Учебно-методический комплекс по дисциплине «Основы Теории и практики радиосвязи» Специальность 080502 Экономика и управление на предприятии
| Вид материала | Учебно-методический комплекс |
- Учебно-методический комплекс по дисциплине «организация производства на предприятиях, 1298.86kb.
- Учебно-методический комплекс Для специальности 080502 Экономика и управление на предприятии, 1031.78kb.
- Учебно-методический комплекс Специальность: 080502 Экономика и управление на предприятии, 851.37kb.
- Учебно-методический комплекс Специальность: 080502 Экономика и управление на предприятии, 425.13kb.
- Учебно-методический комплекс Специальность: 080502 Экономика и управление на предприятии, 507.84kb.
- Учебно-методический комплекс Специальность: 080502 Экономика и управление на предприятии, 970.84kb.
- Учебно-методический комплекс Специальность: 080502 Экономика и управление на предприятии, 437.92kb.
- Планирование на предприятии учебно-методический комплекс, 871.22kb.
- Учебно-методический комплекс Специальность: 080502 Экономика и управление на предприятии, 324.86kb.
- Карпенко Елена Зугумовна к э. н., доцент должность профессор учебно-методический комплекс, 548.9kb.
В природе большинство явлений характеризуются непрерывными параметрами. Примером может служить линейное и круговое перемещение объектов, скорость их перемещения, температура, давление и т. д.
Развитие науки и техники привело к появлению новых объектов, таких как электрический ток, напряжение, электромагнитное излучение и т.д. Необходимость передачи сведений на большие расстояния способствовала появлению различных способов представления информации. В современных системах передачи данных информация представляется в виде электрического тока, напряжения, электромагнитного или оптического излучения.
В непрерывном сигнале для любого момента времени имеется информация, он непрерывен во времени. Кроме того, такой сигнал непрерывен по уровню, т.е. его амплитуда может принимать бесконечно большое количество значений.
Дискретный сигнал принимает определенное конечное число значений.
Замена точного значения непрерывного сигнала дискретным значением называется квантованием по уровню или дискретизацией.
С появлением цифровых систем обработки и передачи информации возникла необходимость преобразования сигналов из непрерывной формы представления в дискретную форму.
Аналого-цифровым преобразованием называется процесс преобразования аналоговой информации в последовательность значений цифрового кода.
Цифро-аналоговым преобразованием называется процесс преобразования значений исходного кода в пропорциональные амплитуды аналоговой величины.
Классификация методов АЦП.
Аналого-цифровое преобразование (АЦП) – это процесс измерения. Измерение представляет собой комплекс операций, посредством которых устанавливается численное соотношение между измеряемой величиной и выбранными единицами измерения – эталонами. Результат обычно представляется в виде двоичного или двоично-десятичного кода. Наиболее распространены три метода АЦП.
Метод последовательного счета.
Этот метод основан на уравновешивании значений входной аналоговой величины суммой одинаковых и минимальных эталонов, называемых квантами. Момент равенства суммы квантов и значения входной величины устанавливается одним сравнивающим устройством – компаратором. Результат представляется в последовательном единичном коде, который преобразуется в двоичный код счетчиком.
При количестве разрядов выходного кода, равном n, для уравновешивания максимального значения входной величины необходимо
подсчитать 2n квантов. По этой причине метод имеет низкое быстродействие.
Метод последовательных приближений.
Этот метод иногда называют методом поразрядного кодирования. В методе последовательных приближений используется n эталонов, где n – количество разрядов выходного двоичного кода.
Эталоны отличаются друг от друга. Младший эталон равен кванту, каждый последующий эталон в два раза больше предыдущего, если выходной код АЦП – двоичный.
Уравновешивание начинается со старшего эталона. Если эталон больше
входной величины, то в старшем разряде выходного кода устанавливается ноль. Если эталон меньше входной величины, то в старшем разряде остается единица. Далее выставляется второй эталон (в два раза меньший предыдущего). Если сумма эталонов больше входной величины, то во втором разряде устанавливается ноль, иначе остается единица.
Таким образом, проверяются все эталоны за n тактов. Операции сравнения производятся одним компаратором. Этот метод имеет более высокое быстродействие по сравнению с предыдущим.
Метод считывания (параллельный).
В этом методе применяется 2n-1 эталонов. При этом старший эталон равен 2n-1 квантов, а младший равен одному кванту. Входная величина сравнивается со всеми эталонами одновременно, для чего необходимо 2n-1
компараторов.
Результат фиксируется по числу компараторов, отметивших превышение входной величины каким-либо эталоном. Полученный параллельный единичный код преобразуется в параллельный двоичный код специальным преобразователем кодов.
Метод считывания является самым быстрым методом, потому что АЦП выполняется за один такт.
Основные параметры АЦП.
Наиболее распространенными входными величинами АЦП являются: временной интервал, частота колебаний, сдвиг фаз, угловое или линейное перемещение, напряжение или ток. Очень часто одна аналоговая величина предварительно перед АЦП преобразуется в другую, например, напряжение преобразуется во временной интервал.
К числу важнейших параметров АЦП относятся.
1. Диапазон изменения входных и выходных величин.
2. Временные параметры:
- период квантования;
- длительность цикла преобразования;
- время преобразования.
3. Погрешность преобразования:
- погрешность квантования по уровню;
- инструментальная погрешность отдельного преобразования;
- динамическая погрешность, связанная с квантованием по времени.
Рассмотрим эти параметры подробнее.
Диапазон изменения входных и выходных величин.
Диапазон D=Amax/Amin, где А – аналоговая величина. Если Amin= 0, то
D=Amax/δ, где δ – допустимая погрешность преобразования в аналоговой форме.
Временные параметры.
Различают три временных параметра (Рис.20)
Рис.20
- Период квантования Тк – это интервал между двумя преобразованиями, Fk = 1/Tk – частота преобразования. В современных справочниках вместо Fk приводится характеристика
SPS. 1 SPS – это одно преобразование в секунду. Более высокими скоростями являются 1K SPS= 103 SPS, 1M SPS= 106 SPS.
- Длительность цикла преобразования Тц – временной интервал между моментом подачи входной величины на вход АЦП и моментом выдачи значения кода на выходе.
- Время преобразования Тпр – временной интервал, в течение которого входная величина взаимодействует с АЦП.
Погрешность преобразования АЦП.
Погрешность преобразования состоит из двух различных по природе погрешностей.
- Погрешность квантования входной величины по времени – динамическая погрешность.
- Погрешность квантования входной величины по уровню – статическая погрешность.
Статическая погрешность в свою очередь состоит из двух частей: погрешность цифрового представления из-за ограниченной разрядности кода и инструментальная погрешность АЦП.
Рассмотрим динамическую погрешность АЦП. В общем случае входной сигнал АЦП нужно считать случайным и учитывать внутренние шумы АЦП. При оценке времени квантования Тк можно считать, что входная величина А не изменяется более чем на квант за время Тк. Тогда максимальная скорость изменения входной величины можно определить.
Из этого выражения можно определить максимальную частоту квантования АЦП.
Статическая погрешность при равномерном квантовании по уровню равна
Эта формула показывает, что статическая ошибка за счет квантования определяется младшим разрядом (МР) выходного кода или квантом входной величины. Инструментальные ошибки АЦП должны быть меньше ошибки квантования.
Тема 11. Структура АЦП и ЦАП.
Преобразование временного интервала в код.
Для построения АЦП временного интервала в код чаще всего используется метод последовательного счета. Преобразуемый временной интервал заполняется импульсами от тактового генератора, имеющего стабильную частоту. Величина временного интервала определяется подсчетом числа импульсов, укладывающихся в преобразуемом интервале.
Рис.21
На Рис.21 показана логическая схема такого преобразователя. Импульс Старт устанавливает триггер в состояние 1. Импульсы с опорного генератора начинают поступать на счетный вход двоичного счетчика. Импульс Стоп устанавливает триггер в 0, и импульсы перестают поступать на вход счетчика. Значение двоичного кода на выходе счетчика пропорциональны длительности временного интервала между импульсами Старт и Стоп.
Ошибка преобразования определяется разрядностью счетчика и стабильностью частоты опорного генератора.
На принципе рассмотренного АЦП построены все современные цифровые часы и таймеры.
Наиболее распространенными АЦП являются преобразователи напряжения или тока в двоичный код. В большинство структурных схем АЦП отдельным узлом входит цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП).
Цифро-аналоговые преобразователи.
В современных системах обычно применяются ЦАП из параллельного позиционного двоичного кода в напряжение или ток.
Если на вход параллельного ЦАП подать значение кода Ni, то выходное напряжение определяется по формуле
Здесь Umax – максимальное напряжение на выходе ЦАП, Nmax – максимальное значение кода на входе, Ni - текущее значение входного кода, Uiцап – выходное напряжение ЦАП.
Для позиционного двоичного кода справедливо выражение
Uiцап= an 2n-1 + an-1 2n-2 +…+ a2 2 + a1
Тогда, учитывая, что Nmax = 2n – 1 или Nmax ≈ 2n, то уравнение примет вид.
Uiцап= Umax (an 2-1 + an-1 2-1 +…+ a2 2-(n-1) + a1 2-n)
Исходя из полученного уравнения можно построить схему ЦАП со взвешенными сопротивлениями, показанную на Рис. 22.
Рис.22
На Рис.22 представлен пример четырехразрядного ЦАП с взвешенными сопротивлениями. Значение входного кода принимается в регистр RG. Ключи К0, К1, К2, К3 подключаются к опорному напряжению Uоп, если в соответствующем разряде регистра стоит 1 и к земле, если в разряде стоит 0.
Старший разряд регистра Q3, поэтому в его цепи стоит сопротивление, равное R. В цепи каждого последующего разряда стоят сопротивления два раза большие, чем в предыдущем разряде. В выходной цепи ЦАП ставится усилитель постоянного тока (УПТ), который усиливает выходное напряжение до необходимой величины.
Погрешности ЦАП в основном зависят от стабильности опорного напряжения Uоп.
ЦАП находят многочисленные применения в качестве выходных устройств цифровых аудио и видеосистем, в системах управления, а также как составная часть некоторых АЦП.
Преобразование напряжения в код.
АЦП напряжения в код используют все три метода преобразования, Это самые распространенные из АЦП, выпускаются промышленно в интегральном исполнении. В большинстве аналого-цифровых систем аналоговые сигналы различной природы предварительно преобразуются в напряжение, а потом ставится стандартный промышленный АЦП напряжение в код. Выходной код большинства АЦП – позиционный двоичный код. В том случае, когда выходной код АЦП используется для отображения чисел на индикатор, применяются двоично-десятичные коды.
Рассмотрим структуры некоторых видов АЦП.
АЦП со ступенчатым нарастающим напряжением.
Этот АЦП реализуется по методу последовательного счета. Логическая схема приведена на Рис.23
Рис. 23
Рассмотрим работу данного АЦП. По сигналу Старт триггер переходит в состояние 1, и импульсы опорного генератора поступают на счетный вход счетчика. Значения выходного кода принимаются в ЦАП, выходное напряжение которого сравнивается с входным напряжением АЦП компаратором (Рис. 24).
Рис. 24
Напряжение Uцап после каждого такта увеличивается на один квант, эквивалентный единице младшего разряда счетчика. В момент времени, когда Uцап ≥ Uвх компаратор выдаст сигнал 1, который установит триггер в состояние 0. На этом цикл преобразования заканчивается, значение кода на выходе счетчика пропорционально значению входного напряжения.
Данный АЦП – это единственный АЦП последовательного счета, в котором не используется преобразование входного напряжения в промежуточную величину. Поэтому в нем нет погрешностей, возникающих из-за задержек логических элементов.
К недостаткам АЦП этого вида относится низкое быстродействие в пределах 5 – 10 SPS.
АЦП с время-импульсной модуляцией.
Данный АЦП также работает по методу последовательного счета, но использует промежуточное преобразование входного напряжения во временной интервал. Для этого вместо ЦАП в схеме используется генератор пилообразного напряжения, значение которого сравнивается с значениями входного напряжения. Момент равенства фиксируется единственным компаратором.
Логическая схема АЦП представлена на Рис. 25
Импульс запуска преобразования поступает на триггер и на вход генератора пилообразных импульсов (ГПИ). Одновременно на вход счетчика поступают импульсы опорного генератора, и начинает нарастать напряжение на выходе ГПИ.
Рис. 25
В момент равенства значения входного напряжения и значения выходного напряжения ГПИ компаратор останавливает процесс преобразования и сбрасывает ГПИ в начальное состояние. Значение двоичного кода на выходе счетчика пропорционально значению входного напряжения.
Рис. 26
Этот вид АЦП также имеет низкое быстродействие, но дешевле при реализации. В последнее время в связи с повышением быстродействия аналоговых усилителей постоянного тока АЦП с время-импульсной модуляцией стали применять в цифровых вольтметрах среднего значения
напряжения.
Структура АЦП последовательных приближений.
Преобразование напряжения в значения выходного кода можно пояснить примером. Предположим, что разрядность выходного кода 4 бита, а Umax=16в. Тогда старший эталон, эквивалентный старшему разряду, равен 8в, второй эталон 4в, третий эталон 2в, и последний эталон равен 1в. Для организации АЦП последовательных приближений разработаны специальные регистры, называемые регистрами последовательных приближений (РПП), например, 555IR17.
Структура АЦП последовательных приближений с использованием РПП представлена на Рис.27.
Рис. 27
После прихода сигнала Пуск РПП подает на вход ЦАП единицу старшего разряда. Компаратор сравнивает старший эталон с Uвх и свое решение в виде 1 или 0 передает на вход D1 РПП. Если решение равно 0, то старший разряд сбрасывается и на ЦАП подается значение второго разряда. Если на выходе компаратора 1, то она остается в регистре.
Решения компаратора накапливаются на выходах РПП и по окончании преобразования являются значением выходного кода.
Для измерительных приборов строят АЦП с разрешающей способностью 22 двоичных разряда, для связных и акустических систем применяют АЦП с разрядностью 8 – 16 бит.
Параллельные АЦП.
АЦП, выполненные по методу считывания или параллельные АЦП, совершают полное преобразование за один такт. Для этого в АЦП применяется 2n- 1 ‘эталон. В качестве примера представлена структурная схема трехразрядного параллельного АЦП напряжения в двоичный код (Рис.28.).
В этом АЦП входное напряжение Uвх сравнивается с семью эталонами, полученными делением стабильного опорного напряжения Uоп делителем напряжения. Для сравнения применяется 7 компараторов. Полученный параллельный единичный код преобразуется преобразователем в двоичный код.
Рис.28
Время преобразования определяется временем задержки компараторов и преобразователя кода. К сожалению, преобразователи кода, выполненные на логических элементах, имеют большие времена задержки. В последнее время преобразование кода в параллельных АЦП делают на матричных диодных ПЗУ. Структура такого АЦП приведена на Рис.29.
Рис.29
В этой схеме применены компараторы с прямыми и инверсными выходами. Часть схемы на логических элементах И называется схемой выделения старшей единицы. Она выполняет функции дешифратора адреса в последующем в схеме ПЗУ на диодах. Выходной двоичный код считывается в выходной регистр.
Параллельные АЦП выпускаются разрядностью не более 8 и имеют быстродействие до 500 MSPS. Они находят применение при передаче видеоинформации и в системах регистрации очень быстрых процессов.
Параллельные АЦП большой разрядности имеют большую стоимость. Если необходимы АЦП с быстродействием 30 – 50 MSPS, то обычно применяют последовательно-параллельные АЦП, построенные на основе совокупности параллельных АЦП с малым количеством разрядов.
Раздел 4. Организация систем передачи изображений.
Тема 12. Принципы передачи изображений
Системы передачи изображений делятся на системы передачи неподвижных изображений и системы для передачи движущихся изображений. Неподвижные изображения (фотографии, документы, чертежи, карты и т.д.) передаются с помощью факсов и других устройств. Движущиеся изображения передаются при помощи систем телевидения (ТВ).
Методы систем ТВ основаны на использовании особенностей человеческого зрения. Важнейшей характеристикой зрения является разрешающая способность, т.е. способность различать мелкие детали изображения. У человека угол разрешения равен примерно одной угловой минуте. Ограниченная разрешающая способность позволяет воспроизводить конечное число элементов в ТВ изображениях.
Глаз человека обладает инерционностью, т.е. способностью сохранять зрительное ощущение в течение некоторого времени. Частота, при которой глаз перестает воспринимать мелькания яркости изображения, называется критической частотой мельканий. Для современных систем ТВ она равна 50гц.
Общий диапазон яркостей объекта характеризуется контрастностью, раной отношению максимальной яркости к минимальной. Глаз человека способен воспринимать ограниченный диапазон яркостей, причем воспринимает изменение яркости дискретно с определенным шагом во времени.
При одинаковой мощности света глаз наиболее чувствителен к желто-зеленому цвету. В сторону фиолетового и красного цветов чувствительность глаза понижается и доходит до нуля на границах видимой части спектра. Эти свойства цветоощущения глаза учитываются в системах ТВ.
Таким образом, любой свет характеризуется яркостью и цветностью. Яркость является количественной характеристикой, определяющей силу воздействия на зрительный аппарат, а цветность отражает различные зрительные цветовые впечатления. Количественными характеристиками цветности является цветовой тон и чистота цвета.
Принципы телевизионной развертки.
ТВ система представляет собой совокупность оптических и радиотехнических устройств, предназначенных для передачи и приема движущихся изображений. При передаче изображение условно разбивается примерно на 500000 элементарных площадок, называемых элементами изображения (пикселями). В ТВ используется последовательная передача сигналов яркости изображения, называемая разверткой. Движение развертывающего элемента по горизонтали производит строчная развертка, а движение по вертикали – кадровая развертка. Совокупность строк в одном кадре называется растром.
Количество строк в растре определяется разрешающей способностью глаза и обычно равно 625 строк. В системах ТВ высокой четкости число строк примерно вдвое больше. Частота смены кадров при прогрессивной развертке равна 50гц.
Полный ТВ сигнал состоит из сигналов яркости (видеосигналов), сигналов строчной и кадровой синхронизации и гасящих импульсов. Характерной особенностью ТВ сигнала является широкая полоса частот, занимаемая видеосигналом. Нижняя частота соответствует передаче неподвижного изображения, а верхняя частота образуется при передаче максимально сложного изображения. Расчеты показывают, что верхняя частота примерно равна 6,25Мгц. Верхняя частота определяет степень воспроизведения мелких деталей ТВ изображения.
Передача телевизионных сигналов.
При передаче ТВ сигналов используется амплитудная модуляция, при использовании которой сигнал занимает более узкую полосу частот. Максимальная модулирующая частота ТВ сигнала Fm= 6 Мгц. При АМ образуется две боковых частоты, и спектр модулированной частоты займет примерно 12 Мгц. Стандартный радиоканал для ТВ занимает 8 Мгц, поэтому нижняя боковая частота частично подавляется.
В каждом стандартном радиоканале кроме ТВ сигнала передается соответствующий ему сигнал звукового сопровождения. Звуковой сигнал передается с помощью частотной модуляции (ЧМ), что обеспечивает высокую помехоустойчивость тракта звукового сопровождения.
Обобщенная блок-схема телевизионного передатчика имеет вид (Рис.30).
Видеокамера преобразует видимое изображение в видеосигналы, синхронизируемые синхрогенератором, которые передаются в ТВ канал. В ТВ канале происходит усиление видеосигнала, коррекция его искажений и формирование полного ТВ сигнала. Полный сигнал поступает на модулятор передатчика, где модулирует несущую частоту, а затем поступает в передающую антенну.
Рис.30.
Принятые приемной антенной радиосигналы поступают в ТВ приемник. ТВ приемники строятся по супергетеродинной схеме. Принятые сигналы изображения и звука усиливаются совместно с последующим их разделением и усилением. Один из вариантов ТВ приемника представлен на блок-схеме (Рис.31).
Рис.31
Видеосигнал с антенны поступает в блок выбора канала, в котором кроме этого производится усиление сигнала и преобразование в промежуточные частоты изображения и звука. В следующем блоке сигналы усиливаются по промежуточной частоте, а затем детектируются амплитудным детектором. После видеоусилителя сигналы звука и изображения разделяются. Сигнал звука поступает в блок звука, где усиливается по мощности и воспроизводится громкоговорителем. Видеосигнал через блок цветности поступает на кинескоп, где воспроизводится изображение.
Из видеосигнала выделяются сигналы синхронизации, и в блоке синхронизации разделяются на сигналы строчной и кадровой синхронизации.
Принципы организации систем цветного телевидения.
Цветное телевидение основывается на теории трехкомпонентного цветового зрения. В качестве основных цветов используются следующие монохроматические цвета: красный (R), зеленый (G), синий (B).
Для передачи по каналу телевидения многоцветное изображение объекта в передатчике должно быть разделено на три одноцветных изображения. Сигналы ЕR, EG, EB одноцветных изображений передают по каналу связи по аналогии с черно-белым ТВ. В приемнике необходимо воспроизвести три одноцветных изображения и осуществить их совмещение.
Для обеспечения совместимости в цветном ТВ необходимо иметь сигнал, который создавал бы нормальное черно-белое изображение с правильным воспроизведением градаций яркости цветного объекта.
Яркостный сигнал EY образуется согласно соотношению.
EY = 0,3 ЕR + 0,59 EG + 0,11 EB
Сигнал EY формируется с помощью кодирующей матрицы в передатчике. В сигналы цветности входит избыточная информация о яркости изображения, поэтому передаются цветоразностные сигналы
ER-Y = ЕR - EY
EB-Y = EB - EY
В совместимых системах цветного ТВ яркостный и цветоразностный сигналы передаются в стандартной полосе частот черно-белого ТВ.
В мире существует три системы аналогового телевидения : PAL, SECAM, NTSC. Они отличаются друг от друга способами передачи сигналов цветности. В современных ТВ приемниках созданы системы автоматической настройки на систему передачи.
Принципы организации цифрового телевидения.
В цифровом телевидении сигналы яркости и цветности, а также синхросигналы превращаются в поток бит с определенной скоростью. Система передачи должна работать в полосе частот 6Мгц, соответствующей полосе частот аналогового ТВ. Такие требования нельзя удовлетворить без предварительного сжатия видеоданных.