Цифровые сигналы
Двоичные числа представляются обычно двумя уровнями напряжения. Например в транзисторно-транзисторной логике (ТТЛ) логическому нулю соответствует напряжение меньше 0,4 В, а логической единице соответствует напряжение от 2,4 В до 5 В. Сигналы двоичных чисел представленные в такой форме называют цифровыми.
Рис. 2
Цифровой сигнал может быть потенциальным или импульсным.
В потенциальном цифровом сигнале каждый уровень напряжения остаётся неизменным в течение тактового интервала. На рис. 2,а изображен потенциальный цифровой сигнал, представляющий написанное сверху число; высоким потенциалом отображается 1, а низким – 0. В импульсном цифровом сигнале импульс напряжения представляет 1, а его отсутствие – 0. Такой сигнал изображён на рис. 2,б. Цифровые сигналы могут представляться в последовательной и параллельной формах. В последовательной форме разряды числа передаются последовательно друг за другом по одной линии. В параллельной форме разряды числа передаются одновременно по нескольким линиям, их число равно количеству разрядов числа.
Сигнал представленный в последовательной форме представлен на рис. 1,а и 1,б – в параллельной форме на рис 3.
Рис.3
Цифровой сигнал может быть сформирован из непрерывного аналогового сигнала аналого-цифровым преобразователем (АЦП), который называют преобразователем аналог-код или аналог-цифра. При таком преобразовании из непрерывного сигнала, как показано на рис. 3,а периодически производится выборка мгновенных значений; каждая выборка округляется до ближайшего разрешённого уровня, а код этого уровня (двоичное число) представляется элементами цифрового сигнала. В результате получаем цифровой сигнал, соответствующий непрерывному сигналу. Такой процесс называют квантованием. Для этого весь диапазон возможных изменений непрерывного сигнала разбивается на конечное число равноотстоящих уровней (называемых уровнями квантования), которые дискретный сигнал только и может принимать. Каждая выборка сигнала округляется до ближайшего разрешённого уровня. Каждому из них может быть присвоен код. Эту операцию называют кодированием. После кодирования операцию над непрерывным сигналом можно заменить операцией над кодами его уровней. Так, при передаче сигнала (рис. 3,а) надо последовательно в моменты времени t1, t2 …tn передавать информацию о записанных числах. Это осуществляется цифровым сигналом, один элемент которого представляет 1 каждого числа, а другой – 0.
Квантованный дискретный сигнал имеет конечное (счетное) количество значений. Благодаря
Рис. 4
этому каждому из них может быть присвоен какой-то код (число). Эту операцию называют кодированием. На рис. 4,б изображен цифровой сигнал, соответствующий квантованному дискретному сигналу (рис. 4,а). Так как в отношении передаваемой информации цифровой сигнал эквивалентен непрерывному, из которого он сформирован, то вместо операций над непрерывным сигналом (передачи, преобразования, хранения) можно производить операции над соответствующим ему цифровым сигналом. Во многих случаях это оказывается более эффективным. Обратное преобразование цифрового сигнала в непрерывный осуществляется цифроаналоговым преобразователем (ЦАП). На входы такого преобразователя одновременно поступают потенциалы, представляющие разряды кода каждой выборки. Потенциалы, соответствующие единицам, открывают ключи, через которые на выход поступают напряжения, пропорциональные весам единиц разрядов. Так на выходе формируется напряжение, пропорциональное весу кода каждой выборки. Устройства, в которых действуют цифровые сигналы, называют цифровыми. Цифровые сигналы используются в устройствах различного назначения. В электронных вычислительных машинах (ЭВМ) и в цифровой автоматике входная информация представляется цифровыми сигналами, над которыми эти устройства осуществляют необходимые действия. В системах радиосвязи цифровыми сигналами передаются сообщения, имеющие разную форму: звуковую, печатную, форму изображения и т. д. Такая связь отличается скрытностью и помехоустойчивостью. Последнее обусловлено тем, что такой сигнал имеет только два различимых уровня. Поэтому когда значение сигнала попадает между ними, то это фиксируется как помеха. Если помеха меньше половины разности уровней сигнала, то она легко различается и значения уровней престо восстанавливаются регенераторами. Непрерывный сигнал очистить от помехи значительно сложнее, что объясняется следующим. Мгновенные значения непрерывного сигнала, разделенные бесконечно малым временным интервалом, отличаются на бесконечно малую величину, т. е. непрерывный сигнал имеет несчетное (бесконечное) количество значений. Поэтому, искаженный помехой, он может быть принят за полезный. На передающей стороне канала цифровой связи непрерывный сигнал преобразуется в цифровой с помощью аналого-цифрового преобразователя. Цифровой сигнал может непосредственно передаваться по проводам. Для передачи по радиоканалу им модулируется высокочастотное колебание. На приемной стороне радиоканала цифровой связи принятые радиоимпульсы преобразуются детектором в видеоимпульсы -цифровой сигнал. Этот сигнал может быть использован непосредственно (например, введен в ЭВМ) или преобразован в исходный непрерывный сигнал с помощью цифроаналогового преобразователя.
Импульсы. В большинстве случаев в И. у. используют видеоимпульсы - кратковрем. униполярные изменения тока или напряжения, разделённые паузами (см. также Импульсный сигнал ).Различают след, элементы видеоимпульса: резкий подъём (фронт), медленно меняющуюся часть (вершину), быстрый спад (срез), часто завершающийся длинным "хвостом". Иногда после фронта и среза наблюдаются быстро затухающие колебания (двусторонние выбросы). Параметры импульса: размах (амплитуда) А, длительность tи, отсчитываемая на заранее обусловленном уровне (напр., 0,1A, 0,5А), длительности фронта и среза. Последние обычно отсчитывают между уровнями (0,1-0,9)А. Для нек-рых задач важным параметром является спад или подъём на вершине DA. Если детальная конфигурация импульса не имеет существ, значения, форму видеоимпульсов идеализируют и говорят о прямоугольных, треугольных, трапецеидальных, колокольных (гауссовых) экспоненциальных и др. импульсах. Помимо одиночных н нерегулярно следующих во времени потоков импульсов на практике используют периодпч. последовательности, к-рые дополнительно характеризуют периодом (ср. периодом) Т пли частотой повторения F=T-1. Важным параметром периодич. последовательности является скважность потока Q=T/tи При генерировании мощных видеоимпульсов в промежутках между импульсами (в паузах) производится запасание энергии в накопителях, а её высвобождение - за время tи. При Qд1 в нагрузке реализуются огромные мощности, в Q раз большие средней.
Системы счисления.