"Недокументированные" возможности цифрового кодирования аналоговых сигналов

Размещено на http://www.allbest.ru/

«Недокументированные» возможности цифрового кодирования аналоговых сигналов

Меркель Павел Давыдович - инженер, Муниципальное унитарное предприятие Новосибирский метрополитен

Аннотация

Ключевые слова: АЦП, аналого-цифровой преобразователь, ЦАП, цифро-аналоговый преобразователь.

Abstract

Merkel Pavel Davydovitch Engineer, Municipal unitary enterprise metropolitan of Novosibirsk

Keywords: ADC, analog-to-digital converter, DAC, digital-to-analog converter.

аналоговый цифровой сигнал

Конец ХХ века стал началом так называемой «цифровой эры» и в настоящее время от цифрового кодирования аналоговых сигналов уже никуда не деться. Хотя у меня до сих пор дома стоит обычный магнитофон, я уже в него лет пять не вставлял кассету и использую его в качестве колонок компьютера. И хотя изображение на экране дисплея с каждой заменой видеокарты становится все лучше, а звук все чище - при каждой замене звуковой платы (увы, встроенным кодеком материнской платы не пользуюсь), хотя метод аналогоцифрового и цифро-аналогового преобразования не менялся с самого момента его изобретения, хотелось бы к известным знаниям добавить свои соображения по повышению его точности и качества. Это не значит, что я ставлю под сомнения теорему Котельникова, где говориться, что частота дискретизации для точного аналого-цифрового или цифроаналогового преобразования должна быть как минимум в четыре раза выше необходимой верхней границы полосы пропускания, просто так получилось.

Как Вы знаете, при обычном цифровом преобразовании аналогового сигнала, этот сигнал представляется просто фиксированными величинами используемого физического параметра F, например, электрического напряжения, одинаковой продолжительности, т.е. с каким-то периодом, который сейчас принято характеризовать наименованием «частота дискретизации» (Fdk на рис. 1в). Как правило, эту функцию выполняет АЦП [1] -- электронное устройство, преобразующее напряжение в двоичный цифровой код.

Как видим из рисунка рис. 1а, получается череда угловатых столбиков, которые хотелось бы сгладить, и я взял на себя смелость предложить кодировать вместе с основной величиной оцифрованного сигнала дополнительно еще и его производную F' (рис.1б), что позволит аппроксимировать сигнал (рис.1д). Конечно, для записи данной величины обязательно понадобится дополнительное поле разрядности m к полю основной величины разрядности n в памяти или файле.

е) - результат вычитания сигналов величины и производной при применении простейшей дифференциальной схемы в виде RC-цепи

Рис. 1. Диаграммы

Разрядность m предполагаю небольшую, но в первых микрокомпьютерах тоже считали верхом мечтаний 16 цветов на точку или пиксел. Кстати диапазон величины производной или наклона вершины столбика будет варьироваться нечетным числом дискретных уровней, так как три дискретных уровня, соответствующих наклону 90°, 0°, -90° обязательны. Это крайне неудобно, на мой взгляд, для двоичной системы счисления, так как обязательно «меньшая половина» возможных значений отведенных полей памяти разрядности m будет избыточна и не использована. В свою очередь модуль тангенса для пределов 90°, -90° будет равен бесконечности, поэтому их определенно никто не будет использовать, соответственно мои опасения, конечно, напрасны. Но не будем мешать делать программистам свою работу и рассмотрим аппаратную часть для реализации цифро-аналогового и обратного преобразования.

Аппаратная часть для цифро-аналогового преобразования представлена на рис. 2. Здесь мы видим общепринятые входные регистры-защелки RG, блоки стандартных ЦАП DAC, выходной фильтр частоты дискретизации, которые для каждого ЦАП обязательны, ну и удваивается количество первых двух блоков RG, так как добавлено новое поле. Цифровые данные о производной сигнала DATAS преобразуются обычным методом в аналоговый сигнал и через ключ SW поступают на управляемый уровнем генератор треугольных импульсов G, который из-за вышеуказанного ключа можно назвать стробируемым.

Рис. 2. Функциональная схема ЦАП, учитывающего величину и производную сигнала

В результате получаем сигнал D(F'), изображенный на рис.1г, который необходимо проинвертировать и суммировать с основным сигналом величины (поле DATA), для чего мы просто подаем эти сигналы на инверсный и положительный вход операционного усилителя, который сразу выполняет функции инвертора и сумматора или вычитателя, а также усилителя. С выхода данного усилителя мы получаем в принципе уже готовый сигнал, который требуется очистить от частоты дискретизации Fclk фильтром F1.

Аппаратная часть для аналого-цифрового преобразования на рис. 3 сама просится на язык и не должна представлять для реализации абсолютно никакой сложности, так как схема следует непосредственно из сути метода. Сигнал поступает на один стандартный АЦП непосредственно и через дифференцирующую схему D - на другой. В результате получаем обе составляющие основной величины DATA и производной DATAS, которые выбираются из АЦП и помещаются в память любым известным методом.

Хотелось бы заметить, что блок генератора треугольных импульсов G и блок дифференцирующей схемы D в схемах на рис. 2 и 3 могут быть выполнены, как тривиальные дифференцирующие RC-цепи [2] (рис.4). При использовании данного варианта возможно необходимо включение перед их входом буферных усилителей аналогичных буферному повторителю BF для увеличения надежности. Мало того, RC-цепь не является идеальным формирователем треугольных импульсов, поэтому аппроксимация будет происходить не прямыми отрезками, а кусочками экспонент, как изображено на рис. 1е.

Рис. 3. Функциональная схема АЦП для цифрового кодирования величины и производной сигнала

Рис. 4. Простейшая дифференцирующая схема - RC-цепь

При использовании описанного метода рассчитывать производные, например, для изображения компьютера будет довольно трудоемко, соответственно, конечно найдется мало желающих работать с изображением с использованием всех предлагаемых возможностей, но это можно спокойно взвалить на плечи графического ускорителя, для современных систем он стал нормой. Ну и конечно, наверняка появятся хитроумные алгоритмы обработки изображения, новые форматы передачи по линиям связи звуковых и видеосигналов и файлов для их хранения, но, опять повторюсь, не будем забегать вперед и отбирать работу у программистов, программисты - тоже люди.

Кроме того, в результате избыточности кодирования сигнала, например изображения компьютера, можно получать всевозможные эффекты, изображенные на графике рис.5, которые, возможно, не всегда будут желательны.

Рис. 5. Эффект, который можно получить вследствие избыточности кодирования производной

Соответственно возникает предположение: «а не хватило ли бы нам просто схемы, изображенной на рис. 6?».

Здесь сигнал со стандартного ЦАП (вход IN) подается сразу на положительный вход операционный усилителя SM и через дифференцирующую схему D - на отрицательный. В результате на выходе усилителя получим сглаженный сигнал, который дополнительно будет отшлифован фильтром F1.

Но обязательно найдутся знатоки, которые обзовут данную схему «суррогатом», поэтому считаю, что в устройствах класса «PRO» должны быть реализованы оба метода, разве что последний блок с рис.6 необходимо сделать отключаемым, например, с помощь разряда какого-нибудь порта вывода управляющего процессора или однобитового поля видеопамяти.

Рис. 6. Функциональная схема устройства сглаживания сигнала с выхода обычного ЦАП

Результирующая схема изображена на рис.7 и отличается от схемы на рис.2 наличием аналогового мультиплексора сигналов с выходов схем G и D, которые подключены к выходам ЦАП основной величины и ЦАП производной. Данные схемы могут быть выполнены одинаково, как на рис.4, но их параметры для правильной работы устройства требуются разные.

Одна из них работает, как генератор треугольных импульсов с рис. 2, а другая, как дифференцирующая схема с рис. 6. Соответственно их совместить не получится и пришлось установить сразу обе. Выход данного аналогового мультиплексора, собранного на ключах SW и управляемого битом режима DATAM дополнительного входного регистра, фиксируемого по фронту сигнала Fclk, подключается к отрицательному входу выходного операционного усилителя SM, как в схеме на рис.2. Отключать ЦАП производной можно просто подачей нулевого значения DATAS и специальных схем для этого не требуется.

И вот, надеюсь, скоро настанет время любоваться превосходным изображением на экране монитора. Данные методы обязательно позволят избавиться от пресловутых пикселов компьютерного изображения. Если бы эти методы были бы применены при формировании изображения сразу на первых компьютерах, возможно, их программами пользовались бы до сих пор, не морщась после изображений с современным качеством.

Рис. 7. Функциональная схема результирующего комбинированного многорежимного ЦАП

Плавные переходы между пикселами сделали бы свое дело. Конечно, остались буквы, без которых не обойтись и которые должны отображаться с прежней резкостью переходов, но даже здесь программисты реализуют алгоритмы сглаживания, которые можно отчасти переложить на плечи выше описанных схем. Я думаю, не стоит напоминать читателю о TV-тюнерах, FM- радио платах, звуковых кодеках, сканерах и так далее, везде при использовании вышеописанных «недокументированных» возможностей цифрового кодирования аналоговых сигналов нас ждут завораживающие и радужные перспективы.

Список литературы

1. Вычислительная техника. Терминология: Справочное пособие. Выпуск 1 / Рецензент канд. техн. наук Ю.П. Селиванов. М.: Издательство стандартов, 1989. 168 с. 55000 экз.