Лабораторная работа № 3 дискретизация аналоговых сигналов
ЦЕЛЬ РАБОТЫ
Целью работы является ознакомление с устройствами цифровой обработки сигналов, входящими в состав современных ПЭВМ, а также изучение механизмов взаимодействия пользовательских компьютерных программ с данными устройствами.
ЗАДАНИЕ К РАБОТЕ
1. Изучить математический аппарат описания аналоговых, дискретных и цифровых сигналов.
2. Разработать ПО на языке Matlab, осуществляющее управление звуковым устройством ПЭВМ.
3. Произвести оцифровку аналогового сигнала с помощью звукового устройства ПЭВМ.
4. Выполнить цифро-аналоговое преобразование дискретных последовательностей с помощью звукового устройства ПЭВМ.
5. Сделать выводы по результатам работы.
ПОЯСНЕНИЯ К РАБОТЕ
Одной из наиболее динамично развивающихся областей современных информационных технологий является IP-телефония. Современные программные и аппаратные комплексы, используемые в IP-телефонии (IP-сетях) позволяют эффективно передавать голосовую информацию, а также данные различного характера. В частности технологии IP-телефонии позволяют обеспечить полнодуплексный разговор, не отличающийся от обычной телефонной связи.
Важной особенностью организации IP-телефонии является использование стандартных компьютерных устройств (звуковых, видео и т. д.), которыми оснащаются практически любые современные ПЭВМ.
Для организации телефонной связи по IP-сетям используется специальное оборудование - шлюзы IP-телефонии [1]. Общий принцип действия телефонных шлюзов IP-телефонии таков: шлюз подключается к телефонным линиям и может соединиться с любым телефоном мира. С другой стороны шлюз подключен к IP-сети и может связаться с любым компьютером на земном шаре. Шлюз принимает телефонный сигнал, оцифровывает его (если он исходно не цифровой), значительно сжимает, разбивает на пакеты и отправляет через IP-сеть по назначению с использованием протокола IP. Для пакетов, приходящих из IP-сети на шлюз и направляемых в телефонную линию, операция происходит в обратном порядке [1].
В настоящее время, все большую популярность приобретают IP-АТС, которые кроме функций шлюза IP-телефонии выполняют также традиционные функции обычных офисных АТС [1].
IP-телефония опирается на две основных операции: преобразование двунаправленной аналоговой речи в цифровую форму внутри кодирующего/декодирующего устройства (кодека) и упаковку в пакеты для передачи по IP-сети. В IP-телефонии используется особая система передачи пакетов со звуковой информацией, что обусловлено спецификой передачи данных по IP-сетям.
Вся информация, передаваемая через IP (голос, текст, изображения, и т. п.) разделяется на пакеты данных, имеющие в своем составе адреса точек назначения (приема и передачи) и порядковый номер. Узлы IP направляют эти пакеты по сети до окончания маршрута доставки. После прибытия пакетов к точке назначения, для восстановления исходного объема упорядоченных данных используются порядковые номера пакетов. Для приложений, где не важен порядок и интервал прихода пакетов, таких как e-mail, время задержек между отдельными пакетами не имеет решающего значения. IP-телефония является одной из областей передачи данных, где важна динамика передачи сигнала, которая обеспечивается современными методами кодирования и передачи информации. Для обеспечения стабильной телефонной связи по IP-сетям введены специальные протоколы передачи данных, например, H.323 и SIP [2].
ХОД РАБОТЫ
1. Собрать схему, показанную на рис. 3.1, запустить программную среду Matlab;
Рис. 3.1
2. Выполнить подготовку НЧ-генератора и осциллографа к работе в соответствии с требованиями их технических описаний;
3. Подать с НЧ-генератора гармонически изменяющееся напряжение амплитудой 100 мВ и частотой 1 кГц;
4. В командном окне создать объект [3, 4] для получения отсчетов оцифрованного сигнала из буферов компьютерного звукового устройства. Объект создается следующими командами [3]:
>> ai = analoginput('winsound');
>> addchannel(ai, 1); %Используется только 1 канал объекта
Созданный программный объект ai связан с «железным» объектом winsound, который представляет собой базовое звуковое устройство ПЭВМ [5] (стандарт AC’97).
5. Задать свойства объекта:
>> set(ai, 'SampleRate', 8000); % Установка значения
>> % частоты дискретизации сигнала (8 кГц)
>> set(ai, 'SamplesPerTrigger', 8000); % Количество
>> % оцифрованных значений сигнала за один цикл (8000)
>> set(ai, 'TriggerRepeat', 3); % Количество повторений
>> % циклов (3)
>> set(ai, 'TriggerType', 'immediate'); % Начало
>> % дискретизации немедленно после ввода команды
>> % запуска объекта
6. Произвести запуск объекта с помощью команды:
>> start(ai);
7. Загрузить отсчеты сигнала на микрофонном входе в рабочее пространство Matlab с помощью команды:
>> [d, t]=getdata(ai);
8. Отобразить значения отсчетов сигнала на графике:
>> plot(t, d);
9. Убедиться в том, что оцифрованный сигнал является гармоническим и на один период сигнала приходится 8 отсчетов;
10. В командном окне создать объект для цифроаналогового преобразованиясигналов:
>> ao = analogoutput('winsound');
>> addchannel(ao, 1); %Используется только 1 канал объекта
11. Задать свойства объекта:
>> set(ao, 'SampleRate', 8000); % Установка значения
>> % частоты дискретизации сигнала (8 кГц)
>> set(ao, 'TriggerType', 'immediate'); %Начало
>> % цифроаналогового преобразования немедленно
>> % после ввода команды запуска объекта
>> set(ao, 'RepeatOutput', 0); % Последовательность
>> % отсчетов преобразуется в аналоговую форму
>> % однократно (повторений нет)
12. Сформировать сигнал, который впоследствии будет преобразован в аналоговую форму:
>> t1=0:(1/8000):1;
>> y=sin(2*pi*50*t1);
>> y=y';
13. Записать сигнал в выходной буфер звукового устройства:
>> putdata(ao, y);
14. Произвести запуск объекта с помощью команды:
>> start(ao);
15. Наблюдая с помощью осциллографа убедится в том, что сигнал на выходе звукового устройства имеет период, равный 1 мс;
16. Изменяя частоту сигнала НЧ-генератора в диапазоне от 50 Гц до 4 кГц (не менее 10 значений) повторно выполнить п. 6-8. Полученные графики занести в отчет;
17. Сделать выводы по работе с обоснованием полученных результатов.
КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ
1. Приведите формулировку теоремы Котельникова, изложите ее сущность.
2. Поясните сущность дискретизации, квантования и интерполяции сигналов, приведите и охарактеризуйте источники погрешностей квантования.
3. Приведите примеры современных интерфейсов аудиоустройств и дайте им характеристики.
4. Приведите последовательность команд в программной среде Matlab, необходимую для дискретизации сигнала на микрофонном входе компьютерного звукового устройства. Поясните назначение каждой приведенной команды.
ЛИТЕРАТУРА
1. http://www.agatrt.ru/ip_pbx/ip_telephony1.html
2. Масленников И. Протоколы IP-телефониии // BYTE.Россия. 2003. №10. – С. 2-7 (http://www.bytemag.ru/articles/detail.php?ID=6653 ).
3. Дьяконов В. П. MATLAB 6.5 SP1/7 + Simulink 5/6 Основы применения – М.: СОЛОН-Пресс, 2005. – 800 с.
4. Лазарев Ю. Ф. MatLAB 5.x. – Kиев: Изд. группа BHV, 2000. – 384 с.
5. Гук М. Аппаратные интерфейсы ПК. – СПб.: Питер, 2002. – 528 с.
6. Вешкурцев Ю. М., Бычков Е. Д., Титов Д. А. Основы телекоммуникационных технологий. – Омск: ОмГТУ. 2009. –172 с.