Jeden Tag werden Menschen mit der Nutzung konfrontiert elektronische Geräte. Ohne sie ist das moderne Leben nicht möglich. Schließlich geht es um Fernsehen, Radio, Computer, Telefon, Multikocher und so weiter. Bisher, noch vor wenigen Jahren, dachte niemand darüber nach, welches Signal in jedem Arbeitsgerät verwendet wurde. Nun gibt es die Wörter „analog“, „digital“, „diskret“ schon seit langem. Einige der aufgeführten Signaltypen sind von hoher Qualität und zuverlässig.

Die digitale Übertragung kam erst viel später zum Einsatz als die analoge. Dies liegt daran, dass ein solches Signal viel einfacher zu warten ist und die Technologie damals noch nicht so verbessert war.

Jeder Mensch begegnet dem Begriff „Diskretheit“ ständig. Wenn Sie dieses Wort aus dem Lateinischen übersetzen, bedeutet es „Diskontinuität“. Wenn wir weit in die Wissenschaft eintauchen, können wir sagen, dass ein diskretes Signal eine Methode zur Informationsübertragung ist, die eine zeitliche Änderung des Trägermediums impliziert. Letzteres nimmt jeden möglichen Wert an. Jetzt tritt Diskretion in den Hintergrund, nachdem die Entscheidung getroffen wurde, Systeme auf einem Chip zu produzieren. Sie sind ganzheitlich und alle Komponenten interagieren eng miteinander. Bei der Diskretion ist alles genau umgekehrt – jedes Detail wird durch spezielle Kommunikationsleitungen vervollständigt und mit anderen verbunden.

Signal

Das Signal stellt dar Sondercode, die von einem oder mehreren Systemen in den Weltraum übertragen wird. Diese Formulierung ist allgemein.

Im Bereich der Information und Kommunikation ist ein Signal ein spezieller Datenträger, der zur Übermittlung von Nachrichten verwendet wird. Es kann erstellt, aber nicht akzeptiert werden; die letztgenannte Bedingung ist nicht notwendig. Wenn es sich bei dem Signal um eine Nachricht handelt, wird das „Abfangen“ als notwendig erachtet.

Der beschriebene Code wird durch eine mathematische Funktion spezifiziert. Es charakterisiert alle möglichen Parameteränderungen. IN Theorie der Funktechnik Dieses Modell gilt als einfach. Darin wurde Rauschen als Analogon des Signals bezeichnet. Es stellt eine Funktion der Zeit dar, die frei mit dem übertragenen Code interagiert und ihn verzerrt.

Der Artikel beschreibt die Signaltypen: diskret, analog und digital. Die grundlegende Theorie zum beschriebenen Thema wird ebenfalls kurz dargelegt.

Arten von Signalen

Es stehen mehrere Signale zur Verfügung. Schauen wir uns an, welche Arten es gibt.

1. Sie werden entsprechend der physischen Umgebung des Datenträgers unterteilt elektrisches Signal, optisch, akustisch und elektromagnetisch. Es gibt mehrere andere Arten, die jedoch wenig bekannt sind.
2. Je nach Einstellungsmethode werden Signale in regelmäßige und unregelmäßige Signale unterteilt. Die ersten sind deterministische Methoden der Datenübertragung, die durch eine analytische Funktion spezifiziert werden. Zufällige werden mithilfe der Wahrscheinlichkeitstheorie formuliert und nehmen auch zu unterschiedlichen Zeitpunkten beliebige Werte an.
3. Abhängig von den Funktionen, die alle Signalparameter beschreiben, können Datenübertragungsmethoden analog, diskret, digital (eine im Pegel quantisierte Methode) sein. Sie dienen der Stromversorgung vieler Elektrogeräte.

Nun kennt der Leser alle Arten der Signalübertragung. Es wird für niemanden schwierig sein, sie zu verstehen; die Hauptsache ist, ein wenig nachzudenken und sich an den Schulphysikkurs zu erinnern.

Warum wird das Signal verarbeitet?

Das Signal wird verarbeitet, um darin verschlüsselte Informationen zu senden und zu empfangen. Sobald es entfernt ist, kann es verwendet werden auf verschiedene Weise. In manchen Situationen wird es neu formatiert.

Es gibt noch einen weiteren Grund für die Verarbeitung aller Signale. Es besteht aus einer leichten Komprimierung der Frequenzen (um die Informationen nicht zu beschädigen). Danach wird es formatiert und mit langsamer Geschwindigkeit übertragen.

Bei analogen und digitalen Signalen kommen spezielle Techniken zum Einsatz. Insbesondere Filterung, Faltung, Korrelation. Sie sind notwendig, um das Signal wiederherzustellen, wenn es beschädigt ist oder Rauschen aufweist.

Schöpfung und Bildung

Zur Signalerzeugung wird häufig ein Analog-Digital-Wandler (ADC) benötigt. Meistens werden beide nur in Situationen verwendet, in denen DSP-Technologien zum Einsatz kommen. In anderen Fällen genügt die Verwendung eines DAC.

Bei der Erstellung physischer analoger Codes unter weiterer Nutzung digitaler Methoden stützen sie sich auf die empfangenen Informationen, die von speziellen Geräten übertragen werden.

Dynamikbereich

Sie wird aus der Differenz zwischen der höheren und der niedrigeren Lautstärke berechnet und in Dezibel ausgedrückt. Es kommt ganz auf die Arbeit und die Charakteristika der Aufführung an. Es ist wie Musiktitel und über gewöhnliche Dialoge zwischen Menschen. Nehmen wir zum Beispiel einen Ansager, der die Nachrichten vorliest, dann schwankt sein Dynamikumfang um 25-30 dB. Und beim Lesen jeglicher Arbeit kann der Schallpegel auf bis zu 50 dB ansteigen.

Analoges Signal

Ein analoges Signal ist eine zeitkontinuierliche Methode zur Datenübertragung. Sein Nachteil ist das Vorhandensein von Rauschen, das manchmal zu einem vollständigen Informationsverlust führt. Sehr oft kommt es zu Situationen, in denen nicht festgestellt werden kann, wo sich die wichtigen Daten im Code befinden und wo es zu gewöhnlichen Verzerrungen kommt.

Aus diesem Grund erfreut sich die digitale Signalverarbeitung großer Beliebtheit und ersetzt nach und nach die analoge.

Digitales Signal

Ein digitales Signal ist etwas Besonderes; es wird durch diskrete Funktionen beschrieben. Seine Amplitude kann einen bestimmten, von den bereits angegebenen Werten abweichenden Wert annehmen. Wenn ein analoges Signal mit großem Rauschen ankommen kann, filtert ein digitales Signal den größten Teil des empfangenen Rauschens heraus.

Darüber hinaus überträgt diese Art der Datenübertragung Informationen ohne unnötige semantische Belastung. Über einen physikalischen Kanal können mehrere Codes gleichzeitig gesendet werden.

Es gibt keine Arten von digitalen Signalen, da es sich um eine separate und unabhängige Methode der Datenübertragung handelt. Es stellt einen binären Stream dar. Heutzutage gilt dieses Signal als das beliebteste. Dies liegt an der Benutzerfreundlichkeit.

Anwendung eines digitalen Signals

Wie unterscheidet sich ein digitales elektrisches Signal von anderen? Die Tatsache, dass er in der Lage ist, im Repeater eine vollständige Regeneration durchzuführen. Wenn ein Signal mit der geringsten Störung an Kommunikationsgeräten ankommt, ändert es sofort seine Form in digital. Dadurch kann beispielsweise ein Fernsehturm wieder ein Signal erzeugen, jedoch ohne den Rauscheffekt.

Wenn der Code mit großen Verzerrungen ankommt, kann er leider nicht wiederhergestellt werden. Wenn wir die analoge Kommunikation vergleichen, kann ein Repeater in einer ähnlichen Situation einen Teil der Daten extrahieren und dabei viel Energie verbrauchen.

Diskutieren Mobilfunkkommunikation Bei unterschiedlichen Formaten ist bei starken Verzerrungen auf einer digitalen Leitung ein Sprechen nahezu unmöglich, da Wörter oder ganze Sätze nicht zu hören sind. In diesem Fall ist die analoge Kommunikation effektiver, da Sie weiterhin einen Dialog führen können.

Gerade wegen solcher Probleme bilden Repeater sehr oft ein digitales Signal, um die Lücke in der Kommunikationsleitung zu verringern.

Diskretes Signal

Heutzutage nutzt jeder Mensch ein Mobiltelefon oder eine Art „Dialer“ auf seinem Computer. Eine der Aufgaben von Geräten bzw Software- Hierbei handelt es sich um die Übertragung eines Signals, in diesem Fall eines Sprachstroms. Um eine kontinuierliche Welle zu übertragen, ist ein Kanal mit der entsprechenden Kapazität erforderlich oberstes Niveau. Aus diesem Grund wurde die Entscheidung getroffen, ein diskretes Signal zu verwenden. Es entsteht nicht die Welle selbst, sondern ihr digitales Erscheinungsbild. Warum? Denn die Übertragung erfolgt durch Technik (zum Beispiel ein Telefon oder einen Computer). Welche Vorteile bietet diese Art der Informationsvermittlung? Mit seiner Hilfe wird die Gesamtmenge der übertragenen Daten reduziert und auch der Stapelversand lässt sich einfacher organisieren.

Das Konzept des „Sampling“ wird seit langem in der Arbeit eingesetzt Computertechnologie. Dank dieses Signals werden nicht kontinuierliche Informationen übertragen, die vollständig codiert sind Sonderzeichen und Briefe sowie in speziellen Blöcken gesammelte Daten. Sie sind getrennte und vollständige Teilchen. Diese Kodierungsmethode ist seit langem in den Hintergrund gedrängt, ganz verschwunden ist sie aber nicht. Mit ihm lassen sich problemlos kleine Informationseinheiten übermitteln.

Vergleich digitaler und analoger Signale

Kaum jemand denkt beim Kauf von Geräten darüber nach, welche Signalarten in diesem oder jenem Gerät zum Einsatz kommen, und noch mehr über deren Umgebung und Beschaffenheit. Aber manchmal muss man die Konzepte trotzdem verstehen.

Es ist schon lange klar, dass analoge Technologien an Nachfrage verlieren, weil ihr Einsatz irrational ist. Im Gegenzug kommt digitale Kommunikation. Wir müssen verstehen, worüber wir reden und was die Menschheit ablehnt.

Kurz gesagt ist ein analoges Signal eine Methode zur Informationsübertragung, bei der Daten in kontinuierlichen Zeitfunktionen beschrieben werden. Tatsächlich kann die Amplitude von Schwingungen im Einzelnen innerhalb bestimmter Grenzen jedem beliebigen Wert entsprechen.

Die digitale Signalverarbeitung wird durch diskrete Zeitfunktionen beschrieben. Mit anderen Worten, die Schwingungsamplitude dieser Methode entspricht genau festgelegten Werten.

Von der Theorie zur Praxis muss man sagen, dass das analoge Signal durch Interferenzen gekennzeichnet ist. Bei der Digitalisierung gibt es solche Probleme nicht, da sie erfolgreich „geglättet“ werden. Dank neuer Technologien ist diese Methode der Datenübertragung in der Lage, alle Originalinformationen ohne Eingreifen eines Wissenschaftlers selbstständig wiederherzustellen.

Wenn es ums Fernsehen geht, kann man schon jetzt mit Gewissheit sagen: Die analoge Übertragung hat längst ihren Nutzen verloren. Die meisten Verbraucher wechseln zu einem digitalen Signal. Letzteres hat den Nachteil, dass, wenn ein Gerät in der Lage ist, analoge Übertragungen zu empfangen, umso mehr moderne Art und Weise- nur Sonderausstattung. Obwohl die Nachfrage nach der veralteten Methode längst zurückgegangen ist, können solche Signale noch immer nicht ganz aus dem Alltag verschwinden.

Vorlesung 1

Grundlegende Signaltypen und ihre mathematische Beschreibung.

Hauptsignaltypen: analog, diskret, digital.

Analog ist ein zeitlich und zustandskontinuierliches Signal (Abb. 1a). Das Signal wird durch eine stetige (oder stückweise stetige) Funktion beschrieben X(T). In diesem Fall können sowohl das Argument als auch die Funktion selbst beliebige Werte aus bestimmten Intervallen annehmen:

T" ≤ T ≤ T"" , X" ≤ X ≤ X"".

Diskret ist ein zeitdiskretes und zustandskontinuierliches Signal (Abb. 1b). Beschrieben durch eine Gitterfunktion X(N* T), Wo N- Referenznummer (1,2,3,…). Intervall T wird als Abtastperiode und als Kehrwert bezeichnet F d=1/ T– Abtastfrequenz. Die Gitterfunktion ist nur zeitweise definiertN * T und vielleicht auch nur in diesen Momenten Nehmen Sie beliebige Werte aus einem bestimmten Intervall X" ≤ X ≤ X„“. Werte der Gitterfunktion und dementsprechend das Signal selbst zu bestimmten Zeitpunkten N* T werden Proben genannt. (Ein diskretes Signal kann entweder real oder komplex sein).

Digital ist ein Signal, das sowohl zeitlich als auch zustandsdiskret ist (Abb. 1c). Signale dieser Art werden auch durch Gitterfunktionen beschrieben X C( N* T), das nur eine endliche Anzahl von Werten aus einem endlichen Intervall annehmen kann X" ≤ X ≤ X„“. Diese Werte werden als Quantisierungsstufen bezeichnet, und die entsprechenden Funktionen werden als quantisiert bezeichnet.

Bei der Analyse diskreter Signale ist es praktisch, die normalisierte Zeit zu verwenden
, sonst, d.h. Die Abtastzahl eines diskreten Signals kann als normalisierte Zeit interpretiert werden. Beim Übergang zur normalisierten Zeit kann ein diskretes Signal als Funktion einer ganzzahligen Variablen betrachtet werden N. Das ist weiter X(N) ist gleichwertig X(N· T).

Frequenznormalisierung.

Nach dem Satz von Kotelnikov ist die maximale Frequenz eines analogen Signals F mehr sollte es nicht sein F d/2. Daher empfiehlt es sich, alle diskreten Signale im Bereich zu berücksichtigen. Dies stellt das Konzept vor normalisierte Frequenz

oder

und betrachten Sie ein diskretes Signal F in der Gegend

oder

Die Verwendung einer normalisierten Frequenz ermöglicht die Untersuchung der Frequenzeigenschaften diskreter Systeme und der Spektren diskreter Signale in einem einzelnen Frequenzband. Für DSP kommt es nicht auf die Absolutwerte von Signalfrequenz und Abtastfrequenz an, sondern auf deren Verhältnis, d.h. normalisierter Frequenzwert.

Zum Beispiel für 2 diskrete Kosinuswerte:

Wo

Infolge:

Diskrete Signale Sie sind gleich, da ihre normalisierten Frequenzen gleich sind und sich nur zeitlich unterscheiden.

Im allgemeinen Fall hat eine diskrete Kosinuswelle im normierten Frequenzbereich die Form:

Verallgemeinertes Schema der digitalen Signalverarbeitung.

Der DSP-Prozess umfasst 3 Phasen:

Zahlenfolgegenerator X(N* T) vom analogen Signal X(T) ;

Sequenzkonvertierung X(N* T) gemäß einem vorgegebenen Algorithmus durch einen digitalen Signalprozessor (DSP) in eine neue numerische Ausgangsfolge y umgewandelt (N* T) ;

Bildung des resultierenden analogen Signals j(T) aus der Folge j(N* T).

Abtastfrequenz F d ist ausgewählt: F d ≥ 2 F V.

Reale Signale erfüllen diese Anforderung nicht. Deshalb installieren sie einen Tiefpassfilter, der das Spektrum begrenzt. Da die Energie realer Signale mit zunehmender Frequenz abnimmt, sind die durch den Tiefpassfilter verursachten Verzerrungen unbedeutend (Abb. 3 a und b), und die Spektren sind unten:

Quantisierungsstufen(Abb. 1.c.) sind mit Binärzahlen codiert, sodass wir am Ausgang des ADC eine Folge von Binärzahlen haben
. Digitales Signal
anders als diskret
um den Betrag:

Quantisierungsfehler.

Um sie zu reduzieren, ist es notwendig, die Anzahl der Quantisierungsstufen zu erhöhen. Das diskrete Signal gelangt in die Zentraleinheit, die gemäß dem Algorithmus dem Ausgangssignal für jeden Eingangsbericht eine eindeutige Entsprechung zuordnet
. In diesem Fall kann die Anzahl der Operationen (Multiplikationen, Additionen, Inversionen, Übertragungen usw.), um eine Stichprobe zu erhalten, beliebig berechnet werden. Der Verarbeitungszeitraum (Rechenzeit) darf jedoch nicht größer sein als der Abtastzeitraum . Und das kann nur sein, wenn die Taktfrequenz stimmt F T CPOS >> F D.

Als nächstes erzeugt der DAC ein schrittweises analoges Signal (T), deren Stufen durch einen Filter geglättet werden, wodurch ein Analogon entsteht j(T).

THEMA 3 Digitale Signalverarbeitungsgeräte

VORTRAG 8_

Grundkonzepte der digitalen Signalverarbeitung

Vorlesungsfragen:

Arten von Signalen. Kommunikation zwischen Signalen verschiedene Arten.

Zahlensysteme und Codes, die in DAC- und ADC-Wandlern verwendet werden.

Anwendungsgebiete von DAC und ADC

Grundlegende Parameter und Klassifizierung von DAC und ADC

Arten von Signalen. Beziehung zwischen Signalen unterschiedlicher Art

Die gesamte Signalvielfalt lässt sich in drei Hauptsignaltypen unterteilen: analog, diskret und digital.

Analoges Signal wird durch eine stetige oder stückweise stetige Funktion beschrieben, und sowohl das Argument als auch die Funktion selbst können beliebige Werte aus bestimmten Intervallen annehmen: .

Beispiele. , Sprachsignal in Radio und Fernsehen.

Diskretes Signal wird durch eine Gitterfunktion beschrieben, die jeden beliebigen Wert annehmen kann, während die unabhängige Variable nur diskrete Werte annehmen kann (-Abtastintervall).

Zu den diskreten, nicht quantisierten Signalen gehören Signale mit Pulsamplitudenmodulation.

Ein digitales Signal wird durch eine quantisierte Gitterfunktion beschrieben, also eine Gitterfunktion, die nur eine Reihe diskreter Werte – Quantisierungsstufen – annimmt, während die unabhängige Variable annimmt.

Jede der Quantisierungsstufen ist mit einem Binärcode codiert, sodass die Übertragung und Verarbeitung eines digital codierten Signalabtastwerts auf Operationen an einem dimensionslosen Binärcode reduziert wird. Die Anzahl der Quantisierungsstufen und die Anzahl der Binärbits hängen durch die Beziehung zusammen .

Zu den digitalen Signalen gehören beispielsweise Signale, die in Kommunikationssystemen mit Pulscodemodulation verwendet werden.

Probenahmebetrieb verbindet die analogen und diskreten Signale und besteht darin, dass aus dem analogen Signal ein diskretes Signal so aufgebaut wird .

Wiederherstellungsvorgang besteht darin, dass aus einem gegebenen diskreten Signal ein analoges Signal aufgebaut wird.

Die Rekonstruktions- und Abtastvorgänge sind zueinander invers, wenn das abgetastete analoge Signal den Satz von Kotelnikov erfüllt.

Die Beziehung zwischen dem Spektrum eines analogen Signals und dem Spektrum eines diskreten Signals wird durch die Formel bestimmt

.

Dieser Ausdruck beschreibt die „Vervielfachung“ des Spektrums eines analogen Signals während der Abtastung.

Quantisierungs- und Kodierungsvorgang(Analog-Digital-Umwandlung) besteht darin, dass auf der Grundlage eines gegebenen diskreten Signals ein codiertes Signal so konstruiert wird , .

Digital-Analog-Umwandlungsvorgang besteht darin, dass aus einem gegebenen digital kodierten Signal ein diskretes Signal aufgebaut wird, und .

Die Vorgänge der Quantisierung und Kodierung sowie der Digital-Analog-Wandlung sind nicht genau zueinander invers, da die Quantisierung im Allgemeinen mit einem unvermeidbaren Fehler durchgeführt wird. Wenn jedoch eine ausreichend große Anzahl binärer Signale zur Darstellung jedes Abtastwerts verwendet wird, ist der Quantisierungsfehler klein genug, dass das diskrete Signal (und damit das entsprechende analoge Signal) durch ein digitales Signal ersetzt werden kann.

Es werden Abtast-, Quantisierungs- und Kodierungsvorgänge durchgeführt Analog-Digital-Wandler (ADCs) sowie Digital-Analog-Umwandlungs- und Wiederherstellungsvorgänge Digital-Analog-Wandler (ADCs).

Geräte zur digitalen Signalverarbeitung (DSP) sind Geräte, die den einen oder anderen digitalen Verarbeitungsalgorithmus implementieren.

Basic Vorteile DSP im Vergleich zu analog:

1) Die Eigenschaften von DSP-Geräten sind absolut stabil und ändern sich nicht, wenn sich die äußeren Bedingungen (Temperatur, Luftfeuchtigkeit usw.) ändern, solange diese Geräte betriebsbereit bleiben;

2) Es ist möglich, eine Reihe von Operationen und Algorithmen zu implementieren, die mit analogen Elementen grundsätzlich nicht realisierbar sind, beispielsweise die Verarbeitung von Infra-Niederfrequenzsignalen, da digitale Speichergeräte eine nahezu unbegrenzte Dauer der Informationsspeicherung haben.

DSP-Geräte werden praktischerweise in Form von LSI und VLSI implementiert.

Unter Mängel UTsOS kann wie folgt unterschieden werden:

1) Relativ niedrige Geschwindigkeit Verarbeitung;

2) Relativ hoher Stromverbrauch;

3) Relativ hohe Kosten;

4) Die Notwendigkeit, ADC und DAC am Ein- und Ausgang des DSP zu verwenden.

Es ist zu beachten, dass die Bedeutung der ersten beiden Nachteile aufgrund der Entwicklung der LSI- und VLSI-Fertigungstechnologien abnimmt. Die Kosten für Algorithmen und Programme spielen bei den DSP-Kosten immer mehr eine Rolle. Grundsätzlich wird die Genauigkeit des DSP durch die verwendeten ADCs und DACs begrenzt. Die Genauigkeit der Berechnungen im Gerät selbst wird durch die Anzahl der Binärziffern bestimmt, die zur Darstellung der Codes verwendet werden.

2. Zahlensysteme und Codes,
Wird in DAC- und ADC-Wandlern verwendet

Dezimalzahl wird normalerweise zur Darstellung von Zahlen verwendet Positionierungssystem Notation, in der jede Zahl als Summe von Zehnerpotenzen dargestellt wird, obwohl nur die Koeffizienten dieser Entwicklung geschrieben werden:

Das Dezimalsystem verwendet 10 Ziffern zur Darstellung von Ausdehnungskoeffizienten.

Digitale Geräte konvertieren jedoch Informationen, die nur durch die zwei Ziffern 0 und 1 dargestellt werden, sodass die Verwendung bequem ist binäres System Notation, bei der die Gewichte der binären Koeffizienten Potenzen von 2 sind.

Die gemessenen physikalischen Größen können unipolar oder bipolar sein. Deshalb, um sie zu vertreten digitale Form ADCs und DACs verwenden sowohl unipolare als auch bipolare Codes.

Unipolare Codes.

Binärcode (regulär Binärcode).

Die Ziffer ganz rechts ist die niedrigstwertige Ziffer (LSB), die Ziffer ganz links ist die höchstwertige Ziffer (MSB).

In diesem Code hängt der Beitrag jedes Bits (Binärziffer) von seiner Position ab:

In einer Bitsequenz hat das SZR eine Gewichtung von , und die maximale Zahl, die durch einen Bitcode dargestellt werden kann, ist gleich .

Bruchkodierung

Bei der Betrachtung der Funktionsweise eines ADC ist es wichtig, eine Binärzahl als Darstellung des Bruchteils einer ganzen Zahl zu betrachten. In diesem Fall ist das Gewicht des MZR gleich und das Gewicht des PPP beträgt . Vor der Zahl steht ein Komma:

.

Der Wert der Bruchzahl, der Einheiten in allen Ziffern entspricht, ist als 1-1MZR definiert. Darüber hinaus bestimmt der MZR die Auflösung des -Bit-Codes des Konverters

3. Anwendungsbereiche von DAC und ADC

Das Niveau und die Entwicklung mikroelektronischer DACs und ADCs werden durch die Anforderungen an die technischen und betrieblichen Eigenschaften der Funksysteme bestimmt, in denen sie verwendet werden.

Diese Anforderungen können je nach Einsatzzweck, Funktionsprinzip und Betriebsbedingungen der Anlagen erheblich variieren.

Die Notwendigkeit, eine große Menge an Informationen in Echtzeit zu empfangen, zu verarbeiten und zu übertragen, sowie die Probleme bei der Untersuchung schneller Prozesse in verschiedenen Installationen führten zur Entstehung Hochgeschwindigkeits-DAC- und ADC-integrierte Schaltkreise.

Die Lösung von Kommunikationsproblemen erforderte die Erstellung Mehrkanalwandler.

Präzisionsmessungen, seismische Erkundung, Robotik und hochwertige Audio- und Videoaufzeichnungsgeräte sind ohne sie nicht möglich hochauflösende Konverter.

Strenge Anforderungen an den Energieverbrauch sowie an Gewichts- und Größenmerkmale für Bordsysteme durch die Nutzung zufrieden sind Mikroleistungs- und funktionsfähige Konverter.

Für militärisches RTS erforderlich Konverter, die gegen verschiedene äußere Faktoren beständig sind.

Elektro- und Funkgeräte für den Haushalt erfordern eine breite Palette kostengünstiger Konverter, die keine Rekordwerte aufweisen elektrische Parameter und Leistungsmerkmale.

Einige ADC-Anwendungen:

Einige Anwendungen von DAC.

3 Grundparameter und Klassifizierung von DACs und ADCs

Es wird eine DAC-Klassifizierung durchgeführt durch Konvertierungsmethoden.

Es gibt zwei Konvertierungsmethoden:

* Methode zum Summieren eines einzelnen Analogwerts (Quanten);

* Summationsmethode unter Berücksichtigung der Zifferngewichtung.

Von Umsetzungsschema DACs werden unterteilt in: DACs mit Spannungssummierung, DACs mit Stromsummierung und multiplizierende DACs.

DAC-Parameter.

Parameter der nominalen Umrechnungsfunktion.

Die nominale Umrechnungsfunktion hat die Form

Oder mit binärer Kodierung.

Grafisch interpretiert durch Punkte auf einer Linie. Endgültiger Ausgabewert .

Die Parameter dieser Funktion sind Umrechnungsfaktor , Art des Eingangssignalcodes Und Anzahl der Ziffern .

Umrechnungsfaktor ist das Verhältnis des analogen Signalinkrements zum digitalen Signalinkrement. Sie hat die Dimension der Ausgabegröße und ist numerisch gleich der Nenneinheit der niederwertigsten Ziffer.

Zugangscode Es kann sich um natürlichen Binärcode oder binären Dezimalcode handeln.

Statische Genauigkeitsparameter.

Konvertierungsfehler- Abweichung der realen Umrechnungsfunktion von der nominalen.

Systematischer Konvertierungsfehler- zeitlich gemittelter Wert des Konvertierungsfehlers bei konstantem Wert des Steuercodes.

Der Konvertierungsfehler ist zufällig- Zufallskomponente (Rauschen) des Ausgangssignals mit konstantem Wert des Eingangscodes.

Nichtlinearität der Transformation- die maximale Abweichung der Werte der realen Transformationsfunktion von den entsprechenden Punkten auf der Geraden, die diese Funktion annähert.

Differenzielle Nichtlinearität der Transformation- Abweichung des Inkrements des Ausgangssignals beim Übergang des Eingangscodes auf einen benachbarten Wert vom Wert der MZ-Einheit. Wird in Bruchteilen einer Einheit des Mindestlohns ausgedrückt.

Dynamische Parameter.

Einschwingzeit des Stroms (Spannung).) – das Zeitintervall vom Moment einer bestimmten Codeänderung am Eingang des DAC bis zu dem Moment, in dem das analoge Ausgangssignal schließlich in den Bereich des stationären Zustands eintritt, der ±1/2 LSB oder einem anderen spezifizierten Wert entspricht.

Ausgangsstoß- ein kurzer Impuls im Ausgangssignal, wenn sich der Eingangscode ändert.

Einflussfunktion- Abhängigkeit von Parameteränderungen von Einflussfaktoren (Temperatur, Versorgungsspannung usw.).

Elektrische Kopplungsparameter.

Charakterisieren Sie alle Ein- und Ausgänge des DAC im Hinblick auf die Anbindung externe Geräte. Unterteilt in analoge Pairing-Parameter und digitale Pairing-Parameter.

Die erste umfasst Eingangs- und Ausgangswiderstände, Nennwerte und Toleranzen der Versorgungsspannungen sowie externe Referenzspannungen.

Zum zweiten – Nennwerte und Spannungstoleranzen protokollieren. „0“ und log. „1“, Eingabe Gesamtwiderstände(Ströme) von den digitalen Eingängen.

Signale sind Informationscodes, mit denen Menschen Nachrichten übermitteln Informationssystem. Das Signal kann gegeben werden, muss aber nicht empfangen werden. Während eine Nachricht nur als ein Signal (oder eine Reihe von Signalen) betrachtet werden kann, das vom Empfänger empfangen und dekodiert wurde (analoges und digitales Signal).

Eine der ersten Methoden zur Übermittlung von Informationen ohne Beteiligung von Menschen oder anderen Lebewesen waren Signalfeuer. Bei Gefahr wurden nacheinander von einem Pfosten zum anderen Feuer entzündet. Als nächstes betrachten wir die Methode der Informationsübertragung mithilfe elektromagnetischer Signale und gehen ausführlich auf das Thema ein analoges und digitales Signal.

Jedes Signal kann als Funktion dargestellt werden, die Änderungen seiner Eigenschaften beschreibt. Diese Darstellung ist praktisch für das Studium von Geräten und Systemen der Funktechnik. Neben dem Signal gibt es in der Funktechnik auch Rauschen, das dessen Alternative darstellt. Kein Lärm nützliche Informationen und verzerrt das Signal, indem es mit ihm interagiert.

Das Konzept selbst ermöglicht es, bei der Betrachtung von Phänomenen im Zusammenhang mit der Kodierung und Dekodierung von Informationen von bestimmten physikalischen Größen zu abstrahieren. Das mathematische Modell des Signals in der Forschung ermöglicht es, sich auf die Parameter der Zeitfunktion zu verlassen.

Signaltypen

Signale, die auf der physikalischen Umgebung des Informationsträgers basieren, werden in elektrische, optische, akustische und elektromagnetische Signale unterteilt.

Je nach Einstellungsmethode kann das Signal regelmäßig oder unregelmäßig sein. Ein reguläres Signal wird als deterministische Funktion der Zeit dargestellt. Ein unregelmäßiges Signal wird in der Funktechnik durch eine chaotische Zeitfunktion dargestellt und mithilfe eines probabilistischen Ansatzes analysiert.

Signale können je nach der Funktion, die ihre Parameter beschreibt, analog oder diskret sein. Ein diskretes Signal, das quantisiert wurde, wird als digitales Signal bezeichnet.

Signalverarbeitung

Analoge und digitale Signale werden verarbeitet und weitergeleitet, um im Signal kodierte Informationen zu senden und zu empfangen. Sobald Informationen extrahiert wurden, können sie für verschiedene Zwecke verwendet werden. In besonderen Fällen werden Informationen formatiert.

Analoge Signale werden verstärkt, gefiltert, moduliert und demoduliert. Digitale Daten können auch einer Komprimierung, Erkennung usw. unterliegen.

Analoges Signal

Unsere Sinne nehmen alle in sie eintretenden Informationen in analoger Form wahr. Wenn wir beispielsweise ein Auto vorbeifahren sehen, sehen wir, wie es sich kontinuierlich bewegt. Wenn unser Gehirn alle 10 Sekunden Informationen über seine Position erhalten könnte, würden Menschen ständig überfahren. Aber wir können Entfernungen viel schneller abschätzen und diese Entfernung ist zu jedem Zeitpunkt klar definiert.

Mit anderen Informationen passiert absolut das Gleiche, wir können jederzeit die Lautstärke beurteilen, den Druck spüren, den unsere Finger auf Gegenstände ausüben usw. Mit anderen Worten: Fast alle Informationen, die in der Natur vorkommen können, sind analog. Der einfachste Weg, solche Informationen zu übertragen, sind analoge Signale, die kontinuierlich und jederzeit definiert sind.

Um zu verstehen, wie ein analoges elektrisches Signal aussieht, können Sie sich ein Diagramm vorstellen, das auf der vertikalen Achse die Amplitude und auf der horizontalen Achse die Zeit anzeigt. Wenn wir beispielsweise die Temperaturänderung messen, erscheint in der Grafik eine durchgehende Linie, die den Wert zu jedem Zeitpunkt anzeigt. Um ein solches Signal zu übertragen, verwenden Sie elektrischer Strom, müssen wir den Temperaturwert mit dem Spannungswert vergleichen. So können beispielsweise 35,342 Grad Celsius als Spannung von 3,5342 V kodiert werden.

Analoge Signale wurden früher in allen Arten der Kommunikation verwendet. Um Störungen zu vermeiden, muss ein solches Signal verstärkt werden. Je höher der Rauschpegel, also die Interferenz, desto stärker muss das Signal verstärkt werden, damit es verzerrungsfrei empfangen werden kann. Diese Methode der Signalverarbeitung verbraucht viel Energie, um Wärme zu erzeugen. Gleichzeitig verstärktes Signal kann selbst Störungen anderer Kommunikationskanäle verursachen.

Jetzt analoge Signale Sie werden auch im Fernsehen und Radio verwendet, um das Eingangssignal in Mikrofone umzuwandeln. Aber im Allgemeinen wird diese Art von Signal überall durch digitale Signale ersetzt oder ersetzt.

Digitales Signal

Ein digitales Signal wird durch eine Folge digitaler Werte dargestellt. Die heute am häufigsten verwendeten Signale sind binäre Digitalsignale, da sie in der Binärelektronik verwendet werden und einfacher zu kodieren sind.

Im Gegensatz zum vorherigen Signaltyp hat ein digitales Signal zwei Werte „1“ und „0“. Erinnern wir uns an unser Beispiel mit der Temperaturmessung, dann wird das Signal anders erzeugt. Entspricht die vom Analogsignal gelieferte Spannung dem Wert der gemessenen Temperatur, so wird für jeden Temperaturwert eine bestimmte Anzahl von Spannungsimpulsen im Digitalsignal geliefert. Der Spannungsimpuls selbst ist gleich „1“ und das Fehlen von Spannung ist „0“. Das Empfangsgerät dekodiert die Impulse und stellt die Originaldaten wieder her.

Nachdem wir uns vorgestellt haben, wie ein digitales Signal in einem Diagramm aussehen würde, werden wir sehen, dass der Übergang von Null zum Maximum abrupt ist. Diese Funktion ermöglicht es dem Empfangsgerät, das Signal klarer zu „sehen“. Sollten Störungen auftreten, ist es für den Empfänger einfacher, das Signal zu dekodieren als bei der analogen Übertragung.

Es ist jedoch unmöglich, ein digitales Signal mit einem sehr hohen Rauschpegel wiederherzustellen, während es immer noch möglich ist, Informationen aus einem analogen Typ mit großer Verzerrung zu „extrahieren“. Dies ist auf den Klippeneffekt zurückzuführen. Der Kern des Effekts besteht darin, dass digitale Signale über bestimmte Entfernungen übertragen werden können und dann einfach aufhören. Dieser Effekt tritt überall auf und wird durch einfache Regenerierung des Signals behoben. Wo das Signal unterbrochen wird, müssen Sie einen Repeater einfügen oder die Länge der Kommunikationsleitung reduzieren. Der Repeater verstärkt das Signal nicht, sondern erkennt seine ursprüngliche Form und erstellt eine exakte Kopie davon und kann beliebig im Stromkreis verwendet werden. Solche Signalwiederholungsverfahren werden in Netzwerktechnologien aktiv eingesetzt.

Analoge und digitale Signale unterscheiden sich unter anderem auch in der Fähigkeit, Informationen zu kodieren und zu verschlüsseln. Dies ist einer der Gründe für den Übergang Mobilfunk„digitalisieren“.

Analoge und digitale Signale sowie Digital-Analog-Wandlung

Es gibt noch etwas mehr darüber zu sagen, wie analoge Informationen übertragen werden digitale Kanäle Kommunikation. Lassen Sie uns noch einmal Beispiele verwenden. Wie bereits erwähnt, ist Ton ein analoges Signal.

Was passiert in Mobiltelefonen, die Informationen über digitale Kanäle übertragen?

Der in das Mikrofon eintretende Ton wird einer Analog-Digital-Wandlung (ADC) unterzogen. Dieser Prozess besteht aus 3 Schritten. Genommen individuelle Werte Signal über gleiche Zeiträume zu übertragen, wird dieser Vorgang als Abtastung bezeichnet. Nach dem Satz von Kotelnikov über Bandbreite Bei Kanälen sollte die Häufigkeit der Übernahme dieser Werte doppelt so hoch sein wie bei den meisten anderen Hochfrequenz Signal. Das heißt, wenn unser Kanal eine Frequenzgrenze von 4 kHz hat, beträgt die Abtastfrequenz 8 kHz.

Anschließend werden alle ausgewählten Signalwerte gerundet, also quantisiert. Je mehr Pegel erzeugt werden, desto höher ist die Genauigkeit des rekonstruierten Signals am Empfänger. Alle Werte werden dann in Binärcode umgewandelt, der an übertragen wird Basisstation und erreicht dann einen anderen Teilnehmer, der der Empfänger ist. Im Telefon des Empfängers findet eine Digital-Analog-Umwandlung (DAC) statt. Hierbei handelt es sich um ein umgekehrtes Verfahren, dessen Ziel es ist, am Ausgang ein möglichst identisches Signal wie das Original zu erhalten. Als nächstes wird das analoge Signal in Form von Ton über den Telefonlautsprecher ausgegeben.

1. Grundlegende Konzepte und Definitionen. Definition von Funkelektronik. Definition von Funktechnik. Konzept des Signals. Klassifizierungsanalyse von Signalen. Klassifizierungsanalyse funktechnischer Schaltkreise. Klassifizierungsanalyse radioelektronischer Systeme.

Moderne Funkelektronik ist eine verallgemeinerte Bezeichnung für eine Reihe von Bereichen der Wissenschaft und Technologie im Zusammenhang mit der Übertragung und Umwandlung von Informationen auf der Grundlage der Nutzung und Umwandlung elektromagnetischer Schwingungen und Hochfrequenzwellen; Die wichtigsten dieser Bereiche sind:

Funktechnik, Funkphysik und Elektronik.

Die Hauptaufgabe der Funktechnik besteht darin, Informationen mithilfe elektromagnetischer Wellen über eine Distanz zu übertragen. Im weiteren Sinne ist die moderne Funktechnik ein Wissenschafts- und Technologiegebiet, das sich mit der Erzeugung, Verstärkung, Umwandlung, Verarbeitung, Speicherung, Übertragung und dem Empfang elektromagnetischer Schwingungen des Hochfrequenzbereichs befasst, die zur Übertragung von Informationen über eine Entfernung verwendet werden. Daraus folgt, dass Funktechnik und Funkelektronik eng miteinander verbunden sind und sich diese Begriffe oft gegenseitig ersetzen.

Die Wissenschaft, die die physikalischen Grundlagen der Funktechnik untersucht, wird Radiophysik genannt.

1. Das Konzept eines Signals.

Ein Signal (vom lateinischen signum – Zeichen) ist ein physikalischer Prozess oder ein Phänomen, das eine Nachricht über ein Ereignis, den Zustand eines Objekts übermittelt oder Steuerbefehle, Warnungen usw. übermittelt. Somit ist das Signal der materielle Träger der Nachricht. Als solcher Träger kann jeder physikalische Prozess (Licht, elektrisches Feld, Schallschwingungen etc.) dienen. In der Funkelektronik werden hauptsächlich elektrische Signale untersucht und genutzt. Signale als physikalische Prozesse werden mit verschiedenen Instrumenten und Geräten (Oszilloskop, Voltmeter, Empfänger) beobachtet. Jedes Modell spiegelt eine begrenzte Anzahl der wichtigsten Merkmale eines realen physikalischen Signals wider. Unwichtige Signalmerkmale werden ignoriert, um die mathematische Beschreibung von Signalen zu vereinfachen. Die allgemeine Anforderung an mathematisches Modell ist die maximale Annäherung an den realen Prozess bei minimaler Komplexität des Modells. Funktionen, die Signale beschreiben, können reale und komplexe Werte annehmen, daher sprechen sie oft von realen und komplexen Signalmodellen.

Klassifizierung von Signalen. Möglicherweise sofortige Vorhersagen. Signalwerte sind zu jedem Zeitpunkt unterschiedlich:

Deterministische Signale, d.h. solche Signale, für die Momentanwerte für jeden Zeitpunkt bekannt und mit einer Wahrscheinlichkeit von eins vorhersehbar sind;

Zufällige Signale, d.h. solche Signale, deren Wert zu keinem Zeitpunkt mit einer Wahrscheinlichkeit von eins vorhergesagt werden kann.

Alle Signale, die Informationen übertragen, sind zufällig, da ein vollständig deterministisches (bekanntes) Signal keine Informationen enthält.

Die einfachsten Beispiele für deterministische und zufällige Signale sind Netzwerkspannungen bzw. Rauschspannungen (siehe Abb. 2.1).

Zufällige und deterministische Signale wiederum können in kontinuierliche oder analoge Signale und diskrete Signale unterteilt werden, die mehrere Varianten haben. Wenn ein Signal jederzeit gemessen (beobachtet) werden kann, wird es als analog bezeichnet. Ein solches Signal existiert zu jedem Zeitpunkt. Diskrete Signale können in diskreten (separaten) Zeiträumen beobachtet und gemessen werden, deren Dauer zum Zeitpunkt des Auftretens begrenzt ist. Zu den diskreten Signalen gehören Impulssignale.

Die Abbildung zeigt zwei Arten von Impulsen. Videoimpuls und Funkimpuls. Bei der Erzeugung von Funkimpulsen wird der Videoimpuls als Steuersignal (Modulationssignal) verwendet und in diesem Fall besteht ein analytischer Zusammenhang zwischen ihnen:

In diesem Fall spricht man von der Einhüllenden des Funkimpulses und die Funktion von dessen Füllung.

Impulse werden normalerweise durch Amplitude A, Dauer, Dauer der Front und des Cutoffs und, falls erforderlich, Frequenz oder Wiederholungsperiode charakterisiert.

Impulssignale können unterschiedlichster Art sein. Insbesondere gibt es Impulssignale, die als diskret bezeichnet werden (siehe Abb. 2.3).

Diese Art von Signal kann durch ein mathematisches Modell in Form einer abzählbaren Menge von Funktionswerten dargestellt werden – wobei i = 1, 2, 3, ..., k, gezählt zu diskreten Zeitpunkten. Der Signalabtastschritt in Zeit und Amplitude ist normalerweise ein konstanter Wert dieser Art Signal, d.h. minimales Signalinkrement

Jeder der Werte einer endlichen Menge S kann im Binärsystem als Zahl dargestellt werden: - 10101; - 11001; - 10111. Solche Signale werden digital genannt.

Klassifizierung von Funksystemen und den von ihnen gelösten Aufgaben

Aufgrund der von ihnen erfüllten Funktionen lassen sich Informationsfunksysteme in folgende Klassen einteilen:

Informationsübertragung (Rundfunk, Rundfunk, Fernsehen);

Informationsbeschaffung (Radar, Funknavigation, Radioastronomie, Radiomessungen usw.);

Zerstörung von Informationen (Radio-Gegenmaßnahmen);

Steuerung verschiedener Prozesse und Objekte (unbemannte Luftfahrzeuge usw.);

kombiniert.

In einem Informationsübertragungssystem gibt es eine Informationsquelle und ihren Empfänger. In einem Funksystem zur Informationsgewinnung werden Informationen als solche nicht übertragen, sondern entweder aus eigenen Signalen, die in Richtung des Untersuchungsobjekts ausgesendet und von diesem reflektiert werden, oder aus Signalen anderer Funksysteme oder aus dem eigenen Funk gewonnen Emission verschiedener Objekte.

Funksysteme zur Informationsvernichtung dienen dazu, den normalen Betrieb eines konkurrierenden Funksystems zu stören, indem sie ein Störsignal aussenden oder ein Signal empfangen, absichtlich verzerren und erneut aussenden.

In Funksteuerungssystemen wird die Aufgabe gelöst, dass ein Objekt einen bestimmten, von der Zentrale gesendeten Befehl ausführt. Befehlssignale sind Informationen für das Ortungsgerät, das den Befehl ausführt.

Die Hauptaufgaben, die das Funksystem beim Empfang von Informationen löst, sind:

Erkennung eines Signals vor einem Störhintergrund.

Unterscheiden von Signalen vor Hintergrundgeräuschen.

Schätzung von Signalparametern.

Nachricht abspielen.

Am einfachsten lässt sich das erste Problem lösen, bei dem bei gegebenen Wahrscheinlichkeiten einer korrekten Erkennung und eines Fehlalarms eine Entscheidung über das Vorhandensein eines bekannten Signals in der empfangenen Nachricht getroffen werden muss. Je höher das Level der Aufgabe, desto komplexer wird die Schaltung des Empfangsgeräts.

2. Energie, Leistung, Orthogonalität und Kohärenz von Signalen. Gegenseitige Energie von Signalen (Ähnlichkeitsintegral). Das Konzept der Signalnorm.