МПС цифрового оброблення сигналів (стр. 1 из 2)

Полтавський Військовий Інститут Зв’язку

Кафедра схемотехніки радіоелектронних систем

ОБЧИСЛЮВАЛЬНА ТЕХНІКА ТА МІКРОПРОЦЕСОРИ

напрям підготовки 0924 «Телекомунікації»

МПС цифрового оброблення сигналів.

Полтава – 2006

Навчальна література.

1. Мюллер, Скотт. Модернізація і ремонт ПК, 16-е изд.: – М.: Издательский дом «Вильямс», 2006. с. 677 – 723.

ЗМІСТ ЛЕКЦІЇ ТА МЕТОДИКА ЇЇ ВИКЛАДЕННЯ

1. Загальні поняття про МПС ЦОС

Алгоритми ЦОС використовуються для виконання таких операцій, як фільтрація, формування сигналів, виділення сигналів на фоні перешкод, розпізнавання образів і багатьох інших. Раніше ці задачі вирішувалися традиційними методами аналогового оброблення сигналів, але дані методи мають багато недоліків, а саме: невисоку точність перетворень, нестабільність характеристик, низьку надійність, і інші. Використання методів ЦОС дозволяє досягнути якісного поліпшення характеристик реалізованої апаратури.

Сучасні системи ЦОС будуються на основі процесорів цифрових сигналів (ПЦС).

Сигнальними мікропроцесорами (СМП) або процесорами цифрових сигналів називають спеціалізовані процесори, призначені для виконання алгоритмів цифрової обробки сигналів (ЦОС) у реальному масштабі часу.

Стандартна схема МПС ЦОС зображена на рис.1.

Рис. 1. Схема МПС ЦОС

Аналоговий сигнал X(t) перетворюється в цифрову форму в аналого-цифровому перетворювачі (АЦП) і, у вигляді послідовності багаторозрядних двійкових слів X(kt), надходить у СМП. СМП виконує перетворення вхідної послідовності у вихідну Y(kt) відповідно до визначеного алгоритму ЦОС.

Вихідна послідовність двійкових слів Y(k) надходить на вхід цифроаналогового перетворювача (ЦАП), де формується вихідний аналоговий сигнал Y(t).Fg тут – сигнал опорної частоти, яка є частотою дискретизації АЦП та тактовою частотою СМП одночасно.

У процесі аналого-цифрового перетворення можна виділити три етапи: дискретизацію за часом, квантування за рівнем і кодування. Розглянемо сутність цих процесів. При цьому будемо вважати, що в цифрову форму перетвориться сигнал, поданий у формі змінної напруги (див. рис.2).

101

011

010

011

100

101

д)

Рис. 2. Перетворення аналогового сигналу у цифровий

Хай сигнал Uc, що підлягає перетворенню має вигляд, показаний на рис.2а.

Дискретизація за часом полягає в тому, що перетворений сигнал Uc подається не безперервної послідовністю своїх значень, а лише окремими вибірками, відліками Uд, узятими через однакові проміжки часу Тд, називані інтервалами часової дискретизації (див. рис.2в).

Очевидно, що чим менше інтервал дискретизації Тд (чим вище частота дискретизації Fд, тим більше відліків буде узято за одиницю часу), тим точніше дискретний сигнал буде відтворювати вхідний аналоговий. Зі збільшенням же Тд ступінь спотворень перетвореного сигналу зростає.

Для точного відтворення характеру зміни безперервного сигналу його дискретними вибірками необхідно виконати умова теореми дискретизації (теореми Котельникова):

або

де F_max –складова у спектрі безперервного сигналу, що має найбільшу частоту.

Тобто, частота дискретизації (проходження вибірок сигналу) повинна перевищувати (чи, як мінімум, дорівнювати) подвоєну максимальну частоту спектра сигналу, що перетворюється в цифровий вигляд.

Квантування за рівнем полягає в наступному. Створюється (наприклад, за допомогою набору компараторів) сітка так званих рівнів квантування (див. рис.2с), строго фіксованих і зсунутих відносно один одного на величину D, що назівають кроком квантування. Далі отримані в результаті дискретизації значення відліків вхідної напруги Uдзамінюються найближчими до них рівнями із сітки, що, зрозуміло, породжує помилки квантування сигналу. Помилка квантування значень сигналу

(шум квантування) виявляється в межах:

Отже, зі збільшенням числа рівнів квантування в заданому діапазоні значень напруги, тобто зі зменшенням кроку квантування D, шум квантування зменшується.

Кодування полягає у заміні рівнів квантування, що є вибірками перетвореного сигналу на їхні порядкові номери (див. рис.2с), подані у двійковому коді. Отримана послідовність двійкових чисел (див. рис.2д), є результатом перетворення аналогового сигналу на цифровий. Зрозуміло, що збільшення числа рівнів квантування з метою зменшення шумів квантування приводить до необхідності збільшення розрядності двійкового коду, який відображує відліки цифрового сигналу.

2. Аналого-цифрові перетворювачі.

Основними характеристиками АЦП є:

· точність;

· роздільна здатність, що визначається розрядністю АЦП і максимальним діапазоном вхідної аналогової напруги;

· швидкодія, що характеризується часом перетворення, тобто інтервалом часу від моменту зміни сигналу на вході до появи на виході сталого коду.

По своїй структурі (способу побудови) АЦП поділяються на два типи: із застосуванням ЦАП і без них.

2.1. АЦП із проміжним перетворенням напруги в часовий інтервал.

Схема АЦП із проміжним перетворенням вхідної напруги в часовий інтервал подана на рис.3, а тимчасові діаграми, що пояснюють його роботу – на рис.4. Відповідні один одному діаграми на рис.4 і точки схеми на рис.3 позначені однаковими цифрами.

До складу перетворювача входять: ГЛЗН – генератор напруги, що лінійно змінюється ; ГІП – генератор імпульсної послідовності; К1 і К2 – компаратори, лічильник, JK-тригер, кон’юнктор.

Компаратор є, по суті, диференціальним підсилювачем, але з обмеженою вихідною напругою. Він порівнює наявні на двох його входах напруги. У залежності від того, яка з них більша, на виході компаратора одержуємо чи позитивну, чи негативну напругу Us. Слід зазначити, що Us лише по своєму знаку, але не за абсолютним значенням залежить від різниці напруг на входах. Це абсолютне значення залишається постійним незалежно від того, яку різницю напруг – позитивну чи негативну маємо на входах компаратора. Тому +Us може бути використане в якості логічної 1, а Us – у якості логічного 0.

Робочий цикл перетворювача може бути описаний у такий спосіб. Черговий тактовий імпульс, що надходить на вхід ТИ (діаграма 1), встановлює в нульовий стан лічильник і одночасно запускає ГЛЗН (діаграма 2).

Рис. 3. АЦП з перетворенням напруги на часовий інтервал.

Рис. 4. Часові діаграми, що пояснюють роботу АЦП.

Вихідна напруга ГЛЗН надходить на входи компараторів К1 і К2, на інші входи яких подаються відповідно вхідна та нульова напруги. У момент часу, що коли напруга, що лінійно змінюється, зростаючи, проходить нульове значення, компаратор К2 видає імпульс (діаграма 3). JK-тригер переднім фронтом цього імпульсу встановлюється в одиничний стан. При досягненні напругою ГЛІН значення, рівного величині вхідної напруги, імпульс видає компаратор К1 (діаграма 4), повертаючи тригер у нульовий стан.

Очевидно, що час Т, протягом якого тригер знаходиться в одиничному стані (діаграма 5) прямо пропорційний величині вхідної напруги. Протягом цього інтервалу імпульси з ГІП (діаграма 6) через кон’юнктор надходять на вхід лічильника (діаграма 7). Таким чином, число що встановлюється протягом робочого циклу у лічильнику пропорційне значенню вхідної напруги.

З надходженням чергового тактового імпульсу робочий цикл повторюється.

2.2 Схеми АЦП з застосуванням ЦАП

Наявність у схемі АЦП ГЛЗН може бути джерелом значної амплітудної похибки перетворення через нелінійність характеристики генератора. Цей недолік усувається в схемах АЦП, що не містять у своєму складі ГЛЗН. Широко поширені, наприклад, перетворювачі, побудовані за схемою зі зворотним зв'язком, що включає в себе ЦАП.

АЦП зі зворотним зв'язком

Рис. 5. Схема АЦП зі зворотним зв'язком.

Як і в попередній схемі, на початку робочого циклу перетворювача черговий тактовий імпульс, що надходить на вхід ТИ, встановлює в нульовий стан лічильник. На виході ЦАП, код, записаний у лічильнику, перетворюється у нульову напругу Uзс=0. При наявності на вході схеми Uвх>Uзс компаратор К подає на вхід елемента ТА рівень логічної одиниці. При цьому імпульси ГІП проходять на вхід лічильника. Кожен імпульс, що надійшов на вхід лічильника, збільшує на одиницю записане до нього число і збільшує напругу на виході ЦАП на одну «елементарну сходинку». Таким чином, Uзс росте по східчастому законі.