ТЕМА 3 Устройства цифровой обработки сигналов

ЛЕКЦИЯ 8_

Основные понятия цифровой обработки сигналов

Вопросы лекции:

Типы сигналов. Связь между сигналами различных типов.

Системы счисления и коды, используемые в ЦАП- и АЦП-преобразователях.

Области применения ЦАП и АЦП

Основные параметры и классификация ЦАП и АЦП

Типы сигналов. Связь между сигналами различных типов

Все многообразие сигналов можно разделить на три основных типа сигналов: аналоговые, дискретные и цифровые.

Аналоговый сигнал описывается непрерывной или кусочно-непрерывной функцией , причем и аргумент и сама функция могут принимать любые значения из некоторых интервалов: , .

Примеры. , речевой сигнал в радиовещании и телевидении.

Дискретный сигнал описывается решетчатой функцией , которая может принимать любые значение , в то время как независимая переменная может принимать лишь дискретные значения ( - интервал дискретизации).

К дискретным неквантованным сигналам относятся сигналы с амплитудно-импульсной модуляцией.

Цифровой сигнал описывается квантованной решетчатой функцией, то есть решетчатой функцией, принимающей лишь ряд дискретных значений - уровней квантования , в то время как независимая переменная принимает .

Каждый из уровней квантования кодируется двоичным кодом, так что передача и обработка отсчета цифрового кодированного сигнала сводится к операциям над безразмерным двоичным кодом. Число уровней квантования и число двоичных разрядов связаны зависимостью .

К цифровым сигналам относятся, например, сигналы, используемые в системах связи с импульсно-кодовой модуляцией.

Операция дискретизации связывает аналоговый и дискретный сигнал и состоит в том, что по аналоговому сигналу строится дискретный сигнал такой, что .

Операция восстановления состоит в том, что по заданному дискретному сигналу строится аналоговый сигнал .

Операции восстановления и дискретизации взаимно обратны, если дискретизируемый аналоговый сигнал удовлетворяет теореме Котельникова.

Связь между спектром аналогового сигнала и спектром дискретного сигнала определяется формулой

.

Это выражение описывает «размножение» спектра аналогового сигнала при дискретизации.

Операция квантования и кодирования (аналого-цифрового преобразования) состоит в том, что по заданному дискретному сигналу строится кодированный сигнал , такой что , .

Операция цифро-аналогового преобразования состоит в том, что по заданному цифровому кодированному сигналу строят дискретный сигнал, причем .

Операции квантования и кодирования и цифро-аналогового преобразования не являются точно взаимно обратными, так как квантование в общем случае выполняется с неустранимой погрешностью. Однако, если для представления каждого отсчета использовать достаточно большое количество двоичных сигналов, то погрешность квантования окажется достаточно малой и дискретный сигнал (и, следовательно, соответствующий аналоговый сигнал) может быть заменен цифровым сигналом.

Операции дискретизации, квантования и кодирования выполняют аналого-цифровые преобразователи (АЦП) , а операции цифро-аналогового преобразования и восстановления - цифро-аналоговые преобразователи (АЦП) .

Устройства цифровой обработки сигналов (ЦОС)- это устройства, реализующие тот или иной алгоритм цифровой обработки.

Основные преимущества ЦОС по сравнению с аналоговыми:

1) характеристики устройств ЦОС абсолютно стабильны и не изменяются при изменении внешних условий (температура, влажность и.т.д.), пока эти устройства сохраняют работоспособность;

2) возможна реализация ряда операций и алгоритмов, принципиально нереализуемых с помощью аналоговых элементов, например обработка инфранизкочастотных сигналов, так как цифровые запоминающие устройства обладают практически неограниченной длительностью хранения информации.

устройства ЦОС удобно реализовывать в виде БИС и СБИС.

Среди недостатков УЦОС можно выделить следующие:

1) Относительно низкая скорость обработки;

2) Относительно большая потребляемая мощность;

3) Относительно большая стоимость;

4) Необходимость использования на входе и выходе УЦОС АЦП и ЦАП.

Необходимо отметить, что значимость первых двух недостатков уменьшается благодаря развитию технологий изготовления БИС и СБИС. В стоимости УЦОС все больший вес приобретает стоимость алгоритмов и программ. Принципиально точность УЦОС ограничена применяемыми АЦП И ЦАП. Точность вычислений в самом устройстве определяется числом двоичных разрядов, используемых для представления кодов.

2. Системы счисления и коды,
используемые в ЦАП- и АЦП-преобразователях

Обычно для представления чисел используется десятичная позиционная система счисления, в которой каждое число представлено в виде суммы степеней 10, хотя записываются только коэффициенты этого разложения:

В десятичной системе для представления коэффициентов разложения используются 10 цифр.

Однако цифровые устройства преобразуют информацию представленную всего двумя цифрами 0 и 1, поэтому для представления чисел удобно пользоваться двоичной системой счисления, в которой веса двоичных коэффициентов являются степенями 2.

Измеряемые физические величины могут быть униполярными так и биполярными. Поэтому для их представления в цифровом виде в АЦП и ЦАП используются как униполярные так и биполярные коды.

Униполярные коды.

Двоичный код (обычный двоичный код).

Самый правый разряд - это младший значащий разряд (МЗР), самый левый - старший значащий разряд (СЗР).

В этом коде вклад каждого бита (двоичного разряда) зависит от занимаемой позиции:

В битовой последовательности СЗР имеет вес , а максимальное число, которое можно представить разрядным кодом равно .

Кодирование дробных чисел

При рассмотрении работы АЦП важно рассматривать двоичное число как представление дробной части некоторого целого. В этом случае вес МЗР равен , а вес СЗР - . Перед числом подразумевается запятая:

.

Величина дробного числа, соответствующего единицам во всех разрядах определяется как 1-1МЗР. Кроме того МЗР определяет разрешение -разрядного кода преобразователя

3. Области применения ЦАП и АЦП

Уровень и развитие микроэлектронных ЦАП и АЦП определяются требованиями к техническим и эксплуатационным характеристикам радиотехнических систем, в которых они применяются.

Эти требования могут существенно различаться в зависимости от назначения, принципа действия и условий эксплуатации систем.

Необходимость в приеме, обработке, передачи большого объема информации в реальном масштабе времени, а также проблемы исследования быстропротекающих процессов в различных установках привели к созданию быстродействующих интегральных микросхем ЦАП и АЦП .

Решение проблем связи потребовало создание многоканальных преобразователей .

Прецизионные измерения, сейсморазведка, робототехника, аппаратура высококачественной ауди- и видеозаписи невозможны без преобразователей, обладающих высоким разрешением .

Жесткие требования по энергопотреблению и массогабаритным характеристикам, предъявляемым к бортовым системам удовлетворяются за счет применения микромощных и функционально законченных преобразователей .

Для РТС военного назначения требуются преобразователи, устойчивые к воздействию различных внешних факторов .

Для бытовых электро- и радиоприборов требуется широкая номенклатура недорогих преобразователей, не обладающих рекордными значениями электрических параметров и эксплуатационных характеристик.

Некоторые области применения АЦП:

	Усредненные значения параметров
Области применения	число дв. разрядов	время преобразования (мкс)	полоса частот вх. сигнала, Гц	Дифференциальная нелинейность, МЗР
Радиолокация	6-8	0.05	2 10 7	0.5
Радиолокация (дальнее обнаружение)	14-16		2 10 3	0.5
Авиакосмические средства обработки данных		0.01	до 10 8	0.5
Радионавигация	8-10	0.05-0.1	10 7	0.5
Высококачественная ауди- и видеозапись			2 10 4	0.5
Приборы для физических исследований	16-18	1-5		0.5
Спец. Цифровые вычислители		3-5	10 5	0.5

Некоторые области применения ЦАП.

3 Основные параметры и классификация ЦАП и АЦП

Классификация ЦАП осуществляется по методам преобразования .

Различают два метода преобразования -

* метод суммирования единичной аналоговой величины (квантов);

* метод суммирования с учетом веса разрядов.

По схеме реализации ЦАП разделяются на: ЦАП с суммированием напряжений, ЦАП с суммированием токов, ЦАП умножающие.

Параметры ЦАП.

Параметры номинальной функции преобразования.

Номинальная функция преобразования имеет вид

Или при двоичном кодировании.

Графически интерпретируется точками на прямой. Конечное значение выходного сигнала .

Параметрами этой функции являются коэффициент преобразования , вид кода входного сигнала и количество разрядов .

Коэффициент преобразования есть отношение приращения аналогового сигнала к приращению цифрового сигнала. Имеет размерность выходной величины и численно равен номинальной единице младшего разряда.

Входным кодом может быть натуральный двоичный код, двоично-десятичные коды.

Параметры статической точности.

Погрешность преобразования - отклонение реальной функции преобразования от номинальной.

Погрешность преобразования систематическая - усредненное во времени значение погрешности преобразования при неизменном значении управляющего кода.

Погрешность преобразования случайная - случайная составляющая (шум) выходного сигнала при неизменном значении входного кода.

Нелинейность преобразования - максимальное отклонение значений реальной функции преобразования от соответствующих точек на прямой, аппроксимирующей эту функцию.

Дифференциальная нелинейность преобразования - отклонение приращения выходного сигнала при переходе входного кода на смежное значение от значения единицы МЗР. Выражается в долях единицы МЗР.

Динамические параметры.

Время установления по току (напряжению ) - интервал времени от момента заданного изменения кода на входе ЦАП до момента, при котором выходной аналоговый сигнал окончательно войдет в зону установившегося состояния, соответствующего ±1/2 МЗР или другому оговоренному значению.

Выброс выходного сигнала - краткий всплеск в выходном сигнале при изменении входного кода.

Функция влияния - зависимость изменения параметров от влияющих факторов (температура, питающего напряжения и тд.).

Параметры сопряжения электрические .

Характеризуют все входы и выходы ЦАП с точки зрения сопряжения с внешними устройствами. Разделяются на параметры аналогового сопряжения и параметры цифрового сопряжения.

К первым относятся входные и выходные сопротивления, номинальные значения и допуски питающих напряжений, внешних опорных напряжений.

Ко вторым - номинальные значения и допуски напряжений лог. «0» и лог. «1», входные полные сопротивления (токи) со стороны цифровых входов.

Понятия «информация» (от лат. informatio - разъяснение, изложение) и «сообщение» в настоящее время неразрывно связаны между собой.

Информация – это сведения, являющиеся объектом передачи, распределения, преобразования, хранения или непосредственного использования. Сообщение является формой представления информации. Известно, что 80...90% информации человек получает через органы зрения и 10...20%-через органы слуха. Другие органы чувств дают в сумме 1...2 % информации.

Информацию передают в виде сообщений . Сообщение - форма выражения (представления) информации, удобная для передачи на расстояние. Примерами сообщений служат тексты телеграмм, речь, музыка, телевизионное изображение, данные на выходе компьютера, команды в системе автоматического управления объектами и т.п. Сообщения передают с помощью сигналов, которые являются носителями информации. Основным видом сигналов являются электрические сигналы. В последнее время всё большее распространение получают оптические сигналы, н/р, в волоконно-оптических линиях передачи информации. Сигнал - физический процесс, отображающий передаваемое сообщение. Отображение сообщения обеспечивается изменением к-л физической величины, характеризующей процесс. Сигнал передаёт (развёртывает) сообщение во времени, то есть всегда является функцией времени. Сигналы формируются путём изменения тех или иных параметров физического носителя в соответствии с передаваемым сообщением.

Эта величина является информационным параметром сигнала. Информационный параметр сообщения - параметр, в изменении которого "заложена" информация. Для звуковых сообщений информационным параметром является мгновенное значение звукового давления, для неподвижных изображений - коэффициент отражения, для подвижных - яркость свечения участков экрана.

При этом важное значение имеют понятия качества и скорости передачи информации.

Качество передачи информации тем выше, чем меньше искажения информации на приёмной стороне. С увеличением скорости передачи информации требуется принимать специальные меры, препятствующие потерям информации и снижению качества передачи информации.

Передача сообщений на расстояние осущ-ся с помощью к-л материального носителя, н/р, бумаги или магнитной ленты или физического процесса, например, звуковых или электромагнитных волн, тока и т.д.

Передача и хранение информации осуществляется с помощью различных знаков (символов), которые позволяют представить её в некоторой форме.

Сообщения могут быть функциями времени, например речь при передаче телефонных разговоров, температура или давление при передаче телеметрических данных, спектакль при передаче по телевидению и т.п. В других случаях сообщение не является функцией времени (например, текст телеграммы, неподвижное изображение и т.д.). Сигнал передаёт сообщение во времени. Следовательно, он всегда является функцией времени, даже если сообщение (например, неподвижное изображение) таковым не является. Различают 4 вида сигналов: непрерывный сигнал непрерывного вр. (рис.2.2, а), непрерывный дискретного вр. (рис.2.2, б), дискретный непрерывного вр. (рис.2.2, в) и дискретный дискретного времени (рис2.2, г).

Рисунок 2.2 – Непрерывный сигнал непрерывного времени (а), непрерывный сигнал дискретного времени (б), дискретный сигнал непрерывного времени (в), дискретный сигнал дискретного времени (г).

Непрерывные сигналы непрерывного вр. наз-т сокращенно непрерывными (аналог.) сигн-ми. Они могут изменяться в произвольные моменты, принимая любые значения из непрерывного множества возможных значений (синусоида).

Непрерывные сигналы дискретного вр. могут принимать произвольные значения, но изменяться только в определенные, наперед заданные (дискретные) моменты t 1 , t 2 , t 3 … .

Дискретные сигналы непрерывного времени отличаются тем, что они могут изменяться в произвольные моменты, но их величины принимают только разрешенные (дискретные) значения.

Дискретные сигналы дискретного времени (сокращенно дискретные) в дискретные моменты вр.могут принимать только разреш-е (дискретные) значения.

По характеру изменения информационных параметров различают непрерывные и дискретные сообщения.

Аналоговый сигнал является непрерывной или частично непрерывной функцией времени Х(t). Мгновенные значения сигнала являются аналогом физической величины рассматриваемого процесса.

Дискретный сигнал представляет собой дискретные импульсы, следую­щие друг за другом с интервалом времени Δt, ширина импульсов одинакова, а уровень (площадь импульса) является аналогом мгновенного значения некоторой физической величины, которую представляет дискретный сигнал.

Цифровой сигнал представляет собой дискретный ряд цифр, следующих друг за другом с интервалом времени Δt, в виде двоичных разрядов и представляющих мгновенное значение некоторой физической величины.

Непрерывный или аналоговый сигнал это сигнал, который может принимать любые уровни значений в некотором интервале величин. Непрерывный по времени сигнал это сигнал, заданный на всей оси времени.

Например, речь является сообщением непрерывным как по уровню, так и по времени, а датчик температуры, выдающий её значения через каждые 5 мин, служит источником сообщений, непрерывных по величине, но дискретных по времени.

Понятие о количестве информации и возможности ее измерения является основой теории информации. Теория информации сформировалась в 20 веке. Пионерами теория информации считают Клод Шеннонна (США), А.Н. Колмогорова (СССР) Р. Хартли (США) и др. Согласно Клоду Шеннонну, информация - снятая неопределенность. Т.е. информативность сообщения х-ся содержащейся в ней полезной информации т.е. та часть сообщения которая уменьшает существующую до ее получения неопределнность чего-либо.

1. Основные понятия и определения. Определение радиоэлектроники. Определение радиотехники. Понятие сигнала. Классификационный анализ сигналов. Классификационный анализ радиотехнических цепей. Классификационный анализ радиоэлектронных систем.

Современная радиоэлектроника – это обобщенное название ряда областей науки и техники, связанных с передачей и преобразованием информации на основе использования и преобразования электромагнитных колебанийи волн радиочастотного диапазона; основными из этих областей являются:

радиотехника, радиофизика и электроника.

Основная задача радиотехники состоит в передаче информации на расстояние с помощью электромагнитных колебаний. В более широком смысле современная радиотехника – область науки и техники, связанная с генерацией, усилением, преобразованием, обработкой, хранением, передачей и приемом электромагнитных колебаний радиочастотного диапазона, используемых для передачи информации на расстояние. Как следует из этого, радиотехника и радиоэлектроника тесно связаны и часто эти термины заменяют друг друга.

Науку, занимающуюся изучением физических основ радиотехники, называют радиофизикой.

1. Понятие сигнала.

Сигналом (от лат. signum - знак) называется физический процесс или явление, несущее сообщение о каком-либо событии, состоянии объекта, либо передающее команды управления, оповещения и т.д. Таким образом, сигнал является материальным носителем сообщения. Таким носителем может служить любой физический процесс (свет, электрическое поле, звуковые колебания и т.п.). В радиоэлектронике изучаются и используются в основном электрические сигналы. Сигналы как физические процессы наблюдаются с помощью различных приборов и устройств (осциллографом, вольтметров, приемников). Любая модель отражает ограниченное число наиболее существенных признаков реального физического сигнала. Несущественные признаки сигнала игнорируются для упрощения математического описания сигналов. Общим требованием к математической модели является максимальное приближение к реальному процессу при минимальной сложности модели. Функции, описывающие сигналы могут принимать вещественные и комплексные значения, поэтому часто говорят о вещественных и комплексных моделях сигналов.

Классификация сигналов. По возм-ти предсказания мгн. значений сигнала в любой момент времени разл-ют:

Детерминированные сигналы, т.е. такие сигналы, для которых мгновенные значения для любого момента времени известны и предсказуемы с вероятностью равной единице;

Случайные сигналы, т.е. такие сигналы, значение которых в любой момент времени невозможно предсказать с вероятностью равной единице.

Все сигналы, несущие информацию являются случайными, поскольку полностью детерминированный сигнал (известный) информации не содержит.

Простейшими примерами детерминированного и случайного сигналов являются напряжения сети и напряжения шума соответственно (см. рис.2.1).

В свою очередь случайные и детерминированные сигналы могут подразделяться на непрерывные или аналоговые сигналы и дискретные сигналы, имеющие несколько разновидностей. Если сигнал можно измерять (наблюдать) в любой момент времени, то его называют аналоговым. Такой сигнал существует в любой момент времени. Дискретные сигналы могут наблюдаться и измеряться в дискретные (отдельные) ограниченные по длительности к моменту появления отрезки времени. К дискретным сигналам относятся импульсные сигналы.

На рисунке показаны два вида импульсов. Видеоимпульс и радиоимпульс. При формировании радиоимпульсов видеоимпульс используется как управляющий (модулирующий) сигнал и в этом случае между ними существует аналитическая связь:

При этом называется огибающей радиоимпульса, а функция- его заполнением.

Импульсы принято характеризовать амплитудой A, длительностью , длительностью фронтаи срезаи при необходимости частотойили периодомповторения.

Импульсные сигналы могут быть самых различных видов. В частности различают импульсные сигналы называемые дискретными (см. рис.2.3).

Эта разновидность сигналов может быть представлена математической моделью в виде счетного множества значений функции - где i = 1, 2, 3, ...., k, отсчитываемых в дискретные моменты времени. Шаг дискретизации сигнала по времени и по амплитуде обычно величина постоянная для данного типа сигнала, т.е. минимальное приращение сигнала

Каждое из значений конечного множества S можно представить в двоичной системе исчисления в виде числа: - 10101;- 11001;- 10111. Такие сигналы называют цифровыми.

Классификация радиосистем и решаемых ими задач

По выполняемым функциям информационные радиосистемы могут быть разделены на следующие классы:

передачи информации (радиосвязь, радиовещание, телевидение);

извлечения информации (радиолокация, радионавигация, радиоастрономия, радиоизмерения и т.д.);

разрушения информации (радиопротиводействие);

управления различными процессами и объектами (беспилотные летательные аппараты и др.);

комбинированные.

В системе передачи информации имеется источник информации и ее получатель. В радиосистеме извлечения информации информация как таковая не передается, а извлекается или из собственных сигналов, излученных в направлении на исследуемый объект и отраженных от него, или из сигналов других радиосистем, или из собственного радиоизлучения различных объектов.

Радиосистемы разрушения информации служат для создания помех нормальной работе конкурирующей радиосистемы путем излучения мешающего сигнала, или приема, умышленного искажения и переизлучения сигнала.

В радиосистемах управления решается задача выполнения объектом некоторой команды, посылаемой с пульта управления. Командные сигналы являются информацией для следящего устройства, выполняющего команду.

Основными задачами, решаемыми радиосистемой при приеме информации, являются:

Обнаружение сигнала на фоне помехи.

Различение сигналов на фоне помехи.

Оценка параметров сигнала.

Воспроизведение сообщения.

Наиболее просто решается первая задача, в которой с заданными вероятностями правильного обнаружения и ложной тревоги следует принять решение о наличии известного сигнала в принятом сообщении. Чем выше уровень задачи, тем сложнее становится схема принимающего устройства.

2. Энергия, мощность, ортогональность и когерентность сигналов. Взаимная энергия сигналов (интеграл похожести). Понятие нормы сигнала.

Каждый день люди сталкиваются с использованием электронных приборов. Без них невозможна современная жизнь. Ведь речь идет о телевизоре, радио, компьютере, телефоне, мультиварке и прочем. Раньше, еще несколько лет назад, никто не задумывался о том, какой сигнал используется в каждом работоспособном приборе. Сейчас же слова «аналоговый», «цифровой», «дискретный» уже давно на слуху. Некоторые виды сигналов из перечисленных являются качественными и надежными.

Цифровая передача стала использоваться намного позже, чем аналоговая. Это связано с тем, что такой сигнал намного проще обслуживать, да и техника на тот момент не была настолько усовершенствована.

С понятием «дискретность» сталкивается каждый человек постоянно. Если переводить это слово с латинского языка, то означать оно будет «прерывистость». Углубляясь далеко в науку, можно сказать, что дискретный сигнал представляет собой метод передачи информации, который подразумевает изменение во времени среды-переносчика. Последняя принимает любое значение из всех возможных. Сейчас дискретность уходит на второй план, после того, как было принято решение производить системы на чипе. Они являются целостными, а все компоненты тесно взаимодействуют друг с другом. В дискретности же все с точностью наоборот - каждая деталь завершена и связана с другими за счет специальных линий связи.

Сигнал

Сигнал представляет собой специальный код, который передается в пространство одной или несколькими системами. Эта формулировка является общей.

В сфере информации и связи сигналом назван специальный носитель каких-либо данных, который используется для передачи сообщений. Он может быть создан, но не принят, последнее условие не обязательно. Если же сигнал является сообщением, то его «ловля» считается необходимой.

Описываемый код задается математической функцией. Она характеризует все возможные изменения параметров. В радиотехнической теории эта модель считается базовой. В ней же аналогом сигнала был назван шум. Он представляет собой функцию времени, которая свободно взаимодействует с переданным кодом и искажает его.

В статье охарактеризованы виды сигналов: дискретный, аналоговый и цифровой. Также коротко дана основная теория по описываемой теме.

Виды сигналов

Существует несколько имеющихся сигналов. Рассмотрим, какие бывают виды.

1. По физической среде носителя данных разделяют электрический сигнал, оптический, акустический и электромагнитный. Имеется еще несколько видов, однако они малоизвестны.
2. По способу задания сигналы делятся на регулярные и нерегулярные. Первые представляют собой детерминированные методы передачи данных, которые задаются аналитической функцией. Случайные же формулируются за счет теории вероятности, а также они принимают любые значения в различные промежутки времени.
3. В зависимости от функций, которые описывают все параметры сигнала, методы передачи данных могут быть аналоговыми, дискретными, цифровыми (способ, который является квантованным по уровню). Они используются для обеспечения работы многих электрических приборов.

Теперь читателю известны все виды передачи сигналов. Разобраться в них не составит труда любому человеку, главное - немного подумать и вспомнить школьный курс физики.

Для чего обрабатывается сигнал?

Сигнал обрабатывается с целью передачи и получения информации, которая в нем зашифрована. Как только она будет извлечена, ее можно использовать различными способами. В отдельных ситуациях ее переформатируют.

Существует и другая причина обработки всех сигналов. Она заключается в небольшом сжатии частот (чтобы не повредить информацию). После этого ее форматируют и передают на медленных скоростях.

В аналоговом и цифровом сигналах используются особенные методы. В частности, фильтрация, свертка, корреляция. Они необходимы для восстановления сигнала, если он поврежден или имеет шум.

Создание и формирование

Зачастую для формирования сигналов необходим аналого-цифровой (АЦП) и Чаще всего они оба используются лишь в ситуации с применением DSP-технологий. В остальных случаях подойдет только использование ЦАП.

При создании физических аналоговых кодов с дальнейшим применением цифровых методов полагаются на полученную информацию, которая передается со специальных приборов.

Динамический диапазон

Вычисляется разностью большего и меньшего уровня громкости, которые выражены в децибелах. Он полностью зависит от произведения и особенностей исполнения. Речь идет как о музыкальных треках, так и об обычных диалогах между людьми. Если брать, например, диктора, который читает новости, то его динамический диапазон колеблется в районе 25-30 дБ. А во время чтения какого-либо произведения он может вырастать до 50 дБ.

Аналоговый сигнал

Аналоговый сигнал является непрерывным во времени способом передачи данных. Недостатком его можно назвать присутствие шума, который иногда приводит к полной потере информации. Очень часто возникают такие ситуации, что невозможно определить, где в коде важные данные, а где обычные искажения.

Именно из-за этого цифровая обработка сигналов приобрела большую популярность и постепенно вытесняет аналоговую.

Цифровой сигнал

Цифровой сигнал является особым он описывается за счет дискретных функций. Его амплитуда может принять определенное значение из уже заданных. Если аналоговый сигнал способен поступать с огромным количеством шумов, то цифровой отфильтровывает большую часть полученных помех.

Помимо этого, такой вид передачи данных переносит информацию без лишней смысловой нагрузки. Через один физический канал может быть отправлено сразу несколько кодов.

Виды цифрового сигнала не существуют, так как он выделяется как отдельный и самостоятельный метод передачи данных. Он представляет собой двоичный поток. В наше время такой сигнал считается самым популярным. Это связано с простотой использования.

Применение цифрового сигнала

Чем же отличается цифровой электрический сигнал от других? Тем, что он способен совершать в ретрансляторе полную регенерацию. Когда в оборудование связи поступает сигнал, имеющий малейшие помехи, он сразу же меняет свою форму на цифровую. Это позволяет, например, телевышке снова сформировать сигнал, но уже без шумового эффекта.

В том случае, если код поступает уже с большими искажениями, то, к сожалению, восстановлению он не подлежит. Если брать в сравнении аналоговую связь, то в аналогичной ситуации ретранслятор может извлечь часть данных, затрачивая много энергии.

Обсуждая сотовую связь разных форматов, при сильном искажении на цифровой линии разговаривать практически невозможно, так как не слышны слова или целые фразы. Аналоговая связь в таком случае более действенна, ведь можно продолжать вести диалог.

Именно из-за подобных неполадок цифровой сигнал ретрансляторы формируют очень часто для того, чтобы сократить разрыв линии связи.

Дискретный сигнал

Сейчас каждый человек пользуется мобильным телефоном или какой-то «звонилкой» на своем компьютере. Одна из задач приборов или программного обеспечения - это передача сигнала, в данном случае голосового потока. Для переноса непрерывной волны необходим канал, который имел бы пропускную способность высшего уровня. Именно поэтому было предпринято решение использовать дискретный сигнал. Он создает не саму волну, а ее цифровой вид. Почему же? Потому что передача идет от техники (например, телефона или компьютера). В чем плюсы такого вида переноса информации? С его помощью уменьшается общее количество передаваемых данных, а также легче организуется пакетная отправка.

Понятие «дискретизация» уже давно стабильно используется в работе вычислительной техники. Благодаря такому сигналу передается не непрерывная информация, которая полностью закодирована специальными символами и буквами, а данные, собранные в особенные блоки. Они являются отдельными и законченными частицами. Такой метод кодировки уже давно отодвинулся на второй план, однако не исчез полностью. С помощью него можно легко передавать небольшие куски информации.

Сравнение цифрового и аналогового сигналов

Покупая технику, вряд ли кто-то думает о том, какие виды сигналов использованы в том или другом приборе, а об их среде и природе уж тем более. Но иногда все же приходится разбираться с понятиями.

Уже давно стало ясно, что аналоговые технологии теряют спрос, ведь их использование нерационально. Взамен приходит цифровая связь. Нужно понимать, о чем идет речь и от чего отказывается человечество.

Если говорить коротко, то аналоговый сигнал - способ передачи информации, который подразумевает описание данных непрерывными функциями времени. По сути, говоря конкретно, амплитуда колебаний может быть равна любому значению, находящемуся в определенных границах.

Цифровая обработка сигналов описывается дискретными функциями времени. Иначе говоря, амплитуда колебаний этого метода равна строго заданным значениям.

Переходя от теории к практике, надо сказать о том, что аналоговому сигналу характерны помехи. С цифровым же таких проблем нет, потому что он успешно их «сглаживает». За счет новых технологий такой метод передачи данных способен своими силами без вмешательства ученого восстановить всю исходную информацию.

Говоря о телевидении, можно уже с уверенностью сказать: аналоговая передача давно изжила себя. Большинство потребителей переходят на цифровой сигнал. Минус последнего заключается в том, что если аналоговую передачу способен принимать любой прибор, то более современный способ - только специальная техника. Хоть и спрос на устаревший метод уже давно упал, все же такие виды сигналов до сих пор не способны полностью уйти из повседневной жизни.

Контрольная работа

Типы сигналов

Введение

сигнал электронный датчик

Электроника - наука, занимающаяся изучением взаимодействия электронов или других заряженных частиц с электромагнитными полями и разработкой методов создания электронных приборов и устройств, в которых это взаимодействие используется для передачи, хранения и передачи информации.

Результаты изучения электронных процессов и явлений, а также исследование и разработка методов создания электронных приборов и устройств обуславливают развитие электронной техники по двум направлениям. Первое из них связано с созданием технологий производства и промышленным выпуском электронных приборов различного назначения. Второе направление связано с созданием на основе этих приборов аппаратуры для решения различного рода задач, связанных с передачей, приемом и преобразованием информации в области информатики, вычислительной техники, систем автоматизации технологических процессов и т.д.

Электроника имеет короткую, но богатую событиями историю. Первый ее период связан с простейшими передатчиками и способными воспринимать их сигналы приемниками. Затем наступила эпоха вакуумных ламп. С середины 50-х годов начался новый период в развитии электроники, связанный с появлением полупроводниковых элементов, а затем малых и больших интегральных схем.

Современный этап развития электроники характеризуется появлением микропроцессорных сверхбольших интегральных схем, цифровых сигнальных процессоров, программируемых логических интегральных схем, позволяющих решать задачи обработки сигналов при высоких технико-экономических показателях. Цифровая электроника, преобразившая системы сбора, обработки и передачи информации, немыслима без аналоговых технологий. Именно аналоговые устройства во многом определяют характеристики этих систем.

Электроника исследует вопросы передачи, приема и преобразования информации на основе электромагнитных явлений. Применительно к электронике наряду с передачей сообщений от человека к человеку целесообразно также рассматривать обмен сведениями между человеком и автоматом и между автоматами.

Имеется множество определений понятия информации от наиболее общего философского (информация есть отражение реального мира) до практического (информация есть все сведения, являющиеся объектом хранения, передачи, преобразования).

Передается информация в виде сигналов. Сигнал есть физический процесс, несущий в себе информацию. Сигнал может быть звуковым, световым, в виде почтового отправления и др. Наиболее распространен сигнал в электрической форме в виде зависимости напряжения от времени U(t).

Практически любая электронная система имеет целью своего функционирования то или иное преобразование энергии или преобразование информации. Задачей любой электронной системы управления в самом общем смысле является обработка информации о текущем режиме работы управляемого объекта и выработка на основе этого управляющих сигналов с целью приближения текущего режима работы объекта к заданному режиму. Под обработкой информации в данном случае подразумевается решение тем или иным способом уравнений состояния системы.

Представленный на рис 1.1 объект - это реальный физический объект, многочисленные свойства которого характеризуются различными физическими величинами (ФВ). Он находится в многосторонних и сложных связях с другими объектами. Из всего многообразия этих связей на рис. 1.1 показаны подлежащие измерению входные ФВ Х и выходными ФВ Y, характеризующие состояние объекта. Датчики (первичные преобразователи) обеспечивают преобразование ФВ Х и Y, имеющих в большинстве случаев неэлектрическую природу, в электрические сигналы с сохранением необходимой информации о возмущающих воздействиях и состоянии объекта.

Устройство первичной обработки (УПО) сигналов является неотъемлемой частью системы. Оно обеспечивает сопряжение датчиков с последующими электронными устройствами, осуществляющими предварительную обработку измеряемых физических величин. Как правило, на него возлагаются следующие функции:

·усиление выходных сигналов первичных преобразователей;

·нормализация аналоговых сигналов, т.е. приведение границ шкалы первичного непрерывного сигнала к одному из стандартных диапазонов входного сигнала аналого-цифрового преобразователя измерительного канала (наиболее распространены диапазоны от 0 до 5 В, от -5 В до 5 В и от 0 до 10 В;

·предварительная низкочастотная фильтрация, т.е. ограничение полосы частот первичного непрерывного сигнала с целью снижения влияния на результат измерения помех различного происхождения;

·обеспечение гальванической изоляции между источником аналогового или дискретного сигнала и измерительным и / или статусным каналами системы. В равной степени это относится к изоляции между каналами дискретного вывода системы и управляемым силовым оборудованием. Помимо собственно защиты выходных и входных цепей гальваническая изоляция позволяет снизить влияние на систему помех по цепям заземления за счет полного разделения земли вычислительной системы и земли контролируемого оборудования. Отсутствие гальванической изоляции допускается только в технически обоснованных случаях.

Выходные сигналы устройства первичной обработки преобразуется в цифровую форму устройством, которое называется аналого-цифровым преобразователем (АЦП). На выходе АЦП получается двоичное представление аналогового сигнала, которое затем обрабатывается цифровым сигнальным процессором. После обработки содержащаяся в сигнале информация может быть преобразована обратно в аналоговую форму с использованием цифро-аналогового преобразователя (ЦАП).

Процессор обрабатывает исходные данные, характеризующие возмущающие воздействия и состояние объекта. Алгоритм обработки определяется объектом измерения, задачей измерения, заключающейся в определении значений выбранных (измеряемых) физических величин (ФВ) с требуемой точностью в заданных условиях, и основными характеристиками измерений.

1. Сигналы

сигнал электронный датчик

Понятие сигнала является одним из основных понятий электроники. Сигнал есть существующий в системе физический процесс, имеющий множество состояний, которые он принимает в соответствии с внешними воздействиями на эту систему. Основным свойством сигнала является то, что он несет информацию о воздействии на эту систему.

Поскольку реальные физические процессы протекают во времени, то в качестве математической модели сигнала, представляющего эти процессы, используют функции времени, отражающие изменения физических процессов.

Сигнал может быть звуковым, световым, в виде почтового отправления и др. Наиболее распространен сигнал в электрической форме в виде зависимости напряжения от времени U(t).

. Классификация сигналов

По роли в передачи конкретной информации сигналы могут быть разделены на полезные и мешающие (помехи). Полезные сигналы переносят заданную информацию, а помехи искажают её, хотя, может быть, и переносят другую информацию.

По степени определенности ожидаемых значений сигнала все сигналы можно разделить на детерминированные сигналы и случайные сигналы. Детерминированным называется сигнал, значение которого в любой момент времени может быть точно определено. Детерминированные сигналы могут быть периодическими и непериодическими.

Периодическим называется сигнал, для которого выполняется условие
s(t) = s (t + kT), где k - любое целое число, Т - период, являющийся конечным отрезком времени. Пример периодического сигнала - гармоническое колебание. .

Здесь Um, T, f0, w0, и j0 - соответственно амплитуда, период, частота, угловая частота и начальная фаза колебания.

К сложным периодическим сигналам можно отнести импульсные сигналы различной формы (электрические импульсы)

Электрический импульс - это кратковременное скачкообразное изменение электрического напряжения или силы тока.

Электрические импульсы тока или напряжения (однополярные) не содержащие высокочастотных колебаний называются видеоимпульсами (рис. 2.2). Электрические импульсы, представляющие собой ограниченные во времени высокочастотные или сверхвысокочастотные электромагнитные колебания, огибающая которых имеет форму видеоимпульса, называются радиоимпульсами.

По характеру изменения во времени различают электрические импульсы прямоугольной, пилообразной, экспоненциальной, колоколобразной и других форм. Реальный видеоимпульс может иметь достаточно сложную форму, которая характеризуется амплитудой А, длительностью импульса tи, длительностью фронта tф и длительностью спада tс, величиной скола вершины DА.

Любой сложный периодический сигнал может быть представлен в виде суммы гармонически колебаний с частотами, кратными основной частоте.

Непериодический сигнал, как правило, ограничен во времени.

Случайным сигналом называют функцию времени, значения которой заранее неизвестны и могут быть предсказаны лишь с некоторой вероятностью. В качестве основных характеристик случайных сигналов принимают:

а) закон распределения вероятности (относительное время пребывания величины сигнала в определенном интервале);

б) спектральное распределение мощности сигнала.

Выходные сигналы датчиков являются отражением некоторых физических процессов. Они, как правило, непрерывны, поскольку большинство физических процессов непрерывны по своей природе. Такие сигналы называются аналоговыми.

Аналоговый сигнал описывается непрерывной (или кусочно-непрерывной) функцией xA(t), причем сама функция, как и ее аргумент, может принимать в заданных пределах любые значения. Аналоговые сигналы достаточно просто генерировать и обрабатывать, однако они позволяют решать относительно простые технические задачи. Работа современных электронных систем основана на использовании дискретных и цифровых сигналов.

Дискретный во времени сигнал получается в результате дискретизации непрерывной функции, представляющей замену непрерывной функции ее мгновенными значениями в дискретные моменты времени. Такой сигнал описывается решетчатой функцией (последовательным временным рядом) S (п?t). Она может принимать любые значения в некотором интервале, в то время как независимая переменная n принимает дискретные значения п = 0, ±1, ±2,…, а?t представляет собой интервал дискретизации.

Квантованный по уровню сигнал получается в результате операции квантование. Суть операции квантования по уровню состоит в том, что в непрерывном динамическом диапазоне аналогового сигнала фиксируется ряд дискретных уровней, называемых уровнями квантования. Текущие значения аналогового сигнала отождествляются с ближайшими уровнями квантования.

Квантование по уровню дискретного во времени сигнала позволяет получить дискретно-квантованный сигнал. Цифровой сигнал получается в результате нумерации уровней квантования дискретно-квантованного сигнала двоичными числами (числами в двоичной системе счисления) и, следовательно, представления отсчетных значений дискретно-квантованного сигнала в форме чисел.

Среди детерминированных сигналов особое место занимают испытательные сигналы, необходимость в существовании которых обусловлена потребностями испытания характеристик разрабатываемых электронных устройств.

Гармоническое колебание. Самым распространенным испытательным сигналом является гармоническое колебание, которое используется в измерительной практике для оценки частотных свойств устройств различного назначения.

Единичный скачок представляет собой безразмерную величину, поэтому умножение сигнала s(t) на функцию единичного скачка равносильно включению этого сигнала в момент t=0:

s (t) при t ³ 0;(t) 1 (t) =

при t < t0.

Дельта-функция. По определению ?-функция удовлетворяет следующим условиям:

0 при t ¹ t0;

d(t - t0) =

При t = t0;

Таким образом, ?-функция равна нулю при всех отличных от нуля значениях аргумента и принимает в точке t = 0 бесконечно большое значение. Площадь под кривой, ограниченной ?-функцией, равна единице.

3. Формы представления детерминированных сигналов

Модели сигналов в виде функции времени предназначены, в первую очередь, для анализа формы сигналов. При решении задач прохождения сигналов сложной формы через какие-либо устройства такая модель сигнала часто не совсем удобна и не позволяет понять суть происходящих в устройствах физических процессов.

Поэтому сигналы представляют набором элементарных (базисных) функций, в качестве которых наиболее часто используют ортогональные гармонические (синусоидальные и косинусоидальные) функции. Выбор именно таких функций обусловлен тем, что они являются, с математической точки зрения, собственными функциями инвариантных во времени линейных систем (систем, параметры которых не зависят от времени), т.е. не изменяют своей формы после прохождения через эти системы. В результате сигнал может быть представлен множеством амплитуд, фаз и частот гармонических функций, совокупность которых называется спектром сигнала.

Таким образом, существуют две формы представления произвольного детерминированного сигнала: временное и частотное (спектральное).

Первая форма представления основана на математической модели сигнала в виде функции времени t:

вторая - на математической модели сигнала в виде функции частоты f, причем, что весьма важно, эта модель существует только в области комплексных функций:

S = (f) = S(jf).

Обе формы представления сигнала связаны между собой парой преобразований Фурье:

При использовании угловой (циклической) частоты w = 2pf преобразования Фурье имеют следующий вид:

Временное представление гармонического колебания имеет следующий вид:

где Um, T, f0, w0, и j0 - соответственно амплитуда, период, частота, угловая частота и начальная фаза колебания.

Для представления такого колебания в частотной области достаточно задать две функции частоты, показывающие, что на частоте w0 амплитуда сигнала равна Um, а начальная фаза равна j0:

Графики временного и частотного представлений гармонического колебания приведены на рис. 2.7, где амплитуда Um и фаза j0 отложены в виде отрезков прямых.

Значения Um =U(w0) и j0 =j(w0) называются соответственно амплитудным и фазовым спектром гармонического колебания, а их совокупность - просто спектром.

Вместо использования в частотной области двух действительных функций можно использовать одну, но комплексную функцию. Для этого запишем временное представление гармонического колебания в комплексной форме:

Если исключить из рассмотрения область отрицательных частот (они физического смысла не имеют), то можно записать:

Где - комплексная амплитуда гармонического колебания, модуль которой равен Um, а аргумент - j0.

4. Цели обработки физических сигналов

Главная цель обработки физических сигналов заключается в необходимости получения содержащейся в них информации. Эта информация обычно присутствует в амплитуде сигнала (абсолютной или относительной), в частоте или в спектральном составе, в фазе или в относительных временных зависимостях нескольких сигналов. Как только желаемая информация будет извлечена из сигнала, она может быть использована различными способами.

В некоторых случаях желательно переформатировать информацию, содержащуюся в сигнале. В частности, смена формата имеет место при передаче звукового сигнала в телефонной системе с многоканальным доступом и частотным разделением (FDMA). В этом случае аналоговые методы используются, чтобы разместить несколько голосовых каналов в частотном спектре для передачи через радиорелейную станцию микроволнового диапазона, коаксиальный или оптоволоконный кабель. В случае цифровой связи аналоговая звуковая информация сначала преобразуется аналого-цифровым преобразователем в цифровую. Цифровая информация, представляющая индивидуальные звуковые каналы, мультиплексируется во времени (многоканальный доступ с временным разделением, TDMA) и передается по последовательной цифровой линии связи.

Еще одна причина обработки сигналов заключается в сжатии полосы частот сигнала (без существенной потери информации) с последующим форматированием и передачей информации на пониженных скоростях, что позволяет сузить требуемую полосу пропускания канала. В высокоскоростных модемах и системах адаптивной импульсно-кодовой модуляции широко используются алгоритмы устранения избыточности данных (сжатия), так же как и в цифровых системах мобильной связи, системах записи звука, в телевидении высокой четкости.

Программно-аппаратные комплексы для автоматизации измерений во многих случаях используют информацию, полученную от датчиков, для выработки соответствующих сигналов обратной связи, которые, в свою очередь, непосредственно управляют измерительным процессом. Эти системы требуют наличия как АЦП и ЦАП, так и датчиков, устройств нормализации сигнала и цифровых процессоров

В некоторых случаях в сигнале, содержащем информацию, присутствует шум, и основной целью является восстановление сигнала. Такие методы, как фильтрация, синхронное детектирование и т.д., часто используются для выполнения этой задачи как в аналоговой, так и в цифровой областях.

Таким образом, цели преобразования сигналов:

·извлечение информации о сигнале (амплитуда, фаза, частота, спектральные составляющие, временные соотношения);

·преобразование формата сигнала;

·сжатие данных;

·формирование сигналов обратной связи;

·аналого-цифровое преобразование;

·цифро-аналоговое преобразование;

·выделение сигнала из шума.

. Методы обработки физических сигналов

Сигналы могут быть обработаны с использованием:

·аналоговых методов (аналоговой обработки сигналов);

·цифровых методов (цифровой обработки сигналов);

·или комбинации аналоговых и цифровых методов (комбинированной обработки сигналов).

Устройства, в которых производится обработка аналоговых сигналов (аналоговая обработка), называются аналоговыми (аналоговыми процессорами).

Устройства, в которых производится обработка цифровых сигналов (цифровая обработка), называются цифровыми (цифровыми процессорами).

В некоторых случаях выбор метода обработки ясен, в других случаях нет ясности в выборе и, следовательно, принятие окончательного решения основывается на определенных соображениях, основанных на преимуществах и недостатках указанных методов.

К основным преимуществам цифровых методов обработки сигналов можно отнести:

·возможность реализации сложных алгоритмов обработки сигналов, которые трудно, а зачастую даже невозможно реализовать c помощью аналоговой техники;

·возможность реализации принципа «адаптации» или самонастройки, то есть возможности изменения алгоритма обработки сигнала без физической перестройки устройства (например, зависимости от вида сигнала, поступающего на вход фильтра);

·возможность одновременной обработки нескольких сигналов;

·принципиально достижимая более высокая точность обработки сигнала;

·отсутствие существенного влияния нестабильности параметров цифровых процессоров, вызванной колебаниями температуры, старением, дрейфом нуля, изменением питающих напряжений и другими причинами, на «качество» обработки сигналов;

·большая помехоустойчивость цифровых устройств и меньшие энергетические, временные и частотные «затраты» на передачу цифровых сигналов (по сравнению с передачей аналоговых сигналов);

·более высокий уровень развития цифровых устройств.

К недостаткам цифровых процессоров можно отнести:

·большую сложность по сравнению с аналоговыми устройствами и пока еще более высокую стоимость;

·не столь высокое, как хотелось бы, быстродействие;

·невозможность устранения специфических погрешностей, вызванных дискретизацией, квантованием сигнала и округлениями в процессе вычислений.

Сегодняшний специалист стоит перед выбором надлежащей комбинации аналоговых и цифровых методов для решения задачи обработки сигналов. Невозможно обработать физические аналоговые сигналы, используя только цифровые методы, так как все датчики (микрофоны, термопары, тензорезисторы, пьезоэлектрические кристаллы, головки накопителя на магнитных дисках и т.д.) являются аналоговыми устройствами. Поэтому, некоторые виды сигналов требуют наличия цепей нормализации для дальнейшей обработки сигналов аналоговым или цифровым методом. В действительности, цепи нормализации сигнала - это аналоговые процессоры, выполняющие:

·усиление сигналов в измерительных и предварительных (буферных) усилителях);

·обнаружение сигнала на фоне шума высокоточными усилителями синфазного сигнала;

·динамическое сжатие диапазона (логарифмическими усилителями, логарифмическими ЦАП и усилителями с программируемым коэффициентом усиления);

·фильтрация (пассивная и активная).

Литература

1.Волынский В.А. и др. Электротехника /Б.А. Волынский, Е.Н. Зейн, В.Е. Шатерников: Учеб. пособие для вузов. - М.: Энергоатомиздат, 2011. - 528 с., ил.

2.Касаткин А.С., Немцов М.В. Электротехника: Учеб. пособие для вузов. - 4-е изд., перераб. - М.: Энергоатомиздат, 2003. - 440 с., ил.

.Основы промышленной электроники: Учебник для неэлектротехн. спец. вузов /В.Г. Герасимов, О М. Князьков, А Е. Краснопольский, В.В. Сухоруков; под ред. В.Г. Герасимова. - 3-е изд., перераб. и доп. - М.: Высш. шк., 2006. - 336 с., ил.

.Электротехника и электроника в 3-х кн. Под ред. В.Г. Герасимова Кн.1. Электрические и магнитные цепи. - М.: Высшая шк. - 2006 г.

.Электротехника и электроника в 3-х кн. Под ред. В.Г. Герасимова Кн.2. Электромагнитные устройства и электрические машины. - М.: Высшая шк. - 2007 г.

Репетиторство

Нужна помощь по изучению какой-либы темы?

Наши специалисты проконсультируют или окажут репетиторские услуги по интересующей вас тематике.
Отправь заявку с указанием темы прямо сейчас, чтобы узнать о возможности получения консультации.