1 аналогтық ЖӘне сандық сигналдар
АНАЛОГТЫҚ ЖӘНЕ САНДЫҚ СИГНАЛДАР
жүктеу/скачать 0,55 Mb.
|
| 1 АНАЛОГТЫҚ ЖӘНЕ САНДЫҚ СИГНАЛДАР
1.1 Сигнал. Сигналдар классификациясы Сигнал (Ақпарат және байланыс теориясында) — байланыс жүйесінде хабарламаларды беру үшін қолданылатын ақпараттың материалдық тасымалдаушысы. Сигнал жасалуы мүмкін, бірақ қабылдаушы Тарап қабылдауға арналған хабарламадан айырмашылығы, оны қабылдау қажет емес, әйтпесе ол хабарлама емес. Сигнал параметрлері берілген хабарламаға сәйкес өзгеретін (немесе болатын) кез келген физикалық процесс болуы мүмкін [1]. Жоғарыда келтірілген энциклопедиялық анықтамадан басқа, классикалық әдебиеттерде "сигнал"терминін анықтаудың көптеген басқа нұсқалары бар. "Әдетте сигнал физикалық жүйенің күйін көрсететін шаманы білдіреді. Бұл мағынада сигналды физикалық жүйеде оны бақылау процесінде жүргізілген кейбір өлшемдердің нәтижесі ретінде қарастыру табиғи нәрсе"[2] Сигналдардың жіктелуі: Ақпарат тасымалдаушының физикалық табиғаты бойынша: 1. электрлік; 2. электромагниттік; 3. оптикалық; 4. акустикалық. Сигнал беру әдісі бойынша: 1. тұрақты (детерминирленген); 2. тұрақты емес (кездейсоқ). Сигнал параметрлерін сипаттайтын функцияға байланысты: 1. үздіксіз функциямен сипатталатын үздіксіз (аналогтық); 2. деңгей бойынша квантталған дискретті сигналдар (сандық); 3. дискретті, уақыттың белгілі бір нүктелерінде алынған анықтамалық функциямен сипатталған; 4. деңгей бойынша квантталған. 1.2 Сандық сигнал Сандық сигнал-дискретті мәндер тізбегі ретінде ұсынылатын сигнал. Қазіргі уақытта екілік цифрлық сигналдарды кодтаудың қарапайымдылығынан және екілік электроникада қолданылуына байланысты жиі кездеседі. Сандық сигналды аналогтық арналар арқылы беру үшін модуляцияның әртүрлі түрлері қолданылады [2]. Қазіргі қатынас жүйелерінде оның үстемдігін анықтаған цифрлық сигналдың түбірлі қасиеті қайталағышта әбден қалпына келу қабілеті боп табылады. Қайталағышқа шамалап тосқын келтіретін сигнал келгенде, ол цифрлық түрге ауысады қайталағыш сигналды қайтара жасайды. Екінші жағынан, егер сандық сигнал үлкен кедергілермен келсе, оны қалпына келтіру мүмкін емес. Бұл жағдайдан шығу үщін регенераторларды байланыс желісінің үзілуіне еңгізу арқылы цифрлық сигналды қалпына келтіру немесе байланыс желісінің ұзындығын азайту (мысалы, ұялы телефоннан базалық станцияға дейінгі қашықтықты азайту, бұл базалық станциялардың жергілікті жерде жиі орналасуына қол жеткізіледі) қажет. Цифрлық жүйелерде цифрлық ақпаратты тексеру және қалпына келтіру алгоритмдерін пайдалану арқылы ақпаратты берудің сенімділігін айтарлықтай арттыруға мүмкіндік береді [12]. 1.3 Аналогтық сигналдар Сигналдар тәуелсіз айнымалыға үздіксіз тәуелділікке ие, олар уақыт бойынша үздіксіз өзгереді және белгілі бір аралықта кез келген мәнді қабылдай алады. «Үздіксіз уақыттағы және амплитудалардың үздіксіз диапазонындағы сигналдар аналогтық сигналдар деп те аталады».[3] Аналогтық сигналдарды (АС) уақыттың кейбір үздіксіз математикалық функциясы арқылы сипаттауға болады. Айнымалы тоқ гармоникалық сигнал болып табылады: s(t) = A cos(ω t + φ). Аналогтық сигналдар телефонда, радиохабар таратуда, теледидарда қолданылады. Осындай сигналды өңдеу үшін цифрлық жүйеге еңгізу мүмкін емес, өйткені кез келген уақыт аралығында оның мәндерінің шексіз саны болуы мүмкін, ал оның мәнін дәл көрсету үшін шексіз разрядтық сиымдылық сандары қажет. Сондықтан, аналогтық сигналда берілген бит тереңдігінің сандар тізбегі арқылы көрсетуге болатындай түрлендіру өте жиі болады. Сарапшылар арасында «аналогтық сигнал» терминін ескірген деп санап, оның орнына «үздіксіз сигнал» терминін қолдану керек деген пікір бар [4]. Аналогтық, іркіліссіз өзгеретін, шақ осіне байланысты уақыттың сәтінде анықталған мәндердің үзіліссіз сызығымен ұсынылуы ықтимал сигнал деп аталады. Үздіксіз сигналдар созылмалы процестер мен жүйелер арқылы жасалынады. Бұл, мысалы, ЭКГ-мидың электрлік белсенділігіне байланысты пайда болады, ЭКГ – жүректің электрлік белсенділігімен өндіріледі, сенсордың шығысы, айналу жиілігі сенсоры - тахогенератор және т. б. Аналогтық сигналды электромагниттік микрофон орамасы болмаса, түтік акустикалық күшейткіші шығаратын дыбыстық сигнал деп атауға болады, себебі осындай сигнал тоқтаусыз оның мәндері кернеу ток уақыттың өң сәтінде бір-бірінен ерекшеленеді. Сурет. 1.1. Аналогтық сигналдың мысалы Кез-келген аналогтық сигнал сандық эквивалент ретінде ұсынылуы мүмкін, ал бейнелеу дәлдігі эквивалентті санның разрядтарының көлеміне байланысты. Аналогтық сигналдарды өңдеу үшін логикалық элементтер қолданылады. Екілік сигналдармен жұмыс істейтін құрылғыдан аналогтық сигналдарды өңдейтін электрондық құрылғылардың өзара әрекеттесуі үшін сандық-аналогтық (САТ) және аналогтық-сандық (АСТ) түрлендіргіштер қолданылады. 1.4 Аналогтық сигналдарды сандық түрге түрлендіру әдістері Кез-келген аналогтық сигналды сандық түрге түрлендіру үшін үш басты іс-әрекет орындалуы қажет, яғни іріктеу, кванттау және кодтау. Іріктеу-үздіксіз аналогтық сигнал, оның мәндерін реттілігімен көрсету. Бұл санақтар бір-бірінен іріктеу аралығы деп аталатын бөлінген интервалмен алынады. Санақтар арасындағы интервалдың кері шамасы іріктеу жиілігі деп аталады. Іріктеу аралығы неғұрлым аз болса және іріктеу жиілігі неғұрлым жоғары болса, бастапқы сигнал мен оның іріктелген көшірмесі арасындағы айырмашылық соғұрлым аз болады. Таңдалған сигналдың қадамдық құрылымын төменгі жиілікті сүзгі арқылы тегістеуге болады. Осылайша, аналогтық сигнал іріктелгеннен қалпына келтіріледі. Бірақ қалпына келтіру тек іріктеу жиілігі бастапқы аналогтық сигналдың жиілік диапазонының енінен кемінде 2 есе көп болған жағдайда ғана дәл болады, бұл шарт белгілі Котельников теоремасымен анықталады. Егер, бұл шарт орындалмаса, онда іріктеу қайтымсыз бұрмаланулармен бірге жүреді. Іріктеу нәтижесінде сигналдың жиілік спектрінде бастапқы аналогтық сигнал спектрінің енінен екі есеге тең диапазонда іріктеу жиілігінің айналасында орналасқан қосымша компоненттер пайда болады. Егер аналогтық сигналдың жиілік спектріндегі максималды жиілік іріктеу жиілігінің жартысынан асса, онда қосымша компоненттер бастапқы аналогтық сигналдың жиілік диапазонына түседі. Бұл жағдайда бастапқы сигналды бұрмалаусыз қалпына келтіру мүмкін емес. Егер іріктеу процесінде 6 МГц сияқты шекаралық жиіліктегі теледидар сигналының бұрмалануы іріктеу жиілігі кемінде 12 МГц болуы керек. Алайда, іріктеу жылдамдығы сигналдың екі еселенген жиілігіне қалпына келтіру кезінде жақын болса, бастапқы аналогтық сигналды алдын-ала сүзу кезінде қолданылатын төменгі жиілікті сүзгіні жасау қиынырақ болады. Бұл іріктеу жиілігі таңдалған сигналдың екі еселенген шекаралық жиілігіне жақындаған кезде қалпына келтіретін сүзгілердің жиілік реакцияларының формасына қатаң талаптар қойылатындығына байланысты - ол тікбұрышты сипаттамаға сәйкес келуі керек. Тіктөртбұрышты сипаттағы сүзгіні физикалық түрде жүзеге асыру мүмкін.. Кванттау - белгіленген шамалар жиынтығынан-кванттау деңгейлерінен сигналды санау шамасын ең жақын мәнмен ауыстыру. Басқаша айтқанда, кванттау-бұл санақ шамасын дөңгелектеу. Кванттау деңгейлері сигнал мәндерінің мүмкін болатын өзгеруінің барлық диапазонын интервалдардың шектеулі санына бөледі - ол кванттау қадамдары. Кванттау деңгейлерінің орналасуы кванттау шкаласына байланысты. Біркелкі және біркелкі емес таразылар қолданылады. Кванттау процесінде пайда болатын сигналдың бұрмалануы кванттау шуы деп аталады. Шуды аспаптық бағалау кезінде бастапқы сигнал мен оның квантталған көшірмесі арасындағы айырмашылық есептеледі, ал шудың объективті көрсеткіштері ретінде, осы айырмашылықтың орташа квадраттық мәні қабылданады. Тербелмелі шулардан айырмашылығы, кванттау шуы сигналмен байланысты, сондықтан кванттау шуын кейінгі сүзу арқылы жою мүмкін емес. Кванттау деңгейінің жоғарылауымен кванттау шуы азаяды. Аналогтық сигналды цифрлық түрге түрлендіруге байланысты операцияларды бір құрылғы - аналогтық-цифрлық түрлендіргіш (АСТ) орындайды. Енді АСТ тек интегралды чип болуы мүмкін. Кері процедура, яғни кодтық сөздер тізбегінен аналогтық сигналды қалпына келтіру сандық-аналогтық түрлендіргіште (САТ) жүзеге асырылады. Қазір дыбыс пен кескін сигналдарының барлық өңдеулерін, соның ішінде эфирге жазу мен сәулеленуді цифрлық түрде жүзеге асырудың техникалық мүмкіндіктері бар. Алайда, сигнал датчиктері ретінде, мысалы, микрофон, теледидар тарататын түтік немесе зарядталған құрылғы және дыбыс пен кескінді ойнату құрылғылары дауыс зорайтқыш, кинескоп аналогтық құрылғылар әлі де қолданылады. Сондықта аналогтық - цифрлық және цифрлық-аналогтық түрлендіргіштер цифрлық жүйелердің ажырамас бөлігі болып табылады. Бүгінгі таңда цифрлық түрлендірулерді қолдана отырып, аналогтық сигналдарды өңдеу байланыс, радиолокация, өлшеу техникасы, медицина және бұрын аналогтық жүйелер басым болған ғылым мен техниканың басқа салаларында көптеген қолданбалы мәселелерді шешу үшін кеңінен қолданылуда. Сандық жүйелердің артықшылықтары бірқатар факторларға байланысты. Ең алдымен, бұл қабылданған немесе берілетін сигналдың сапа факторы. Аналогтық іске асыру көбінесе сигналды беру және көбейту сапасының жоғары көрсеткіштерін қамтамасыз етуге мүмкіндік бермейді, ал әлемдік стандарттарға көшу шуға төзімділік, дәлдік, өнімділік сияқты жүйелердің параметрлеріне қойылатын талаптарды күшейтеді. Өткен ғасырдың жетпісінші жылдарынан бастап сандық өңдеудің аналогтық сигналдарды өңдеуден артықшылығы айқын бола бастады. Дәстүрлі түрде аналогтық салада болған көптеген мүмкіндіктер цифрлық электронды жабдықпен ауыстырылуда. Алайда, кез-келген сандық сигналды өңдеу мүмкін болмас бұрын, көптеген электрлік сигналдардың аналогтық табиғаты алдымен сандық көрініске айналуы керек. Бұл тапсырма аналогтық схемаға жүктеледі, ол жақын арада жойылуы екіталай: Аналогты-сандық түрлендіргіш немесе қысқаша АСТ деп атап кетеді. АСТ негізгі функциясы оның кірісіне берілген кернеуді мүмкін мәндердің шектеулі диапазоны бар санға түрлендіру болып табылады. Оның үстіне, ол мұны тек соңғы жылдамдықпен жасайды. Осылайша, ол үздіксіз кіріс сигналын амплитудасы мен уақыты бойынша дискретті қадамдары бар сандар тізбегімен алмастырады. Әр түрлі архитектураларды қолданатын және ажыратымдылық пен жылдамдықтың кең ауқымын қамтитын AСТ түрлендіргіштерінің алуан түрлілігі бар. Амплитудасын кванттау Сигналды сандық схемалар арқылы өңдеуге жарамды ету үшін алдымен оны сандық форматта немесе кванттау керек. Яғни, мәндердің үздіксіз диапазоны дискретті қадамдармен бөлінген мәндердің шектеулі жиынтығымен ауыстырылады (сурет 1.2). Қадамдар саны екілік дәрежеге тең таңдалады, өйткені бұл екілік цифрлық электроникада ең үнемді көрініс береді. Әрине, жуықтау сапасы бастапқы сигналды жуықтау үшін қолданылатын қадамдар санына байланысты. АСТ дәлдігі идеалды толық масштабты синусоидалы кіріс сигналының қуатын оның сандық көрінісімен салыстыру арқылы анықталады, өйткені өте таза синусоидалы сигналды алу салыстырмалы түрде қарапайым. Мысалды 1.3- суретте синусоидалы сигнал 2n тең қашықтықтағы дискретті қадамдарда көрсетілген сандық көрінісімен салыстырылады, осылайша синус пен оның квантталған жуықтауы арасындағы айырмашылық ешқашан қадам өлшемінің жартысынан аспайды. Бұл айырмашылық кванттау қатесі (ε) деп аталады. Сурет. 1.2: кванттау функциясы Сурет. 1.3. бастапқы сигнал, квантталған сигнал және кванттау қатесі Бірлік амплитудасы бар синусоидалы кіріс сигналындағы орташа қуаты қарапайым: (1) N битке тең 2n дискретті деңгейге дейін квантталған, q өлшемі бар бір кванттау қадамы,: жүктеу/скачать 0,55 Mb. Достарыңызбен бөлісу:
|