме будет восприниматься с
искажениями.
ä
t
д
1t
д
f
79
Рисунок 2 - Дискретизация телефонного сигнала
Чтобы разобраться с этим вопросом, начнем с колебания струны. Вы
тронули струну, она стала вибрировать и своим движением то сжимать, то
разряжать окружающий воздух или, другими словами, то повышать, то
понижать его давление. Слои воздуха повышенного и пониженного давления
начали разбегаться во все стороны от колеблющегося тела. Образовалась
звуковая волна. Нечто похожее мы наблюдаем, когда бросаем камни в воду и
смотрим на расходящиеся кругами волны. Гребни этих волн можно сравнить
с областью сжатого воздуха, впадины – с областью разреженного воздуха.
Давление звуковой волны, распространяющейся от струны, изменяется
во времени по закону синусоиды. Чтобы отследить все ее изменения,
очевидно, достаточно брать отсчетные значения в моменты,
соответствующие максимумам и минимумам синусоиды, то есть с частотой,
превышающей, по крайней мере, вдвое частоту звукового колебания.
Например, если струна совершает 20 колебаний/с (частота 20 Гц), то
максимальное звуковое давление будет наблюдаться через каждый 1/20 с, то
есть через 50 мс. Максимумы и минимумы кривой звукового давления
разделены интервалами в 25 мс. Значит, отсчетные значения по кривой
должны следовать не реже, чем через 25 мс, или с частотой 40 отсчетов/c
(40 Гц). Обычно отсчетные значения на кривой берут «с запасом»: не в 2 раза
чаще, чем колеблется звук, а, скажем, в 10 раз. В этом случае они очень
хорошо передают форму кривой.
При изучении речи мы выяснили, что голосовые связки у человека
играют роль струн. Самое высокочастотное колебание этих «струн», которое
по рекомендации Международного союза электросвязи необходимо
учитывать, имеет частоту 3400 Гц. При переходе от аналогового речевого
сигнала к цифровому это значение обычно округляют до 4000 Гц. Это значит,
что при замене непрерывной кривой электрического тока на выходе
В линию
Ток в линии
0
0 t д 2 t д 3 t д 4 t д t
. . .
Микрофон
Батарея
i(t) Ток в линии
t
Микрофон
В линию
Батарея
i(t)
i(t)
80
микрофона телефонного аппарата отсчетными значениями последние
необходимо брать с частотой 8000 Гц или, другими словами, не реже, чем
через 1/8000 = 0,000125 c = 125 мкс.
При дискретизации сигнала узкими прямоугольными импульсами
получается сигнал с амплитудно-импульсной модуляцией. 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 F и подавить все «боковые» спектры. На
выходе такого фильтра появится исходный непрерывный сигнал.
При слишком редкой дискретизации (низкая частота дискретизации
и большой интервал дискретизации ) будет иметь место наложение на
спектр исходного сигнала «бокового» спектра. 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. Таким образом, для безыскаженного
восстановления непрерывного сигнала из дискретного необходимо частоту дискретизации выбирать не ниже удвоенной ширины его
спектра. Для телефонного сигнала, как мы это видим, = 8 кГц.
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 = 2F, то есть через
интервалы времени .
Квантование. Пусть в результате дискретизации непрерывного
сигнала s(t) была получена последовательность узких импульсов, которая
представляет собой АИМ-сигнал. Амплитуды импульсов равны в этом
случае мгновенным значениям сигнала s(t) в моменты i x t
Д
, где i = 0, 1, 2, 3,
...; – период следования импульсов, или интервал дискретизации.
дfдtд
f
ä
f
д
f
д
t 1 2F
ä
t
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]