Цифровые сигналы и кодирование

Размещено на http://www.allbest.ru/

Контрольная работа

"Цифровые сигналы и кодирование"

Сигнал - это любая физическая величина (например, температура, давление воздуха, интенсивность света, сила тока и т.д.), изменяющаяся со временем. Именно благодаря этому изменению сигнал может нести в себе какую-то информацию. В зависимости от функции, описывающей параметры сигнала, выделяют аналоговые, дискретные, квантованные и цифровые сигналы: Аналоговый сигнал - это сигнал, который может принимать любые значения в определенных пределах (например, напряжение может плавно изменяться в пределах от нуля до десяти вольт). Большинство сигналов имеют аналоговую природу, то есть изменяются непрерывно во времени и могут принимать любые значения на некотором интервале. Аналоговые сигналы описываются некоторой математической функцией времени.

Рис.1

цифровой аналоговый сигнал кодирование

Аналоговые сигналы используются в телефонии, радиовещании, телевидении. Ввести такой сигнал в компьютер и обработать его невозможно, так как на любом интервале времени он имеет бесконечное множество значений, а для точного (без погрешности) представления его значения требуются числа бесконечной разрядности. Поэтому необходимо преобразовать аналоговый сигнал так, чтобы можно было представить его последовательностью чисел заданной разрядности.

В настоящее время во всём мире развивается цифровая форма передачи сигналов: цифровая телефония, цифровое кабельное телевидение, цифровые системы коммутации и системы передачи, цифровые сети связи. Цифровой сигнал - это сигнал, который может принимать только два (иногда - три) значения, причем разрешены некоторые отклонения от этих значений (рис.2). Например, напряжение может принимать два значения: от 0 до 0,5 В (уровень нуля) или от 2,5 до 5 В (уровень единицы). Устройства, работающие исключительно с цифровыми сигналами, называются цифровыми устройствами.

Рис.2

В отличие от аналоговых, цифровые сигналы, имеющие всего два разрешенных значения, защищены от действия шумов, наводок и помех гораздо лучше. Небольшие отклонения от разрешенных значений никак не искажают цифровой сигнал, так как всегда существуют зоны допустимых отклонений. Именно поэтому цифровые сигналы допускают гораздо более сложную и многоступенчатую обработку, гораздо более длительное хранение без потерь и гораздо более качественную передачу, чем аналоговые. Понятно, что все эти преимущества обеспечивают бурное развитие цифровой электроники. Однако у цифровых сигналов есть и крупный недостаток. Дело в том, что на каждом из своих разрешенных уровней цифровой сигнал должен оставаться хотя бы в течение какого-то минимального временного интервала, иначе его невозможно будет распознать. А аналоговый сигнал может принимать любое свое значение бесконечно малое время. Можно сказать и иначе: аналоговый сигнал определен в непрерывном времени (то есть в любой момент времени), а цифровой - в дискретном (то есть только в выделенные моменты времени). Поэтому максимально достижимое быстродействие аналоговых устройств всегда принципиально больше, чем цифровых. Аналоговые устройства могут работать с более быстро меняющимися сигналами, чем цифровые. Скорость обработки и передачи информации аналоговым устройством всегда может быть выше, чем скорость обработки и передачи цифровым устройством.

Так как управляемые процессы в основном имеют аналоговый характер, то в большинстве цифровых систем управления присутствуют как аналоговые, так и цифровые сигналы. Следовательно, необходимо такое преобразование сигналов, которое обеспечивало бы взаимодействие цифровых и аналоговых элементов. Выходные сигналы аналоговых устройств должны быть подвергнуты аналого-цифровому (А/Ц) преобразованию перед дальнейшей их обработкой в цифровом контроллере. Аналого-цифровое преобразование может быть описано как операция кодирования. Цифроаналоговый преобразователь осуществляет операцию декодирования над цифровыми входными данными. На выходе ЦАП получают аналоговый сигнал, обычно в виде тока или напряжения. ЦАП необходим как интерфейсное средство между цифровым каналом или ЭВМ и аналоговым устройством. ЦАП называют также декодером.

Квантованный сигнал можно кодировать. Приняв выбранные уровни за элементы кода (то есть число уровней равно основанию кода) можно передавать каждый отсчет одним узким импульсом, высота которого кратна шагу квантования. Однако выгоднее передавать отсчеты, используя код с меньшим основанием, в этом случае каждый отсчет передается не одним элементом кода, а той или иной комбинацией элементов, как показано на рисунке ниже.

Следовательно, число элементов сигнала при такой передаче возрастает, но количество уровней уменьшается. Это приводит к энергетическому выигрышу, поскольку появляется возможность осуществлять связь при меньшем соотношении "сигнал/помеха".

Двоичные коды.

Самый правый разряд этого кода является младшим значащим разрядом (МЗР), самый левый - старшим значащим разрядом (СЗР).

В этом коде, также как в десятичном, вклад каждого отдельного бита зависит от его позиции в упорядоченной последовательности битов.

10111=1?2⁴+0?2³+1?2²+1?2¹+1?2⁰=23.

В общем случае для n бит СЗР имеет вес 2^n-1, при этом максимальное число, которое можно представить таким кодом есть 2ⁿ-1.

В этом случае веса отдельных разрядов в n-разрядном числе имеют другие значения:

Например, для 0,5=

СЗР имеет вес 2^-1 =0.5, а МЗР - 2^-n.

Кроме того, вес, присваиваемый МЗР (то есть 1/2ⁿ), определяет разрешение n-разрядного двоичного кода. Для n=4 эта величина равна 1/16 или 6,25%(1/16 умножить на 100%).

Понятие разрешение имеет очень важное значение для аналогово-цифрового преобразования, так как этот параметр определяет минимально представимое напряжение (МПН).

Размещено на Allbest.ru