1.2 - Аналоговые и цифровые сигналы. АЦП и ЧЦП

1.

Расшифровка данных полетной
и обработка видовой информации
Тема 1.2.1 – Аналоговые и цифровые,
непрерывные и дискретные сигналы
1. Понятие и общая характеристика аналогового сигнала.
2. Понятие и общая характеристика цифрового сигнала.
3. Сравнительная характеристика аналогового
и
цифрового сигналов.
4. Понятие и общая характеристика непрерывных и
дискретных сигналов.

2. Понятие сигналов

Сигналы
–
это
информационные
коды,
которые применяются для
передачи
сообщений
в
информационной системе.

3. 1. Понятие и общая характеристика аналогового сигнала

Аналоговый сигнал – это:
сигнал, порождаемый физическим процессом,
параметры которого можно измерить в любой
момент времени;
сигнал данных, у которого каждый из
представленных
параметров
описывается
функцией времени и непрерывным множеством
возможных значений.

4. 1. Понятие и общая характеристика аналогового сигнала

Свойства аналоговых сигналов:
преимуществами аналоговых сигналов является простота
обработки, а также высокая точность передаваемой
информации, обусловленная высокой плотностью сигналов;
аналоговые сигналы нельзя дискретизировать без потери части
его данных (из-за своей непрерывности); например, этот
процесс физически ограничен возможностями измерительного
устройства.
внесенные помехи малоустранимы; несмотря на это, можно
воспользоваться
фильтром
частот,
если
известна
дополнительная информация о свойствах данного сигнала, в
частности, о его полосе пропускания.

5. 1. Понятие и общая характеристика аналогового сигнала

Применение аналоговых сигналов
Аналоговые
сигналы
зачастую
используют,
представляя физические величины, которые изменяются
непрерывно. Например, электрический аналоговый сигнал,
снимаемый с выходных концов термопары, отражает
реальные данные о температурных изменениях. Этот же
сигнал, но с микрофона, – о частых изменениях воздушнозвукового давления.
Также существует и аналоговое телевизионное вещание,
которое в настоящее время во многих странах
заменяется цифровым.

6. 2. Понятие и общая характеристика цифрового сигнала

Цифровой сигнал – это сигнал, который можно представить
в виде последовательности дискретных (цифровых) значений.
В
настоящее
время
наиболее
распространены двоичные цифровые сигналы (битовый поток)
в связи с простотой кодирования и используемостью в двоичной
электронике.
Для передачи цифрового сигнала по аналоговым каналам
(например, электрическим или радиоканалам) используются
различные виды манипуляции (модуляции).

7. 2. Понятие и общая характеристика цифрового сигнала

Преимущества цифровых сигналов:
простота сжатия, преобразования, распаковки;
широкие возможности шифрования;
относительные простота и дешевизна разработки
и производства цифрового оборудования;
простота редактирования;
доступность
множества
инструментов
редактирования;
высокая скорость передачи по сети.

8. 3. Сравнительная характеристика аналогового и цифрового сигналов

Особенности применения цифровых сигналов
в сравнении с аналоговыми
Важным свойством цифрового сигнала, определившего
его доминирование в современных системах связи, является его
способность к полной регенерации в ретрансляторе (до
некоторого порогового отношения сигнал/шум).
Когда в ретранслятор приходит сигнал с небольшими
помехами, он преобразуется в цифровую форму, и ретранслятор
заново формирует сигнал, полностью убирая искажения.
Аналоговый же сигнал удается усилить лишь вместе с
наложившимися на него шумами.

9. 3. Сравнительная характеристика аналогового и цифрового сигналов

С другой стороны, если цифровой сигнал
приходит с большими помехами, восстановить его
невозможно, в то время как из искаженного
аналогового
сигнала
можно
извлечь
часть
информации, хотя и с трудом.
Если сравнивать сотовую связь аналогового формата
с цифровой связью, то при помехах на цифровой линии
из разговора «выпадают» порой целые слова, а на
аналоговой можно вести разговор, хотя и с помехами.

10. 3. Сравнительная характеристика аналогового и цифрового сигналов

Решением данной проблемы является
увеличение частоты регенерации цифрового
сигнала со вставкой регенераторов в разрыв
линии связи или уменьшение длины линии
связи (например, уменьшение расстояние от
сотового телефона до базовой станции, что
достигается более частым расположением
базовых станций на местности).

11. 3. Сравнительная характеристика аналогового и цифрового сигналов

Использование в цифровых
системах алгоритмов проверки и
восстановления
цифровой
информации
позволяет
существенно
увеличить
надежность передачи информации.

12. 3. Сравнение аналоговых и цифровых сигналов

13. 3. Сравнительная характеристика аналогового и цифрового сигналов

И аналоговые, и цифровые сигналы
широко используются в вычислительных
и коммуникационных системах для
хранения и передачи информации.
Оба типа сигналов имеют много
различий, которые необходимо учитывать
при выборе решения для связи.

14. 4. Понятие и общая характеристика непрерывных и дискретных сигналов

Сигнал
называется
непрерывным
(или
аналоговым), если его параметр
может принимать любое значение
в пределах некоторого интервала.

15. 3. Сравнительная характеристика аналогового и цифрового сигналов

Если обозначить Z – значение параметра
сигнала, а t – время, то зависимость Z(t) будет
непрерывной функцией.
Непрерывный (аналоговый) сигнал

16. 4. Понятие и общая характеристика непрерывных и дискретных сигналов

Примерами
непрерывных
сигналов являются: речь и
музыка, показание термометра
(параметр сигнала – высота столба
спирта или ртути – имеет
непрерывный ряд значений) и пр.

17. 4. Понятие и общая характеристика непрерывных и дискретных сигналов

Сигнал называется дискретным, если его параметр может
принимать конечное число значений в пределах некоторого
интервала.
Дискретные сигналы могут быть описаны дискретным и
конечным множеством значений параметров {Z}.
Дискретный сигнал

18. 4. Понятие и общая характеристика непрерывных и дискретных сигналов

Примерами
устройств,
использующих
дискретные
сигналы,
являются:
часы
(электронные и механические),
цифровые
измерительные
приборы, книги, табло и пр.

19. 4. Понятие и общая характеристика непрерывных и дискретных сигналов

Поскольку последовательность сигналов
есть сообщение, качество прерывностинепрерывности сигналов переносится и на
сообщение
–
существуют
понятия непрерывное сообщение и дискретное
сообщение.
Дискретным будет считаться сообщение,
построенное из дискретных сигналов.

20. 4. Понятие и общая характеристика непрерывных и дискретных сигналов

Гораздо меньше оснований приписывать данное
качество самой информации, поскольку информация –
категория нематериальная и не может обладать свойством
дискретности или непрерывности.
С другой стороны, одна и та же информация
может быть представлена посредством различных
сообщений, в том числе и отличающихся характером
сигналов. Например, речь можно записать в аналоговом
виде
с
помощью
магнитофона,
а
можно
и
законспектировать посредством дискретного набора букв.

21. 4. Понятие и общая характеристика непрерывных и дискретных сигналов

По этой причине в информатике существуют и
используются
сочетания
непрерывная
информация и дискретная информация.
Их нужно понимать только как сокращение полных
фраз: информация, представленная посредством
непрерывных сигналов и информация, представленная
посредством дискретных сигналов.
Поэтому когда заходит речь о видах информации,
правильнее говорить о формах ее представления в
сообщении или о видах сообщений.

22. 4. Понятие и общая характеристика непрерывных и дискретных сигналов

Принципиальным
и
важнейшим
различием непрерывных и дискретных
сигналов является то, что дискретные
сигналы
можно
обозначить,
т.е.
приписать каждому из конечного числа
возможных значений сигнала знак, который
будет отличать данный сигнал от другого.

23. 4. Понятие и общая характеристика непрерывных и дискретных сигналов

Знак – это элемент некоторого конечного
множества отличных друг от друга сущностей.
Природа знака может любой: жест,
рисунок,
буква,
сигнал
светофора,
определенный звук и т.д. Природа знака
определяется носителем сообщения и формой
представления информации в сообщении.

24. 4. Понятие и общая характеристика непрерывных и дискретных сигналов

Вся совокупность знаков, используемых
для представления дискретной информации,
называется набором знаков. Таким образом,
набор есть дискретное множество знаков.
Набор знаков, в котором установлен
порядок
их
следования,
называется
алфавитом.

25. 4. Понятие и общая характеристика непрерывных и дискретных сигналов

Алфавит
–
это
упорядоченная
совокупность знаков. Порядок следования
знаков
в
алфавите
называется лексикографическим.
Благодаря этому порядку между знаками
устанавливаются отношения больше–меньше:
для двух знаков ψ < ε, если порядковый номер
у ψ в алфавите меньше, чем у ε.

26. 4. Понятие и общая характеристика непрерывных и дискретных сигналов

Примером алфавита может служить совокупность
арабских цифр 0; 1; … 9 – с его помощью можно записать
любое целое число в системах счисления от двоичной до
десятичной.
Если в этот алфавит добавить знаки «+» и «–», то им
можно будет записать любое целое число, как
положительное, так и отрицательное.
Наконец, если добавить знак разделителя разрядов
(«.» или «,»), то такой алфавит позволит записать любое
вещественное число.

27. 4. Понятие и общая характеристика непрерывных и дискретных сигналов

Поскольку при передаче сообщения параметр
сигнала должен меняться, очевидно, что минимальное
количество различных его значений равно двум и,
следовательно, алфавит содержит минимум два
знака – такой алфавит называется двоичным.
Верхней границы числа знаков в алфавите не
существует; примером могут служить иероглифы,
каждый из которых обозначает целое понятие, и
общее их количество исчисляется десятками тысяч.

28. 4. Понятие и общая характеристика непрерывных и дискретных сигналов

Знаки, используемые для обозначения
фонем
человеческого
языка,
называются буквами, а их совокупность –
алфавитом языка.
Сами по себе знак или буква не несут
никакого смыслового содержания. Однако такое
содержание им может быть приписано – в этом
случае знак будет называться символом.

29. 4. Понятие и общая характеристика непрерывных и дискретных сигналов

Например, силу в физике принято
обозначать
буквой
F
–
следовательно,
F
является
символом
физической величины сила в формулах.
Другим примером символов могут служить
пиктограммы, обозначающие в компьютерных
программах объекты или действия.

30. 4. Понятие и общая характеристика непрерывных и дискретных сигналов

Таким образом, понятия «знак», «буква» и «символ»
нельзя считать тождественными, хотя весьма часто
различия между ними не проводят, поэтому в информатике
существуют
понятия
«символьная
переменная»,
«кодировка
символов
алфавита»,
«символьная
информация» – во всех приведенных примерах вместо
термина «символьный» корректнее было бы использовать
«знаковый» или «буквенный».
Понятия знака и алфавита можно отнести только к
дискретным сообщениям.

31.

Расшифровка данных полетной
и обработка видовой информации
Тема 1.2.2 – Аналого-цифровые
и частотные цифровые преобразователи
1. Понятие и принцип работы аналого-цифрового
преобразователя (АЦП).
2. Понятие и принцип работы частотного цифрового
преобразователя (ЧЦП).
3. Общие сведения об измерительных приборах с АЦП и ЧЦП.

32. 1. Понятие и принцип работы аналого-цифрового преобразователя (АЦП)

1. Понятие и принцип работы аналогоцифрового преобразователя (АЦП)
Аналого-цифровой преобразователь (АЦП)–
устройство, преобразующее входной аналоговый
сигнал в цифровой сигнал (двоичный код).
Принцип работы АЦП

33.

34. 1. Понятие и принцип работы аналого-цифрового преобразователя (АЦП)

1. Понятие и принцип работы аналогоцифрового преобразователя (АЦП)
Квантование – это разбиение диапазона
отсчетных значений сигнала на конечное
число уровней и округление этих значений до
одного из двух ближайших к ним уровней.
Посредством
квантования
осуществляется преобразование аналогового
сигнала в цифровой.

35. 1. Понятие и принцип работы аналого-цифрового преобразователя (АЦП)

1. Понятие и принцип работы аналогоцифрового преобразователя (АЦП)
Квантированный сигнал

36. 1. Понятие и принцип работы аналого-цифрового преобразователя (АЦП)

1. Понятие и принцип работы аналогоцифрового преобразователя (АЦП)
Как правило, АЦП – это электронное устройство,
преобразующее напряжение в двоичный цифровой код.
Работа АЦП

37. 1. Понятие и принцип работы аналого-цифрового преобразователя (АЦП)

1. Понятие и принцип работы аналогоцифрового преобразователя (АЦП)
АЦП
является
неотъемлемой частью системы
сбора данных.

38. 1. Понятие и принцип работы аналого-цифрового преобразователя (АЦП)

1. Понятие и принцип работы аналогоцифрового преобразователя (АЦП)
Разрешение АЦП – минимальное
изменение величины аналогового сигнала,
которое может быть преобразовано данным
АЦП — связано с его разрядностью.
В случае единичного измерения без
учета шумов разрешение напрямую
определяется разрядностью АЦП.

39. 1. Понятие и принцип работы аналого-цифрового преобразователя (АЦП)

1. Понятие и принцип работы аналогоцифрового преобразователя (АЦП)
Разрядность
АЦП
характеризует
количество дискретных значений, которые
преобразователь может выдать на выходе.
В двоичных АЦП разрядность измеряется в
битах, в троичных АЦП измеряется в тритах.
Например, двоичный АЦП, способный
выдать 256 дискретных значений (0…255),
имеет разрядность 8 бит.

40. 1. Понятие и принцип работы аналого-цифрового преобразователя (АЦП)

1. Понятие и принцип работы аналогоцифрового преобразователя (АЦП)
Разрешение по напряжению
равно
разности
напряжений,
соответствующих максимальному
и минимальному выходному коду,
деленной на количество выходных
дискретных значений.

41. 1. Понятие и принцип работы аналого-цифрового преобразователя (АЦП)

1. Понятие и принцип работы аналогоцифрового преобразователя (АЦП)
Для задач измерения значения
сигнала в произвольный момент
времени используют асинхронный
режим работы с АЦП с жестко не
привязанными по времени одиночными
аналого-цифровыми преобразованиями.

42. 1. Понятие и принцип работы аналого-цифрового преобразователя (АЦП)

1. Понятие и принцип работы аналогоцифрового преобразователя (АЦП)
Для задач измерения функциональной
зависимости изменения аналогового сигнала
используют синхронный режим работы
АЦП.
Синхронный режим работы АЦП без
пропусков данных на сколь угодно большом
интервале
времени
называют
также потоковым режимом.

43. 2. Понятие и принцип работы частотного цифрового преобразователя (ЧЦП)

Частотный цифровой преобразователь (ЧЦП)
– это устройство, преобразующее входной частотный
сигнал в цифровой сигнал (двоичный код).
Принцип работы ЧЦП

44. 2. Понятие и принцип работы частотного цифрового преобразователя (ЧЦП)

Принцип работы ЧЦП

45. 2. Понятие и принцип работы частотного цифрового преобразователя (ЧЦП)

Принцип работы ЧЦП:
1. выпрямление сетевого напряжения входными диодными
блоками;
2. сглаживание
и
фильтрование
напряжения
через
конденсаторы LC-фильтр;
3. с помощью микросхемы и транзисторов происходит
преобразование напряжения в трехфазную волну с
определенными параметрами;
4. прямоугольные импульсы на выходе передаются на
электронно-вычислительную машину в виде двоичного кода
для последующего преобразования в сигнал, удобный для
восприятия потребителем (изображение, звук).

46. 2. Понятие и принцип работы частотного цифрового преобразователя (ЧЦП)

Принцип работы ЧЦП

47. 3. Общие сведения об измерительных приборах с АЦП и ЧЦП

Общий принцип работы измерительных устройств с АЦП и ЧЦП

48. 2. Понятие и принцип работы частотного цифрового преобразователя (ЧЦП)

Основные этапы работы измерительных
устройств с АЦП и ЧЦП:
1. Напряжение от датчиков информации, при
необходимости, предварительно нормализованное
с помощью согласующих устройств, по линиям
связи подается к коммутатору датчиков в виде
постоянных напряжений (аналоговые сигналы), а с
датчиков частоты вращения – в виде напряжения
переменного тока изменяемой частоты;

49. 2. Понятие и принцип работы частотного цифрового преобразователя (ЧЦП)

1. 1
2. Коммутатор последовательно подключает измеряемые
постоянные напряжения к АЦП / ЧЦП, где они
преобразуются в двоичный код;
3. Разовые (бинарные) сигналы поступают с соответствующих
датчиков на коммутатор разовых сигналов;
4. Прямоугольные импульсы на выходе передаются на
электронно-вычислительную машину в виде двоичного
кода для последующего преобразования в сигнал, удобный
для восприятия потребителем (текст, звук, изображение,
видеоматериал).

50. 3. Общие сведения об измерительных приборах с АЦП и ЧЦП

Общий принцип работы измерительных устройств с АЦП и ЧЦП