70725

Влияние АЦП на спектр сигналов

Лабораторная работа

Коммуникация, связь, радиоэлектроника и цифровые приборы

Значение аналогового сигнала определено в любой момент времени. Частным случаем дискретных сигналов являются цифровые сигналы в которых каждое значение отсчет дискретного сигнала представлено закодировано конечным числом.

Русский

2014-10-24

379 KB

9 чел.

Марийский государственный технический университет

Кафедра ИС

Влияние АЦП на спектр сигналов

Лабораторная работа №2

по курсу «Методы и устройства цифровой обработки сигналов»

для студентов специальности 2201

Йошкар-Ола, 1997 г.


Цель работы:
  Изучение принципов работы и анализ погрешностей

аналого-цифровых преобразований


ВВЕДЕНИЕ

Неотъемлемой частью любой человеческой деятельности является обработка информации. Для автоматизации процесса обработки информации служат технические информационные системы, которые по форме обрабатываемой информации подразделяются на аналоговые и цифровые. В технических системах источником и носителем информации являются сигналы. Сигналы могут быть непрерывными во времени (аналоговые сигналы) или дискретными.

Аналоговые сигналы описываются непрерывными функциями времени. Примерами аналоговых сигналов являются речь, музыка, телевизионное изображение, электромагнитные колебания и др. Значение аналогового сигнала определено в любой момент времени.

Дискретным сигналом называется сигнал, определенный только в дискретные моменты времени, например через одну микросекунду или через 24 часа. В промежутках между отсчетами дискретный сигнал неопределен. Частным случаем дискретных сигналов являются цифровые сигналы, в которых каждое значение (отсчет) дискретного сигнала представлено (закодировано) конечным числом.

В последние годы в связи с развитием микроэлектроники и появлением дешевых микропроцессорных БИС широкое распространение получили цифровые системы обработки информации, выполняющие обработку цифровых сигналов. Поскольку большинство сигналов в природе имеет аналоговую форму, для их обработки в цифровой информационной системе необходимо преобразование сигналов из аналоговой в цифровую форму.

Процесс аналого-цифрового преобразования обычно выполняется по схеме: дискретизация (квантование по времени) - квантование по уровню - кодирование.

В процессе дискретизации исходный аналоговый сигнал преобразуется в дискретную форму. С этой целью из входного аналогового сигнала x(t) через некоторый интервал времени Т берутся выборки (отсчеты) (Рис. 1).

Рис. 1. Дискретизация аналогового сигнала

Отсчеты дискретного сигнала x(nT) непрерывны по уровню - они могут принимать любое допустимое значение. Это означает, что для их представления в цифровом устройстве обработки информации потребуется разрядная сетка с бесконечным числом разрядов. Поскольку длина разрядной сетки всегда ограничена, приходится огрублять значения отсчетов x(nT) до конечного множества допустимых значений. В процессе квантования дискретный сигнал огрубляется до одного из множества разрешенных уровней (Рис. 2).

Рис. 2. Квантование по уровню

Кодирование заключается в представлении отсчетов квантованного сигнала каким-либо кодом, обычно двоичным числом. Поскольку число разрешенных уровней конечно, любое значение сигнала представляется конечным числом.

Техническая реализация аналого-цифрового преобразователя (АЦП) осуществляется с помощью блока выборки и запоминания сигнала, который выполняет дискретизацию сигнала, и блока сравнения с порогами и кодирования, который квантует и кодирует сигнал (Рис. 3). Аналоговый фильтр нижних частот ФНЧ служит для подавления во входном аналоговом сигнале всех составляющих с частотой F > 1/(2T), где Т - период дискретизации.

Рис. 3. Структурная схема блока АЦП

Основными параметрами, на основе которых разрабатывается реальная схема блока АЦП, являются характеристики сигнала x(t) (обычно спектр мощности и динамический диапазон) и допустимая дисперсия (мощность) ошибок преобразования, вносимых АЦП. На основе этих данных определяют такие основные параметры АЦП как период дискретизации Т (квант по времени), число уровней квантования М и величину кванта по уровню h. Эти параметры необходимо определить так, чтобы потери информации, неизбежно возникающие в блоке АЦП, не превышали допустимого, наперед заданного значения. Потери информации оцениваются уровнем шума, вносимого АЦП, который не должен превышать заданную дисперсию ошибок квантования.


Расчет периода дискретизации

Выбор Т основывается на одном из следующих критериев:

1. Теорема Котельникова утверждает, что если период дискретизации удовлетворяет условию

Т < 1/(2Fmax)

где Fmax - максимальная частота в спектре сигнала x(t), то потерь информации в результате дискретизации не происходит, так как непрерывный сигнал x(t) полностью восстанавливается по своим отсчетам. Этот критерий используется для сигналов с ограниченным спектром.

2. Теорема Железнякова утверждает, что если спектр сигнала не ограничен, то период дискретизации может быть выбран из условия

Т <  корр

где

 корр - время корреляции сигнала x(t), определяющее статистическую связь между двумя отсчетами сигнала:

R(t)=B(t)/B(0)

B(t) - корреляционная функция сигнала x(t); В(0) - средняя мощность сигнала x(t).

Спектр сигнала F() и корреляционная функция В(t) связаны соотношением Виннера-Хинчина

 Применение критерия 1 гарантирует отсутствие потерь информации при дискретизации. На практике чаще используется критерий 2, так как спектры реальных сигналов имеют большую протяженность.


Расчет параметров квантования по уровню

Расчет основных параметров блока порогов и кодирования АЦП, таких как число уровней квантования N и шаг квантования h (рис. 2), выполняется на основе критерия допустимости ошибки квантования. Эта ошибка неизбежно возникает при огрублении амплитуды отсчетов сигнала x(nT).

Амплитудную характеристику квантизатора можно представить в виде суммы двух характеристик Х1вх) и Х2вх) (рис. 4)

Хвыхвх) = Х1вх) + Х2вх)

Поэтому сигнал на выходе квантизатора является аддитивной смесью двух слагаемых - слагаемого Х1, которое описывает линейную составляющую, не вносящую шумов в квантованный сигнал, и слагаемого Х2, которое, накладываясь на входной сигнал, вызывает искажения квантованного сигнала. Источником искажений сигнала является приведение произвольной входной амплитуды Хвх к одному из допустимых уровней на входе.

Процесс Х2 называется шумом квантования. Он равномерно распределен в интервале от -h/2 до h/2 с плотностью вероятностей р(Х1)=1/h. Мощность шума квантования определяется формулой

Рис. 4. Составляющие амплитудной характеристики

Число уровней квантования N и величину шага h можно определить по заданной предельно допустимой ошибке квантования, динамическому диапазону Ах входного сигнала

Ах = Хmax - Хmin

Тогда N = <Ax/h>, где <...> - операция округления в сторону большего значения, а величина h определяется из условия ???????.

На практике информационные системы обрабатывают случайные сигналы. Динамический диапазон случайного сигнала можно определить только в статическом смысле. Например, для сигналов с гауссовским распределением амплитуд

хорошим приближением к оценке Ах будет величина

Ах = 6.

поскольку 99% всех выработок Х(nT) такого сигнала лежит в интервале
(-3
.+m, 3.+m). Здесь m - среднее значение сигнала, - мощность сигнала (рис. 5)

Рис. 5.

В других случаях задача определения динамического диапазона сигнала требует дополнительного исследования.


Задание

Исходные данные для проектирования блока АЦП:

На входе АЦП может действовать один из двух сигналов со спектрами мощности соответственно |S1()| и |S2()|. Спектр |S2()| - конечный, протяженностью от 0 до d рад/сек. Спектр |S1()| имеет бесконечную полосу частот. Варианты спектров определяются из таблиц по первой букве фамилии для составляющей |S1()| и по номеру варианта для |S2()|, f=50кГц.

Таблица 1 для определения |S1()|

А, И,

С, Э

Б, К,

Т, Ю

В, Л,

Ф, Я

Г, М,

Ч, У

Д, Н,

Х, Ы

Е, О,

Ш

Ж, П,

Щ

З, Р,

Ц

Экс

n=0

Гип

n=1

Экс

n=2

Экс

n=3

Гип

n=3

Экс

n=4

Экс

n=1

Гип

n=2

Примечания:

 Экс - экспоненциальный спектр,

 Гип - гиперболичекий спектр,

 а - амплитудный параметр,

 b - частотный параметр,

 с - параметр формы.

Формы спектров |S1()|

Экспоненциальный спектр   Гиперболический спектр

  |S1()| = аnexp(-b)      |S1()| = a/(1+b22)n

Таблица 1 для определения |S2()|

1

2

3

4

5

6

7

Степ

n=1

Кос1

-

Степ

n=2

Кос2

-

Степ

n=3

Син

-

Степ

n=4

Примечания:

 Степ - степенной спектр,

 Кос1 - косинусоидальный спектр,

 Кос2 - косинусоидальный спектр с пьедесталом (подставкой),

 с - амплитудный параметр,

 d - частотный параметр,

 n - параметр формы.

Формы спектров |S2()|

Степенной        Косинусоидальный 1

|S2()| = с(1-(/d)n)    |S2()| = c cos(/(2d))

  Синусоидальный       Косинусоидальный 2

|S2()| = с sin(/d)    |S2()| = c (1-cos(3/(2d)))

 Определить частоту и период дискретизации входного сигнала с заданной спектральной плотностью. Используя соотношение Виннера-Хинчина, определить корреляционную функцию входного сигнала. Найти дисперсию ошибки дискретизации. Построить графики исходного спектра мощности и корреляционной функции при 2-3 различных значениях параметров спектров. Построить зависимость частоты дискретизации от частотных параметров исходного спектра. Построить зависимость дисперсии ошибки дискретизации от частоты дискретизации. Обосновать выбор частоты дискретизации.


Приложения

Таблица неопределенных интегралов

+

2.4.6.... .k, если k - четное

k! =         0! = (-1)! = 1

1.3.5.... .k, если k - нечетное

Таблица определенных интегралов

где

 

 

 

 

2.


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

64904. АВТОМАТИЗАЦІЯ КЕРУВАННЯ ПРОЦЕСОМ АЕРОЗОЛЬНОГО НАНОКАТАЛІЗУ В СИСТЕМАХ УТИЛІЗАЦІЇ ВІДХОДІВ ХЛОРОРГАНІЧНОГО СИНТЕЗУ 195 KB
  Актуальною задачею в звязку з цим є подальший розвиток наукових досліджень в області автоматизації процесів аерозольного нанокаталізу з застосуванням сучасних методів керування та програмнотехнічних засобів що дозволило б суттєво підвищити екологічну безпеку утилізації...
64905. Мультигармонічні плазмо-пучкові супергетеродинні лазери на вільних електронах 668 KB
  Серед можливих конструкцій супергетеродинних лазерів на вільних електронах які найбільш перспективні для практичної реалізації необхідно виділити двопотокові та плазмопучкові ЛВЕ. Незважаючи на те що саме плазмопучкова версія супергетеродинного ЛВЕ була запропонована першою основний розвиток...
64906. БАНКІВСЬКЕ КРЕДИТУВАННЯ ЕКСПОРТНОЇ ДІЯЛЬНОСТІ ПІДПРИЄМСТВ В УКРАЇНІ 258 KB
  У свою чергу умови кредитування є одним із чинників конкурентної боротьби окремих підприємств і держав у цілому на міжнародних ринках збуту оскільки кредит так само як ціна або якість продукції розширює можливості експортера щодо збуту а імпортера щодо придбання товарів та послуг.
64907. ПІДВИЩЕННЯ ЕФЕКТИВНОСТІ ВИГОТОВЛЕННЯ ЗОВНІШНІХ НАПІВКРУГЛИХ ШЛІЦЬОВИХ КАНАВОК У ВАЛАХ ТА НАПРАВЛЯЮЧИХ 170 KB
  Для досягнення поставленої мети в роботі розвязуються такі задачі: провести аналіз конструкцій і технологій виготовлення шліцьових валів і направляючих з аналізом їх на технологічність щодо виготовлення ремонтопридатності й експлуатаційної надійності та довговічності...
64908. АДМІНІСТРАТИВНІ ПРОЦЕДУРИ ПРОХОДЖЕННЯ СЛУЖБИ В ОРГАНАХ ВНУТРІШНІХ СПРАВ 178 KB
  Становлення правової держави в Україні вимагає реального утвердження принципу верховенства права, зміцнення законності та правопорядку в країні, забезпечення прав і свобод громадян. Вирішення цього завдання, з одного боку, потребує посилення правоохоронної функції держави...
64909. АДМІНІСТРАТИВНО-ПРАВОВЕ РЕГУЛЮВАННЯ У СФЕРІ ЖИТЛОВО-КОМУНАЛЬНОГО ГОСПОДАРСТВА УКРАЇНИ В СУЧАСНИХ УМОВАХ 136 KB
  Розбудова правової держави в Україні та формування ринкових відносин потребують удосконалення роботи усіх державних органів в тому числі й тих що діють у сфері житловокомунального господарства ЖКГ. Наразі в Україні здійснюється велика робота щодо створення сучасної системи управління...
64910. Теоретико-методологічні засади адміністративно-територіальної організації України 452.5 KB
  Адміністративно-територіальний устрій безпосередньо впливає на результативність та ефективність державного управління територіальними системами. Зокрема це стосується обґрунтування класифікації адміністративно-територіальних структур за еволюційними формами поділ устрій та організація оскільки демократизація...
64911. СТРАТЕГІЇ ФОРМУВАННЯ ІМІДЖУ ПОЛІТИЧНОГО ЛІДЕРА: РЕГІОНАЛЬНИЙ ВИМІР 139 KB
  Дослідження проблеми формування іміджу політичного лідера регіонального рівня складає одне із найбільш актуальних та важливих завдань сучасної політичної теорії та практики. У сучасних умовах регіональне політичне лідерство стає одним із головних чинників політичного розвитку справжньої демократизації політичних відносин.
64912. МЕТАФОРА І МЕТОНІМІЯ ЯК ЧИННИКИ ТВОРЕННЯ ТА РОЗВИТКУ УКРАЇНСЬКОЇ ТЕХНІЧНОЇ ТЕРМІНОЛОГІЇ 180.5 KB
  Актуальність дослідження зумовлена: 1 відсутністю в українському мовознавстві монографічних досліджень метафори й метонімії як чинників творення та розвитку сучасних українських технічних термінів; 2 потребою виявити та схарактеризувати семантичні процеси в сучасній технічній термінології української мови...