1) Дискретизацiя за часом;
2) Квантування за рiвнем.
Відзначимо, що аналоговi (неперевнi) сигнали описують неперервними функцiями часу x(t), якi визначають рiвень сигналу x у моменти часу t.
У пiдсумку дискретизацiї за часом, функцiя x(t) неперервного часу перетворюється на функцiю x(ti) дискретного аргументу ti шляхом вимiрювання миттєвих значень аналогового сигналу через рiвнi промiжки часу T (рисунок 1).
а)
б)
Рисунок 1 - Вихідний сигнал (а) і відповідний дискретизований сигнал (б)
Теоретичне обгрунтування процесу дискретизацiї за часом надає теорема Котельникова (Найквiста): якщо аналоговий сигнал x(t) має обмежений спектр, то вiн може бути вiдновлений однозначно та без втрат за його дискретними вiдлiками, взятими з частотою дискретизацiї fдискр > 2ˑFmax
або з перiодом дискретизацiї Тдискр < 1/(2ˑFmax), де Fmax є максимальною частотою в спектрi.
У цифровiй обробцi сигналiв, ту частоту, що дорiвнює половинi частоти дискретизацiї (fдискр/2), називають частотою Найквiста.
Квантування за рiвнем полягає в тому, що миттєвi значення аналогового сигналу, вимiрюванi в процесi дискретизацiї за часом, округлюють до найближчого з декiлькох заздалегiдь визначених рiвнiв значень, кiлькiсть яких завжди береться кратною ступеню двiйки (8, 16, 32 або 64).
Особливості дискретизацiї сигналів за часом і квантування сигналiв за рівнем представлено на рисунку 2.
|
Неперервний час |
Дискретний час |
Непе-рервний рівень |
|
|
Дискрет-ний рівень |
|
|
Рисунок 2 – Дискретизацiя та квантування сигналiв
Квантування за рiвнем може зменшити обсяг iнформацiї, що пiдлягає запам`ятовуванню, наприклад: на рисунку 2, сигнал пiсля квантування має лише чотири рiвнi, в підсумку чого, його можна запам`ятовувати не за миттєвими значеннями, що можуть бути великими числами, а за номерами рiвнів, що являють собою невеликі двобiтові числа.
Пристрій аналогово-цифровий перетворювач (АЦП, англ. Analog- to-Digital Converter, ADC) реалізує процес дискретизації, перетворюючи вхiдний аналоговий сигнал на дискретний код (цифровий сигнал).
Пристрій цифро-аналоговий перетворювач (ЦАП, англ. Digital-to-Analog Converter, DAC) реалізує процес, що є зворотним до дискретизації, перетворюючи дискретний код (цифровий сигнал) на аналоговий сигнал.
Дискретизацiя за часом i квантування за рiвнем використовуються в процесi iмпульсно-кодової модуляцiї (IКМ) аналогових сигналiв (англ. Pulse Code Modulation, PCM).
Слід відзначити, що в цифровій техніці повідомлення передають за допомогою послідовності сигналів, які являють собою імпульси.
Електричним імпульсом називають тимчасове відхилення струму або напруги від певного сталого значення.
Режим роботи обладнання під впливом електричних імпульсів називають імпульсним режимом.
Імпульси поділяють на відеоімпульси та радіоімпульси (рисунок 3).
Відеоімпульси є однополярними відхиленнями струму або напруги заданої форми.
Радіоімпульси є відрізками високочастотних синусоїдальних коливань, для яких огинаюча задається радіоімпульсом.
Рисунок 3
За формою, імпульси розрізняють на наступні основнi види (рисунок 4):
1) прямокутні імпульси;
2) трикутні імпульси (тривалість наростання фронтів є співрозмірною з тривалістю імпульсів);
3) дзвоноподібні імпульси;
4) пилкоподібні імпульси (тривалість одного фронту є набагато меншою за тривалість іншого);
5) східчасті імпульси (різновид пилкоподібних імпульсiв, де наростання тривалості фронтів відбувається не за лінійним законом, а дискретно);
6) дельта-імпульси (тривалість імпульсу вважається рівною нулю);
7) трапецеїдальні імпульси (відображають той стан справ, що процес переходу від одного значення напруги до іншого має певну тривалість, виходячи з чого, реальних прямокутих імпульсів не існує).
Рисунок 4
Розглянемо параметри імпульсних сигналів.
Основними параметрами імпульсів є наступні (рисунок 5):
- амплітуда (А);
- період (Т);
- тривалість (ti).
Рисунок 5
Похідними параметрами імпульсів, якi визначаються з основних параметрiв, є наступні:
- частота f = 1 / Т;
- тривалість паузи tп = Т - ti;
- шпаруватість (щілинність) Q = T / ti.
Залежно від шпаруватості (величини Q = T / ti), визначається тип імпульсної послідовності:
- меандровi iмпульси (Q = 2);
- радіолокаційнi iмпульси (Q > 1000);
- додатнi iмпульси (Q >= 1);
- від'ємнi iмпульси (Q <= 1).
Величина, зворотна до шпаруватості, називається коефіцієнтом заповнення: K = 1 / Q.
Допоміжними параметрами електричних імпульсів є наступнi:
- тривалість фронту наростання (t0-1);
- тривалість спаду (t1-0);
- спад вершини (∆U).
Розглянемо основні переваги цифрової техніки й імпульсного способу передачі сигналів порівняно з аналоговими пристроями й аналоговим (неперервним) способом передачі.
Першою перевагою імпульсного способу передачі є висока якість передачі цифрових сигналів.
При роботі в iмпульсному режимі, спотворення інформації через наявність шумів значно знижуються, оскільки виявляється достатнім, щоб рівень імпульсного сигналу тільки перевищував рівень шумів.
На противагу, навіть незначна зашумленість аналогового сигналу призводить до зникнення тiєї частини повідомлення, амплітуда якої є нижчою рівня шумів.
На рисунку 6 проілюстроване наступне:
- при передачі аналогового сигналу (рисунок 6а), та частина повідомлення, амплітуда якої була нижчою рівня шумів, не буде прийнята;
- при імпульсній передачі (рисунок 6б), усі чотири представлених імпульси будуть передані, а для того, щоб повністю відтворити інформацію, необхідно тільки відфільтрувати корисний сигнал і підсилити його.
Рисунок 6
Другою перевагою імпульсного способу передачі є простота технічного обслуговування.
Оскільки більшість цифрових схем, навіть найскладніших, побудовано з елементарних уніфікованих вузлів, то, в підсумку ускладнення пристрою, збільшується лише кількість простих вузлів.
Третьою перевагою імпульсного способу передачі є економічність імпульсних пристроїв.
Під час того, як цифрові схеми працюють в імпульсному режимі, транзистори можуть бути тільки повністю відкритими або закритими, а тому споживання енергії є значно меншим.
Відповідно, зменшується вплив температури на роботу транзисторів.
У цілому, вплив температури та розкид параметрів напівпровідникових приладів не відбиваються істотно на роботі імпульсних пристроїв.