<<
>>

ПРЕОБРАЗОВАНИЕ АНАЛОГОВОЙ ИНФОРМАЦИИ В ЦИФРОВУЮ ФОРМУ

При использовании ЭВМ для обработки информации от различных устройств (объектов, процессов), в которых информация представлена непрерывными (аналоговыми) сигналами, требуется пре- образовать аналоговый сигнал в цифровой — в число, пропорциональное амплитуде этого сигнала, и наоборот.
В общем случае процедура аналого-цифрового преобразования состоит из трех этапов [8): ■ дискретизации; ■ квантования по уровню; ■ кодирования. Под дискретизацией понимают преобразование функции непрерывного времени в функцию дискретного времени, а сам процесс дискретизации состоит в замене непрерывной функции ее отдельными значениями в фиксированные моменты времени. *1 Рис. 6.8. Процесс аналого- цифрового преобразования Дискретизация может быть равномерной и неравномерной. При неравномерной дискретизации длительность интервалов между отсчетами различна. Наиболее часто применяется равномерная дискретизации, при которой длительность интервала между отсчетами Тд постоянна.
Период дискретизации Т непрерывного сигнала иЩ (рис. 6.8 а) выбирается в соответствии с теоремой Котельникова: где Ря — высшая частота в спектре частот сигнала и(Ц (рис. 6.8 б). Под квантованием понимают преобразование некоторой величины с непрерывной шкалой значений в величину, имеющую дискретную шкалу значений. Для этого весь диапазон значений сигнала и(Ц, называемый шка- лой, делится на равные части — кванты, Л — шаг квантования. Процесс квантования сводится к замене любого мгновенного значения одним из конечного множества разрешенных значений, называемых уровнями квантования. Вид сигнала и(1) в результате совместного проведения операций дискретизации и квантования представлен на рис.
6.8 в. Дискретизированное значение сигнала иЦ), находящееся между двумя уровнями квантования, отождествляется либо с ближайшим уровнем квантования, либо с ближайшим меньшим (или большим) уровнем квантования. Это приводит к ошибкам квантования, которые всегда меньше шага квантования (кванта), т. е. чем меньше шаг квантования, тем меньше погрешность квантования, но больше уровней квантования. Для ускорения процесса преобразования, упрощения и удешевления преобразователя надо выбирать максимально допустимый шаг квантования, при котором погрешности еще не выходят за допустимые пределы. Число уровней квантования на рис. 6.8 в равно 8. Обычно их значительно больше. Можно провести нумерацию уровней и выразить их в двоичной системе счисления. Для восьми уровней достаточно трех двоичных разрядов. Каждое дискретное значение сигнала представляется в этом случае двоичным кодом (табл 6.1) в виде последовательности сигналов двух уровней. Таблица 6.1 Наличие или отсутствие импульса на определенном месте интерпретируется единицей или нолем в соответствующем разряде двоичного числа. Цифровая форма представления сигнала иД) показана на рис. 6.8 г. Импульсы старших разрядов расположены крайними справа. Таким образом, в результате дискретизации, квантования и кодирования аналогового сигнала получаем последовательность л-разрядных кодовых комбинаций, которые следуют с периодом дискретизации Г. При этом рациональное выполнение операций дискретизации и квантования приводит к значительному экономическому эффекту как за счет снижения затрат на хранение и обработку получаемой информации, так и вследствие сокращения времени обработки информации. Рассмотрим в качестве примера аналого-цифровое преобразование речевого сигнала при использовании его в цифровых системах передачи. Согласно рекомендациям Международного консультативного комитета по телефонии и телеграфии для передачи телефонных сообщений достаточна полоса частот от 300 до 3400 Гц, динамический диапазон — до 35 дБ.
При этом слоговая разборчивость, определенная экспериментально, составляет 90%. Так как в реальном телефонном канале данная полоса частот выделяется фильтром, имеющим конечный спад частотной характеристики, в качестве расчетной ширины спектра стандартного телефонного канала используют ширину полосы частот в 4 кГц. Для дискретизации такого сигнала в соответствии с формулой (6.1) частота дискретизации ¡д=2Рв при Рв=4 кГц равна {=8 кГц, что соответствует максимальному периоду дискретизации сигнала Т= 1/^=125 мкс. Данные период и частота дискретизации приняты в качестве основы при разработке стандартов цифровых систем передачи. Для кодирования квантованных значений амплитуды аналогового сигнала используют, как правило, 7- или 8-битный двоичный код, обеспечивающий соответственно 1У=27 = 128 или N=2®=256 уровней квантования. Это гарантирует передачу качественного речевого сигнала с динамическим диапазоном по амплитуде О=201д128 = 42 дБ или Й=201д256 = 48 дБ соответственно. При этом скорость передачи такого цифрового потока при 7-битном кодировании равна 8 кГц х 7 бит = 56 кбит/с, при 8-битном кодировании — 8 кГц х 8 бит = 64 кбит/с. На практике преобразование аналогового сигнала в цифровую форму осуществляется с помощью аналого-цифрового преобразователя (АЦП). Для решения обратной задачи преобразования числа в пропорциональную аналоговую величину, представленную в виде электрического напряжения, тока и т. п. служит цифроаналоговый преобразователь (ЦАП). В ЦАП каждая двоичная кодовая комбинация преобразуется в аналоговый сигнал и на выходе создается последовательность модулированных по амплитуде им- пульсов с периодом Т . Восстановление аналоговой структуры производится при помощи специальных схем, обеспечивающих фильтрацию либо экстраполяцию этих сигналов. В основе построения ЦАП лежит принцип суперпозиции токов (напряжений), каждый из которых пропорционален шагу квантования. При этом член суммы не равен 0, если соответствующий разряд входного слова равен 1.
На рис. 6.9 представлена одна из наиболее простых схем ЦАП, включающая: ■ источник опорного напряжения (ИОН), Е; ■ аналоговые ключи (АК); ■ цепи формирования выходных сигналов (резистивные цепи). Рис. 6.9. Цифроаналоговый преобразователь с весовыми резисторами На вход ЦАП поступает п-разрядный код преобразуемого числа X. Состояние электронного ключа определяется значением соответствующего разряда преобразуемого числа, при этом, если двоичный разряд числа равен единице, то соответствующий резистор соединяется с источником опорного напряжения Е, в против- ном случае ключ разомкнут. Сопротивления резисторов подбирают следующим образом: При этом на выходе ЦАП для каждого кода имеем: где х. — значение /-го разряда входного двоичного кода. Точность такого преобразования определяется разрядностью ЦАП, а также точностью изготовления резисторов и стабильностью опорного напряжения Е. Для уменьшения количества номиналов резисторов используют цепную схему, составленную из вдвое большего числа резисторов всего лишь двух номиналов — Ли 2Я. Цифроаналоговые преобразователи могут преобразовывать в аналоговый сигнал лишь параллельные коды. При преобразовании в аналоговый сигнал последовательных кодов их сначала преобразуют в параллельные. Схема простейшего АЦП представлена на рис. 6.10. Она включает в себя суммирующий счетчик, ЦАП, сравнивающее устройство (К-компаратор) и генератор тактовых импульсов (ГТИ). По принципу действия такой АЦП называется последовательным. Временные диаграммы на рис. 6.11 поясняют принцип его работы. На один вход компаратора поступает входной сигнал 17 . На другой — формируемое ЦАП напряжение порога срабатывания компаратора. При достижении равенства данного напряжения и напряжения входного сигнала на выходе компаратора появляется сигнал, останавливающий счет и суммирование тактовых импульсов в суммирующем счетчике.
Одновременно считывается выходной цифровой код хдх1..хп. Основной недостаток такой схемы — низкое быстродействие, так как время преобразования Тпр пропорционально амплитуде сигнала. Рис. 6.10. Схема простейшего каскад а АЦП Значительно большим быстродействием отличаются АЦП параллельного кодирования. В них для преобразования аналогового сигнала в п-разрядный двоичный код используется 2п1 компаратора. На один из двух дифференциальных входов каждого компаратора подается свое опорное напряжение, формируемое резисторным делителем. Разность между опорными напряжениями двух ближайших компараторов равна Е/2, где Е — опорное напряжение, соответствующее максимальному значению преобразуемого аналогового сигнала. Другие входы компараторов объединены, и на них подается входной сигнал. Приоритетный шифратор формирует выходной цифровой сигнал, соответствующий самому старшему сработавшему компаратору. Способ параллельного кодирования (иногда он называется способом мгновенного кодирования) отличается наибольшим быстродействием. Время задержки при передаче сигнала от входа к выходу равно сумме запаздываний компараторов и шифратора. Рис. 6.11. Временные диаграммы работы АЦП В некритичных к быстродействию применениях используют также преобразователи, построенные по методу двойного интегрирования. Такие преобразователи состоят из конденсатора (интегрирующий элемент), который в течение фиксированного промежутка времени заряжается током, пропорциональным входному сигналу, после чего он разряжается до тех пор, пока напряжение на нем не станет равным нолю. Время разряда конденсатора пропорционально значению входного сигнала и используется для подсчета тактовых импульсов фиксированной частоты при помощи счетчика. Полученное число, пропорциональное входному уровню, является выходным цифровым сигналом. 6.3.
<< | >>
Источник: О.А. Акулов Н.В. Медведев. Информатика и вычислительная техника. 2005

Еще по теме ПРЕОБРАЗОВАНИЕ АНАЛОГОВОЙ ИНФОРМАЦИИ В ЦИФРОВУЮ ФОРМУ:

  1. 4. Аналог собственноручной подписи. Электронно-цифровая подпись
  2. 2. ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ. СПЕЦИФИКА И АЛГОРИТМЫ РАБОТЫ С ИСТОЧНИКАМИ ИНФОРМАЦИИ. ДОСТУП К ИСТОЧНИКАМ ИНФОРМАЦИИ. ПРАВОВЫЕ И ЭТИЧЕСКИЕ НОРМЫ РАБОТЫ С ИСТОЧНИКАМИ ИНФОРМАЦИИ.
  3. Статья 108. Преобразование юридического лица
  4. 25. Преобразование хозяйственных товариществ и обществ (корпораций)
  5. Преобразование
  6. Журналистика как массово-информационная деятельность. Понятия «информация» и «массовая информация». Массовая информация как продукт массово-информационной деятельности. Массовая информация и социальная информация.
  7. 3. Приватизация предприятий путем их преобразования в акционерные общества
  8. Статья 106. Слияние, присоединение, деление и преобразование юридического лица
  9. ГЛАВА 1. ЖУРНАЛИСТСКИЙ ТЕКСТ И СОЦИАЛЬНАЯ ДЕЙСТВИТЕЛЬНОСТЬ: ПОЗНАНИЕ, ОТРАЖЕНИЕ, ПРЕОБРАЗОВАНИЕ
  10. Глава 1. Журналистский текст и социальная действительность: познание, преображение, преобразование (В.А. Сидоров)
  11. 10.2. Правовая защита интересов личности, общества, государства от угроз воздействия недоброкачественной информации, от нарушения порядка распространения информации
  12. Материалы деятельности в Комиссии для составления проектов законоположений о преобразовании судебной части
  13. Статья 107. Порядок прекращения юридического лица путем слияния, присоединение, деления и преобразования
  14. Статья 362. Несанкционированные действия с информацией, обрабатывается в электронно-вычислительных машинах (компьютерах), автоматизированных системах, компьютерных сетях или сохраняется на носителях такой информации, совершенные лицом, имеет право доступа к ней
  15. Статья 361-2. Несанкционированные сбыт или распространение информации с ограниченным доступом, которая сохраняется в электронно-вычислительных машинах (компьютерах), автоматизированных системах, компьютерных сетях или на носителях такой информации
  16. Структура массово-информационной деятельности: сбор, обработка, компоновка, передача, восприятие, трансформация, хранение и использование массовой информации. Потенциальная, принятая и реальная информация. Семантический, синтаксический и прагматический аспекты массово-информационных текстов.
  17. § 64 Крестьянское владение: а) У разных разрядов государственных крестьян. – Прежний вид его и новые преобразования. б) У бывших помещичьих крестьян. – Превращение у тех и других зависящего владения в право собственности на поземельный надел
  18. 1. ЖУРНАЛИСТИКА КАК МАССОВО-ИНФОРМАЦИОННАЯ ДЕЯТЕЛЬНОСТЬ. ИНФОРМАЦИЯ И ЕЕ ВИДЫ. МАССОВАЯ ИНФОРМАЦИЯ. СТРУКТУРА МАССОВО-ИНФОРМАЦИОННОЙ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ
  19. ИНФОРМАЦИЯ: ОБРАБОТКА ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНАЯ (
  20. ИНФОРМАЦИЯ: ОБРАБОТКА ПАРАЛЛЕЛЬНАЯ