3.4Цифровая обработка аналогового сигнала
Существующие сигналы в природе и технике подразделяются на аналоговые, дискретные и цифровые.
Аналоговый сигнал отражает изменяющийся непрерывный процесс. Получил название ввиду очевидной аналогии между изменяющимся процессом и изменениями электрического тока или на-
Девиация частоты поднесущей звука составляет 50...150 кГц напряжения, отражающими этот процесс. Он имеет непрерывную амплитуду и на оси времени задается множеством точек. Примерами аналоговых сигналов служат сигналы от микрофона, видеосигналы, подводимые к кинескопу телевизора, видеосигналы от телекамеры, сигналы от датчиков температуры воздуха и т.п.
Дискретный сигнал имеет также непрерывный вид, но на оси времени представлен дискретно. Дискретными сигналами считаются сигналы от приборов с зарядовой связью, уровни сигнала миниатюрного элемента яркости телевизионного изображения и подобные. Дискретные сигналы имеют ограниченное распространение и занимают промежуточное положение между аналоговыми и цифровыми сигналами.
Цифровые сигналы представляются на оси времени в виде двоичных импульсных последовательностей, т.е. не имеют непрерывного вида. Цифровыми сигналами оперируют микропроцессорные устройства, запоминающие устройства, регистры, логические элементы и т.п.
3.5Преобразование аналогового сигнала в цифровой
В природе и технике в основном все процессы в какой-то момент времени протекают непрерывно и могут быть представлены аналоговыми сигналами. С другой стороны, цифровые сигналы более удобны для обработки и широко распространены в технике.
Любой аналоговый сигнал может быть преобразован в цифровой. Это реализуется последовательным выполнением следующих операций: дискретизацией аналогового сигнала ~ квантованием (распределением) его дискретных значений по уровням (кодам) — образованием из кодовых значений цифровых слов — формированием цифрового кода из совокупности цифровых слов.
Дискретизация. Для преобразования аналогового сигнала в цифровую форму через дискретные промежутки (временные, пространственные и т.п.) проводят отсчет его значений и получают совокупность последовательных дискретных числовых значений, например таких: 0; 0,23; 0,42; 0,57; 0,80; 1,05; 3,0, называемых отсчетами или выборками (рис. 3.1).
Процесс получения последовательных числовых дискретных значений аналогового сигнала через определенные дискретные временные или пространственные промежутки называется дискретизацией.
Так как значения отсчетов выражаются цифрами, то процесс часто называют оцифровкой аналогового сигнала.
Очевидно, чем меньшие промежутки между отсчетами, т.е. чем меньший шаг дискретизации, тем точнее оцифровка аналогового сигнала.
Квантование (от латинского quantum — сколько). Квантование аналогового сигнала широко используется в вычислительной технике и технике связи. Квантуются сигналы, процессы и т.п. по уровням энергии, направлению и скорости движения (вектора движения). Различают амплитудно-пространственное и амплитудно-временное квантование, квантование спектра частот сигнала по амплитуде и т.п. В общем случае процесс квантования понимается как представление аналогового сигнала определенными кодами. Количество кодов отражает количество уровней квантования. Квантование аналогового сигнала неразрывно связано с его дискретизацией, так как по уровням квантования распределяются числовые значения отсчетов, полученные в процессе дискретизации. При дискретизации аналогового сигнала числовые значения отсчетов могут получаться как целыми, так и дробными. Перевод их на фиксированные уровни, называемые уровнями квантования, связан с потерей некоторой точности. Реальные числовые значения отсчетов не всегда совпадают с числовыми значениями уровней квантования, что приводит к заранее допускаемым систематическим ошибкам, так называемым ошибкам квантования.
Например, полученные в результате дискретизации значения отсчетов 0,42 и 0,57 могут представляться при квантовании на уровни, имеющие соответственно значения 0,4 и 0,6. Неточность или ошибка очевидна. Ошибка квантования — это диапазон изменения числовых значений отсчета, при котором его кодовая комбинация еще не принимает другое значение, а остается постоянной.
Процесс квантования представлен на рис. 3.2. На горизонтальной оси отложены числовые, реальные значения отсчетов, которые затем переводятся в числовые значения уровней, и которым присвоены определенные коды. Для уменьшения ошибки квантования передаточная характеристика смещается на — 0,5 цены младшего разряда.
Из рисунка видно, что диапазон ошибки квантования составляет +0,5 шага дискретизации. Поэтому для получения высокой точности преобразования задают малые (или частые) шаги дискретизации и малые (частые) уровни квантования. Например, если раньше считалось достаточным квантовать видеосигнал на 256 уровней, то в настоящее время в студийных передачах для повышения четкости он квантуется на 1024 уровня (или преобразовывается в 1024 кодовые комбинации).
Аналоговый сигнал после квантования представляет собой совокупность кодов, количество которых соответствует количеству уровней квантования и определяется выражением:
n=2
где N — число уровней (разрядов) кода.
Для передачи код считывается тактовым импульсом и образует' определенную последовательность импульсов на временной оси, которая называется цифровым словом (ее еще называют кодовым словом).
Процесс считывания кодов и формирования кодовых (цифровых) слов называется импульсно-кодовой модуляцией (ИКМ).
Двоичный код. Кодовые комбинации уровней (коды) задаются в основном в двоичной системе счисления (системе счисления с основанием 2), т.е. в системе, в которой используются только два равновероятных и возможных состояния — 1 или 0, что в электрических цепях соответствует состоянию включено или выключено. Поэтому, электронные логические схемы, работающие по принципу включено/выключено, наилучшим образом подходят для отражения операций, выполняемых в двоичной системе счисления.
Возможность появления одного из двух равновероятных состояний, т.е. когда событие может произойти или его не может быть (1 или 0) носит название единицы информации — бит
Бит — это минимальное количество информации, которое различается и воспринимается цифровой системой. Бит является фундаментальной единицей в теории информации. Чтобы обеспечить возможность быстрого рационального кодирования таких данных как числа и буквы, используется более крупная единица — байт, состоящая из 8 бит (2 ). Очевидно, что с помощью одного байта можно отобразить 256 уровней сигнала яркости или 256 знаков буквенного шрифта. Один килобайт это 1024 байта, один мегабайт— 1048576 байт.
На практике осуществляют дискретизацию и квантование одновременно. В большинстве случаев для этого используется аналогово-цифровой преобразователь (АЦП) последовательных приближений, как наиболее популярный, имеющий высокую точность и высокую скорость преобразования. На рис. 3.3 показана его структурная схема. В ней в цепь обратной связи включен ЦАП — цифроаналоговый преобразователь. На входы компаратора подаются два напряжения: обрабатываемого аналогового сигнала и аналоговое линейно изменяющееся напряжение от ЦАП. Компаратор сравнивает величину напряжения цифро-аналогового преобразователя с напряжением аналогового сигнала, подаваемого на вход компаратора. Если аналоговое напряжение превышает напряжение ЦАП, то на выходе компаратора появляется 1 и схема И разрешает прохождение тактовых импульсов на вход двоично-десятичного счетчика. Счетчик подсчитывает импульсы и постепенно увеличивает двоичное число на выходе.
Счет и увеличение двоичного числа продолжается до тех пор пока напряжение обратной связи (напряжение с ЦАП) не превысит напряжение на входе компаратора. Тогда на выходе компаратора появляется 0 и счет останавливается. На выходе счетчика устанавливается выходной код, значение которого соответствует числовому значению отсчета. Такой АЦП преобразовывает аналоговый сигнал в цифровые слова непосредственно. В этой схеме выделить отдельно дискретизатор невозможно.
Работа дискретизатора на накопительном конденсаторе рассмотрена на рис. 3.4. В нем для получения многоразрядного кода дискретизацию выполняют, как правило, в два этапа. Вначале при дискретизации производятся отсчеты числовых значений сигнала. Затем полученные значения отсчетов квантуются по уровню. При подаче тактового импульса на вход аналогового ключа он открывается и происходит зарядка конденсатора до амплитудного значения входного сигнала. После окончания тактового импульса входной сигнал отключается от конденсатора, на котором фиксируется амплитудное напряжение аналогового сигнала в момент окончания действия тактового импульса. К этому времени и относят его значение отсчета и первый этап заканчивается. Затем отсчет подается на квантователь, который определяет его на соответствующий уровень. В промежутках между тактовыми импульсами дискретизатор сохраняет значение предыдущего отсчета. С приходом нового тактового импульса происходит списывание предыдущего отсчета (происходит разрядка конденсатора) и цикл повторяется с каждым тактом импульса синхронизации, а код считывается тактовым импульсом в последовательность импульсов, представляющих цифровое (кодовое) слово.
Цифровые (кодовые) слова. При считывании тактовым импульсом кода, эквивалентного отсчету, получают цифровое слово, которое может передаваться последовательным (рис. 3.5) или параллельным (рис. 3.6) способом.
Цифровое слово — это определенная совокупность бит, отра- жающая результат единичного отсчета при дискретизации и представляемая на временной оси определенной последователь- ностью импульсов.
Для передачи цифрового слова последовательным способом в N бит требуется N тактов синхронизации, что снижает скорость передачи информации. Достоинством является то, что для его пе- редачи требуется однопроводная линия и один общий провод. Следует отметить, что цифровая информация по спутниковому ка- налу передается последовательным способом, так же как по одно- проводной линии..
Для получения высокой скорости в компьютерных системах применяется в основном параллельный способ: информация пере- дается битами параллельно, а слова передаются последовательно с каждым тактом синхронизации.
Цифровые слова могут формироваться как 8-и, так и 10-и, 16-и и 32-х битовыми (разрядными) словами. Современные компьютеры оперируют в основном 32 битовыми словами. Передача таких слов параллельным способом осуществляется по 32 каналам (проводам) — шине (шлейфу).
Цифровые коды. Одно или множество цифровых слов образуют цифровой код, поэтому эти слова называют и кодовыми. Цифровой код дает возможность представить аналоговый сигнал в цифровом виде.
Цифровой код — это однозначное отображение суммы множества цифровых слов, сохраняющих неизменными свои основные особенности— структуру, частоту следования и т. и.
Цифровых кодов различных видов используемых для обработки информации множество и каждый имеет свои достоинства и определенное назначение. Это и код Хемминга, и часто встречаемый код Хаффмана, и код Рида-Соломона, сверточные коды и т.п. Они подразделяются на две большие группы: на коды кодирования источника информации и на коды кодирования передаваемых (по каналу связи) данных или просто коды кодирования канала.