Особенности использования методов цифровой обработки аналоговых сигналов

БЕЛОРУССКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ИНФОРМАТИКИ И РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ

кафедра РЭС

реферат на тему:

«ОСОБЕННОСТИ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ МЕТОДОВ ЦИФРОВОЙ ОБРАБОТКИ АНАЛОГОВЫХ СИГНАЛОВ»

МИНСК, 2009

Как было показано выше, формирование цифрового сигнала из аналогового предусматривает последовательное выполнение трех основных операций:

· дискретизация аналогового сигнала по времени, в результате чего формируется импульсный сигнал, промодулированный по амплитуде, т.е. АИМ-сигнал;

· квантование АИМ-сигнала по уровню;

· кодирование отсчетов АИМ-сигнала.

В цифровых системах передачи (ЦСП) формируется групповой цифровой сигнал, иначе называемый сигналом импульсно-кодовой модуляции (ИКМ). При формировании группового ИКМ-сигнала добавляется еще одна операция: перед квантованием по уровню производится объединение индивидуальных АИМ-сигналов (Рис. 1).

Рис. 1. Преобразование аналогового сигнала в цифровой ИКМ-сигнал

Преобразование ИКМ-сигнала в аналоговый предусматривает последовательное выполнение основных операций:

· декодирование (преобразование ИКМ-сигнала в АИМ);

· восстановление аналогового сигнала (выделение из спектра АИМ-сигнала исходного сигнала).

В ЦСП соответствующие операции обработки производятся отдельными устройствами. Операции квантования и кодирования в ЦСП обычно объединяют в одном устройстве.

Особенности дискретизации сигнала во времени

В процессе формирования АИМ сигнала осуществляется дискретизация непрерывного (аналогового) сигнала во времени в соответствии с известной теоремой дискретизации (теоремой В.А.Котельникова): любой непрерывный сигнал, ограниченный по спектру верхней частотой F_В полностью определяется последовательностью своих дискретных отсчетов, взятых через промежуток времени T_д=1/2 F_В, называемый периодом дискретизации. В соответствии с им частота дискретизации, т.е. следования дискретных отсчетов, выбирается из условия F_Д? 2F_В.

Поскольку все реально существующие непрерывные сигналы связи представляют собой случайные процессы с бесконечно широким спектром, причем основная энергия сосредоточена в относительно узкой полосе частот, перед дискретизацией необходимо с помощью фильтра нижних частот ограничить спектр сигнала некоторой частотой F_В. Для телефонных сигналов необходимо использовать ФНЧ с частотой среза F_В=3,4 кГц. Частота дискретизации для телефонных сигналов выбрана равной 8 кГц.

Устройство, выполняющие дискретизацию во времени, называют устройством выборки и хранения (УВХ) (Рис. 2). УВХ могут выпускаться в интегральном исполнении. Вид сигналов в точках 1, 2 и 3 УВХ показан, соответственно, на Рис.3, Рис. 4 и Рис. 5.

Рис. 2. Устройство выборки и хранения

Рис.3. Аналоговый сигнал

Рис. 4. Сигнал АИМ1

Рис. 5. Сигнал АИМ2

Особенности квантования мгновенных значений сигнала

В процессе квантования по уровню значение каждого АИМ-отсчета заменяется ближайшим разрешенным значением.

Характеристиками квантующего устройства являются следующие:

· число уровней квантования N_КВ;

· шаг квантования ? - разность между двумя соседними разрешенными уровнями;

· напряжение ограничения U_ОГР - максимальное значение амплитуды отсчета, подвергаемого квантованию.

Если ? =const, то квантование называют равномерным. Амплитудная характеристика равномерного квантователя показана на Рис. 6.

Рис. 6. Амплитудная характеристика равномерного квантователя

Ошибка квантования - разность между истинным значением отсчета и его квантованным значением. При равномерном квантовании величина ошибки квантования не превышает половины шага квантования.

При квантовании возникает так называемый шум квантования, мощность которого определяется выражением P_Ш.КВ=? ²/12. Защищенность от шумов квантования определяется как А_З.КВ=10lg(P_С/P_Ш.КВ).

Если входное напряжение выше порогового, на выходе квантователя формируются отсчеты с амплитудой U_ОГР - такой режим работы квантователя называется перегрузкой. При этом возникают шумы ограничения, мощность которых значительно превышает мощность шумов квантования. Необходимо применять специальные меры, предотвращающие перегрузку квантователя.

Недостатком равномерного квантования является меньшая защищенность от шумов квантования малых уровней сигнала.

Для обеспечения А_З.КВ не менее 30 дБ во всем динамическом диапазоне речевого сигнала требуется 2¹²=4096 уровней квантования.

Большое число разрядов в коде (m=12) при равномерном квантовании приводит к усложнению аппаратуры и неоправданному увеличению тактовой частоты. Устранить указанный существенный недостаток можно, осуществляя неравномерное квантование, которое используется в современных ЦСП. Сущность неравномерного квантования заключается в следующем. Для малых значений сигналов шаг квантования выбирается минимальным и постепенно увеличивается, достигая максимального для больших значений сигналов. Амплитудная характеристика неравномерного квантователя показана на Рис. 7.

Рис. 7. Амплитудная характеристика неравномерного квантователя

При этом для слабых сигналов Р_Ш.КВ уменьшается, а для сильных - возрастает, что приводит к увеличению А_З.КВ для слабых сигналов и снижению А_З.КВ - для сильных, которые имели большой запас по помехозащищенности. В результате удается снизить разрядность кода до m=8 (N_КВ=256), обеспечив при этом выполнение требований к защищенности от шумов квантования в широком динамическом диапазоне сигнала D_С, составляющем около 40 дБ. Таким образом происходит выравнивание А_З.КВ в широком диапазоне изменения уровней сигнала.

Эффект неравномерного квантования может быть получен с помощью сжатия динамического диапазона сигнала с последующим равномерным квантованием. Сжатие динамического диапазона сигнала осуществляется с помощью компрессора, обладающего нелинейной амплитудной характеристикой. Чем большей нелинейностью обладает компрессор, тем больший выигрыш может быть получен для слабых сигналов.

Для восстановления исходного динамического диапазона сигнала на приеме необходимо установить экспандер (расширитель), амплитудная характеристика которого должна быть обратной амплитудной характеристике компрессора. Таким образом, результирующая (суммарная) амплитудная характеристика цепи компрессор-экспандер (компандер), должна быть линейной во избежание нелинейных искажений передаваемых сигналов.

В современных ЦСП находят применение две логарифмические характеристики компандирования (типов А и ? ), которые удобно изображать и описывать в нормированном виде у=f(х), где у = U_ВЫХ/U_ОГР, x = U_ВХ/U_ОГР:

где А=87,6 и ? =255 - параметры компрессии.

Характеристика компандирования типа А используется в ЦСП, соответствующих европейской ПЦИ, а типа ? - в ЦСП, соответствующих североамериканской ПЦИ.

Особенности кодирования и декодирования сигналов

В процессе кодирования амплитуда каждого квантованного по уровню АИМ отсчета представляется в виде двоичной последовательности, содержащей m символов.

Как говорилось выше, для качественной передачи телефонного сигнала при равномерном и неравномерном квантовании нужно иметь соответственно 4096 и 256 уровней квантования, т.е. необходимо использовать 12- и 8-разрядный двоичный код.

Линейным кодированием называется кодирование равномерно квантованного сигнала, а нелинейным - неравномерно квантованного сигнала.

Код, формируемый в кодере, называется параллельным, если импульсные сигналы (1 и 0), входящие в состав m-разрядной кодовой группы, появляются на разных выходах кодера одновременно, причем каждому выходу кодера соответствует сигнал определенного разряда. Код называется последовательным, если все сигналы, входящие в состав m-разрядной кодовой группы, появляются на одном выходе кодера поочередно со сдвигом по времени (обычно начиная со старшего по весу разряда). Параллельный код может преобразовываться в последовательный и наоборот.

Часто функции квантования и кодирования (соответственно декодирования и деквантования) выполняет одно устройство.

При кодировании с неравномерной шкалой квантования могут использоваться следующие способы:

· аналоговое компандирование, характеризующееся компрессией (сжатием) динамического диапазона сигнала перед линейным кодированием, и экспандированием (расширением) динамического диапазона сигнала после линейного декодирования;

· нелинейное кодирование, характеризующееся кодированием сигнала в нелинейных кодерах, сочетающих функции аналого-цифрового преобразования и компрессора;

· цифровое компандирование, характеризующееся кодированием сигнала в линейном кодере с большим числом разрядов с последующей нелинейной цифровой обработкой результата кодирования.

На практике наиболее часто используется нелинейное кодирование.

При частоте дискретизации F_Д=8кГц (T_Д=125 мкс) и разрядности кода m=8 получаем скорость передачи сформированного ИКМ-сигнала 64 кбит/с, которая и является скоростью основного цифрового канала (ОЦК). Преобразование аналогового сигнала в сигнал ИКМ стандартизировано МСЭ-Т Рекомендацией G-711.

Устройства, в целом выполняющие преобразования аналоговых сигналов в цифровые и обратно, называются, соответственно, аналого-цифровыми (АЦП) и цифро-аналоговыми преобразователями (ЦАП).

Обобщенные примеры построения ЦАП и АЦП приведены на Рис. 8 и Рис. 9 соответственно.

Рис. 8. Структурная схема ЦАП

Рис. 9. Структурная схема АЦП

Особенности методов разностного квантования аналоговых сигналов

Между соседними отсчетами речевого сигнала имеется значительная корреляция, которая слабо убывает по мере увеличения интервала между отсчетами. Это означает, что речевой сигнал изменяется медленно и разность между соседними отсчетами будет иметь меньшую дисперсию, чем исходный сигнал, что позволяет применять методы разностного квантования речевого сигнала (Рис. 5.10), где z - входной сигнал; - оценка предсказанного значения входного сигнала; z - квантованный входной сигнал; d - ошибка предсказания; d - квантованная ошибка предсказания; e - ошибка квантования;

; . Учитывая, что и получим

Линейная дельта-модуляция (Рис. 11) использует одноразрядный (двухуровневый) квантователь и предсказатель 1 порядка .

При этом входной сигнал квантователя имеет вид .

Восстановление аналогового сигнала из сигнала линейной ДМ осуществляется суммированием шага квантования.

Линейная ДМ технически реализуется относительно просто, но обладает рядом недостатков:

· перегрузка по крутизне;

· шум дробления (шум незанятого канала).

Кроме того, для обеспечения приемлемого качества восстановления речевого сигнала требуется высокая скорость преобразования (передачи) - порядка 200 кбит/с.

Адаптивная ДМ. Шаг квантования меняется в зависимости от крутизны исходного сигнала от минимального до максимального значения. Возможны различные схемы (алгоритмы) адаптивной модуляции. Отслеживается выходной поток квантователя - при чередовании 0 и 1 шаг уменьшается, при последовательных 0 или 1 шаг увеличивается. Данный вид модуляции не получил широкого применения.

Рис. 10. Структурная схема кодера разностного квантования

Рис. 11. Линейная дельта-модуляция: аналоговый сигнал (кривая 1) и сигнал квантователя линейной ДМ (кривая 2)

Дальнейшим развитием систем разностного квантования является адаптивная дифференциальная ИКМ. Методы адаптации распространяются как на квантователь, так и на предсказатель. Осуществляется передача цифровых представлений адаптивного шага и коэффициентов предсказателя. Удовлетворительные результаты при скорости передачи 32 и 24 кбит/с. МСЭ-Т стандартизировал данный вид модуляции в Рекомендации G.726 для скорости передачи 32 кбит/с.

ЛИТЕРАТУРА

Лидовский В.И. Теория информации. - М., «Высшая школа», 2002г. - 120с.

Метрология и радиоизмерения в телекоммуникационных системах. Учебник для ВУЗов. / В.И.Нефедов, В.И.Халкин, Е.В.Федоров и др. - М.: Высшая школа, 2001 г. - 383с.

Цапенко М.П. Измерительные информационные системы. - . - М.: Энергоатом издат, 2005. - 440с.

Зюко А.Г. , Кловский Д.Д., Назаров М.В., Финк Л.М. Теория передачи сигналов. М: Радио и связь, 2001 г. -368 с.