Сигнал как средство отображения информации.

ЗАНЯТИЯ

 

по дисциплине

 

«Средства и системы технического обеспечения обработки, хранения и передачи информации»

 

Й сем.

 

 

СОДЕРЖАНИЕ

Введение.......................................................................................................................................................................... 4

Занятие 1............................................................................................................................................................................ 7

Занятие 2......................................................................................................................................................................... 11

Занятие 3......................................................................................................................................................................... 15

Занятие 4......................................................................................................................................................................... 19

Занятие 5......................................................................................................................................................................... 25

Занятие 6......................................................................................................................................................................... 28

Занятие 7......................................................................................................................................................................... 33

Занятие 8......................................................................................................................................................................... 40

Занятие 9......................................................................................................................................................................... 45

Занятие 10....................................................................................................................................................................... 49

Занятие 11....................................................................................................................................................................... 56

Занятие 12....................................................................................................................................................................... 61

Занятие 13....................................................................................................................................................................... 66

Библиографический список литературы...................................................................................... 74

Введение

 

В настоящее время развитие науки, техники и промышленности немыслимо без широкого использования электронных приборов различного назначения, cредств и систем технического обеспечения обработки, хранения и передачи информации.

Промышленное развитие электронных средств можно подразделить на два направления: энергетическое (силовое), связанное с преобразованием постоянного и переменного тока для нужд электроэнергетики, силового электропривода, электрометаллургии и т.п., и информационное, к которому относятся устройства, обеспечивающие измерение, контроль и управление различными процессами, а также преобразование, получение и передачу информации.

Широкое применение информационной электроники базируется на возможности преобразования физических параметров различных процессов в электрический сигнал. Это позволяет относительно просто в минимальных физических объемах при высоком быстродействии и надежности реализовать требуемый алгоритм обработки информации, используемый в системах измерения, контроля и управления реально протекающих процессов. На рис. В.1. приведена возможная схема системы автоматического управления технологическим процессом, включающая различные электронные устройства.

Рис.1. Схема системы автоматического управления технологическим процессом.

 

Классификацию электронных устройств можно производить по различным признакам.

По виду преобразуемых сигналов электронные устройства можно разделить на аналоговые и дискретные.

Аналоговые электронные устройства предназначены для преобразования и обработки информации, изменяющейся по закону непрерывной функции. При этом каждому значению реальной физической величины на входе датчика соответствует определенное значение параметра постоянного или переменного тока. Очевидно, что как сама физическая величина, так и ее электрический аналог могут принимать бесконечное число значений, определены в любой момент времени и изменяются в одном и том же масштабе времени. Важно подчеркнуть, что электрический аналог несет в себе полную информацию о реальном процессе.

Достоинствами аналоговых электронных устройств являются, теоретически, максимально достижимые точность и быстродействие.

Недостатками являются низкая помехоустойчивость, нестабильность параметров, трудность долговременного хранения информации, низкая энергетическая эффективность.

Дискретные электронные устройства предназначены для работы с сигналами, полученными путем квантования по времени и/или по уровню исходного аналогового сигнала. Поэтому действующие в них сигналы пропорциональны конечному числу выбранных по определенному закону значений реальной физической величины. Для получения полной информации о реальном физическом процессе необходимо бесконечное число уровней квантования, т.е. временные масштабы протекания физического процесса и его отображения при помощи дискретного сигнала не совпадают. Поскольку реально использование лишь конечного числа уровней квантования, процесс дискретизации сопряжен с частичной потерей информации.

К достоинствам дискретных устройств можно отнести следующие факторы.

1. Высокий КПД и улучшенные массогабаритные показатели. Это связано с тем, что в дискретных устройствах усилительные элементы используются в ключевом режиме, поэтому рассеиваемая в них мощность минимальна. Кроме того, импульсная и средняя мощность связаны соотношением: , где - скважность импульсов.

2. Высокая помехоустойчивость, связанная с тем, что квантованный сигнал может принимать лишь определенные значения и если уровень помехи меньше уровня квантования, она никак не влияет на сигнал.

3. Высокая технологичность, связанная с применением однотипных элементов, что облегчает широкое применение интегральной технологии.

В свою очередь по типу квантования дискретные электронные устройства подразделяются на импульсные, релейные и цифровые.

Импульсные электронные устройства реализуют квантование по времени. Процесс преобразования исходной аналоговой информации в последовательность импульсов называется импульсной модуляцией. На практике наибольшее распространение получили амплитудно-импульсная модуляция (АИМ), широтно-импульсная модуляция (ШИМ), частотно-импульсная модуляция (ЧИМ) и фазо-импульсная модуляция (ФИМ).

При АИМ изменяемым параметром является амплитуда импульсов; при ШИМ изменяемым параметром импульсов является их ширина; при ЧИМ изменяется частота следования импульсов; при ФИМ изменяемым параметром является расстояние между импульсами, т.е. их фаза относительно исходной последовательности. На практике часто используется комбинация описанных видов модуляции.

Реализуя в полной мере все достоинства дискретных устройств импульсные устройства уступают аналоговым в точности и быстродействии. Кроме того, их практическая реализация отличается большей сложностью ввиду наличия импульсных модулирующих устройств.

Релейные электронные устройства реализуют квантование исходного сигнала по уровню и преобразуют его в ступенчатую функцию, высота каждой из ступенек которой пропорциональна некоторой наперед заданной величине h. Изменение уровня происходит в произвольные моменты времени, определяемые только заданными уровнями nh и величиной исходного аналогового сигнала. В данном случае сохраняется непрерывность отображения сигнала во времени.

Основная область применения релейных устройств связана с силовой электроникой. По сравнению с импульсными электронными устройствами они, как правило, проще и обладают большим быстродействием.

Цифровые электронные устройства реализуют квантование исходного сигнала как по уровню, так и по времени. Конечному числу дискретных значений можно поставить в соответствие некоторое число. Процесс замены дискретных уровней сигнала последовательностью чисел называется кодированием, а совокупность полученных чисел – кодом сигнала. Передача кодов, каждый из которых, как правило, представлен некоторой последовательностью однотипных импульсов, требует некоторого времени. Это время больше времени, необходимого для передачи той же информации в импульсной и, тем более, непрерывной системах. Поэтому при прочих равных условиях количество информации, передаваемой цифровым способом, минимально.

Достоинствами цифровых электронных систем являются высокая помехоустойчивость; высокая надежность; возможность длительного хранения информации без ее потери; экономическая эффективность; энергетическая эффективность; а также высокая технологичность, связанная с возможностью широкого применения интегральной технологии.

К недостаткам можно отнести малое быстродействие и малую точность. Однако в последнее время в связи с бурным развитием интегральной технологии эти недостатки во многом преодолеваются.

Занятие 1

Сигнал как средство отображения информации.

 

Электрический сигнал является материальным носителем со­общения и представляет собой физический процесс, несущий в себе информацию. Количество информации, которое может переносить данный сигнал, зависит от числа модулируемых его параметров, к которым относятся амплитуда, частота, фаза, длительность. Ко­личество информации, переносимое сигналом, уменьшается при повышении уровня помех и искажений в канале (линии) связи.

Различают детерминированные и случайные сигналы. К детерминированным относят сигналы, параметры и мгновенные значе­ния которых в любой момент времени известны или могут быть предсказаны с вероятностью, равной единице на приемной сторо­не. К таким сигналам относятся, например, гармонический сигнал, частота, амплитуда и фаза которого известны.

Детерминированные сигналы делят на периодические и непе­риодические.

Под периодическим понимают cигнaл, для которого выполняется условие , где — период повторения, — целое число. Так, для гармонического колебания, которое является простейшим периодическим детерминированным cигнaлoм,

при

где — соответственно амплитуда, угловая частота и начальная фаза гармонического колебания.

Непериодический детерминированный сигнал — это любой детерминированный сигнал, для которого не выполняется условие . Такие сигналы, как правило, ограничены во вре­мени, например, широко используемые в практике импульсы, пач­ки импyльcoв, отрезки гармонических колебаний.

Периодический и непериодический сигналы характеризуются своими спектральными функциями.

К случайным относят cигнaлы, описываемые случайными функ­циями времени. Значения и параметры случайных сигналов зара­нее неизвестны и могут быть предсказаны с некоторой вероятно­стью меньше единицы.

По особенностям структуры временного представления все сигналы делятся на непрерывные и дискретные. К непрерывным сигналам относят сигналы не имеющие четких границ, отдельные элементы кoтopыx, сливаясь друг с другом, образуют единый элек­трический процесс. К таким сигналам oтнocятcя, например, речевые сигналы. К дискретным относят cигнaлы, элементы кoтopыx, в отличие от нeпpepывныx, имеют четкие границы и могут быть легко определены. Математически такие сигналы описываются разрывными функциями времени. Это, например, телеграфные сигналы и сигналы передачи данных.

Одним из основных параметров сигнала является его длитель­ность, определяющая интервал существования. Внутри интервала существования сигнал характеризуется динамическим диапазоном и скоростью изменения сигнала. Динамический диапазон опреде­ляется отношением наибольшей мгновенной мощности сигнала к наименьшей. Логарифм этого отношения называется защищенностью, или превышением сигнала над помехой и будет рассмо­трен во второй главе. Для многих сигналов можно указать диа­пазон частот, в пределах которого сосредоточена его основная энергия. Диапазоном частот определяется ширина спектра сигнала.

Аналитический сигнал можно представить функцией , оп­ределяющей его мгновенные знaчeния, или функцией частоты , определяющей его спектральные составляющие. Эти функ­ции связаны преобразованиями Фурье:

(2.1)

(2.2)

Функция (2.1), определяемая прямым преобразованием Фурье, является комплексной величиной и называется комплексной спект­ральной плотностью, или спектром сигнала. Из выражений (2.1) и (2.2) можно определить длительность и ширину спектра сигна­ла. Если функции, описывающие сигналы, не имеют четких спектральных и временных границ, то в таких случаях ширину спектра и длительность сигнала условно определяют соответственно как полосу частот и интервал времени, в которых сосредоточена задан­ная доля сигнала.

Так как аппаратура и линия связи имеют ограниченную полосу пропускаемых частот, на практике часто ограничивают спектр сигнала, учитывая его допустимые искажения. Как правило, при­нято отбрасывать высшие спектральные составляющие, энергия которых не превышает 5—10 % энергии сигнала.

Для проектирования систем передачи информации очень важными характеристиками сигнала являются его мощность и энергия. Среднюю мощность сигнала, выделяемую на нагрузке сопро­тивлением 1 Ом за интервал времени , определяют выражением

(2.3)

Величина является мгновенной мощностью сигнала. Энергия сигнала, выделяемая в том же сопротивлении и за тот же период времени,

(2.4)

Если сигнал представлен спектральной функцией (2.1) или (2.2), энергия сигнала определяется как функция частоты

(2.5)

где

Величина комплексно сопряжена с , следовательно, из выражения (2.5) получаем

(2.6)

так как произведение двух сопряженных комплексных функций равно квадрату модуля.

В технике связи используются непрерывные (телефонные, зву­кового вещания, факсимильные, телевизионные, видеофонные) и дискретные (телеграфные, передачи данных, телемеханики) сиг­налы.

Телефонные (речевые) сигналы образуются в результате пре­образования звуковых речевых сигналов в электрические. Челове­ческая речь представляет собой широкополосный процесс с частот­ным спектром от 50—80 до 8000—10000 Гц. Такой широкий спектр речевых сигналов объясняется тем, что нижняя граница частоты импульсов основного тона речи лежит в пределах от 50—80 Гц (бас) до 200—250 Гц (колоратурное сопрано), а большое число гармоник импульсов основного тона (до 40) требует для более полного восприятия оттенков человеческого голоса передачи спект­ра частот до 8000—10 000 Гц. Динамический диапазон речевого сигнала составляет 35—40 дБ.

Для качественной передачи телефонных сигналов требуется обеспечить достаточный для восприятия уровень громкости, раз­борчивость, тембр голоса. Установлено, что вполне удовлетвори­тельное качество воспроизведения речи можно обеспечить и при передаче ограниченного спектра речевых сигналов (300—3400 Гц). Телефонный канал с такой шириной пропускания принят Между­народным консультативным комитетом по телеграфии и телефо­нии (МККТТ) в качестве стандартного канала тональной частоты. При передаче речевых сигналов, ограниченных данной полосой частот, слоговая разборчивость составляет около 90%, разборчи­вость фраз — 99% и сохраняются основные составляющие тембра голоса. Первичными звуковыми источниками вещательной переда­чи являются музыкальные инструменты и голос человека. Элект­рические сигналы звукового вещания имеют динамический диапа­зон в пределах от 25 дБ (речь диктора) до 65 дБ (симфониче­ский оркестр).

Частотный спектр сигналов звукового вещания (ЗВ) достаточ­но широкий и лежит в пределах от 15 до 20 000 Гц. В зависимости от требований к качеству воспроизведения полосу частот, отводи­мую для передачи сигналов вещания, ограничивают. Каналы ЗВ имеют полосу пропускания от нескольких десятков герц до 6— 15 кГц. Например, для каналов ЗВ высшего класса, используемых для звукового сопровождения телевизионных передач, отводится полоса 0,03—15 кГц, а для каналов первого класса — 0,05—10 кГц. Факсимильные сигналы получают в результате преобразования светового потока, отражаемого элементарными площадками непо­движного изображения, в электрические сигналы. Частотный спектр первичного факсимильного сигнала зависит от характера передаваемого изображения, скорости развертки и размеров светового анализирующего луча. Энергетический спектр факсимильного сигнала содержит частоты от 0 до с динамическим диапазоном около 25 дБ.

Наивысшая частота изображения может достигать не­скольких сот килогерц. Так, при использовании аппаратуры «Газета-2», предназначенной для передачи газетных полос, со­ставляет 180 кГц, а время передачи полосы — 2,3—3,5 мин. Для низкоскоростных систем факсимильной связи во много раз меньше и время передачи одного изображения (оригинала) составляет 10—15 мин.

Телевизионные сигналы формируются так же, как и факси­мильные, методом развертки и представляют собой преобразован­ный в электрические сигналы световой поток, отражаемый элемен­тарными площадками движущегося изображения. Спектр телеви­зионных (ТВ) сигналов зависит от числа строк в одном кадре и числа кадров (мгновенных фотографий изображения), переда­ваемых за 1с. Наивысшая частота эффективной части спектра телевизионного видеосигнала составляет 6,0 МГц, динамический диапазон — до 40 дБ.

Полоса частот, отводимая для передачи телевизионных сигна­лов, зависит от качества воспроизведения передаваемого изобра­жения. Для передачи телевизионных сигналов, как правило, отво­дится полоса 0—6,0 МГц. Однако основная мощность сигнала ТВ сосредоточена в области спектра до 200—300 кГц, поэтому для видеофонной связи ограничивают полосу до 300—600 кГц.

Телеграфные сигналы, сигналы передачи данных и телемехани­ки (телеуправления) представляют собой дискретные сигналы и различаются между собой лишь длительностью. Они обычно имеют вид последовательностей однополярных или двухполярных прямо­угольных импульсов, длительность которых определяется скоро­стью передачи. Скорость передачи телеграфных сигналов и сигна­лов телемеханики составляет 50—200 бод, сигналов передачи данных — от нескольких десятков бит за секунду до нескольких мегабит за секунду. В связи с этим различна и полоса частот, отводимая для организации телеграфных каналов, каналов телемехани­ки и передачи данных. Для телеграфных каналов и каналов теле­механики используются каналы с полосой до 500 Гц, а для кана­лов передачи данных — до нескольких десятков мегагерц.

Занятие 2