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

4 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

48008. Живопис. Курс лекцій 929 KB
  Вивчаючи натуру закони живопису студент розвиває почуття ритму як лінійного так і ритму основних мас тону і кольору вирішує складні пластичні просторові кольоросвітлові завдання. На основі засвоєння знань законів живопису оволодіння культурою використання кольору і форми студент набуває навичок що дають можливість кваліфіковано вирішувати творчі завдання. Використання контрасту та нюансу кольору у натюрморті 2729 Тема 5. Національні особливості використання кольору в живописних роботах 2935 Тема 6.
48009. Житлове право 251.5 KB
  Так громадянин має право на приватизацію державного житлового фонду але він може отримати його у приватну власність якщо він є наймачем державного комунального житла; наявне законодавство що регулює механізм приватизації житлового фонду; належна йому квартира будинок знаходиться у державному житловому фонді; волевиявлення проявляється у формі заяви та надання інших необхідних документів про склад сім'ї пільги паспорт тощо. Громадяни самостійно здійснюють право на одержання жилого приміщення в будинках державного і комунального...
48010. ОБЛІК ЗОВНІШНЬОЕКОНОМІЧНОЇ ДІЯЛЬНОСТІ 2.51 MB
  Орієнтація нашої держави на ринкову економіку необхідність підготовки ґрунту для вступу України до Світової організації торгівлі постійне залучення іноземних інвесторів та розвиток комерційних відносин між вітчизняними й іноземними підприємствами доводить що облік зовнішньоекономічної діяльності підприємств є досить актуальною темою для дослідження. Зовнішньоекономічна діяльність – це діяльність суб‘єктів господарської діяльності України та іноземних суб‘єктів господарської діяльності яка побудована на взаємовідносинах між ними є...
48011. АНАЛІЗ ГОСПОДАРСЬКОЇ ДІЯЛЬНОСТІ ПІДПРИЄМСТВА 1.79 MB
  Система показників комплексного АГД Показники вихідних умов діяльності підприємства наявність необхідних матеріальних і фінансових ресурсів для нормального функціонування підприємства і виконання виробничої програми організаційнотехнічний рівень підприємства рівень маркетингової діяльності Показники використання засобів виробництва фондорентабельність фондовіддача фондомісткість середньорічна вартість основних засобів амортизація Показники використання предметів праці матеріаломісткість матеріаловіддача вартість предметів труда за аналізує...
48012. Координати у просторі 3.8 MB
  Закони додавання векторів Переставний закон: Сполучний закон: Правило паралелограма на площині Правило паралелепіпеда у просторі Віднімання векторів Різницею двох векторів називається такий вектор сума якого з другим вектором дорівнює першому. Множення вектора на число Множення вектора на додатне число Добутком ненульового вектора на число k 0 називається такий вектор співнапрямлений даному довжина якого дорівнює довжині даного вектора помноженій на k. Множення вектора на нуль...
48013. Економіка праці та соціально-трудові відносини, конспект лекцій 2.29 MB
  Економіка праці: Конспект лекцій. Висвітлено загальні теоретичні поняття з дисципліни Економіка праці та соціальнотрудові відносини: розглянуто основні теоретичні й практичні аспекти функціонування ринку праці проблеми зайнятості населення та її регулювання; розкрито питання еволюції концепцій доходів населення соціальної політики і соціального партнерства; висвітлено економічну сутність продуктивності праці методи її вимірювання; особлива увага приділена питанням організації оплати праці та її удосконаленню в умовах становлення...
48014. Форматирование HTML-документа 97.5 KB
  P P Элемент абзаца Вместе с элементом P можно использовать атрибут выравнивания lign: lign= left выравнивание по левому краю;lign= center выравнивание по центру;lign= right выравнивание по правому краю;lign= justify выравнивание по ширине; BR Элемент обеспечивающий принудительный переход на новую строку. NORB norb Этот элемент по своему действию является прямой противоположностью предыдущему. Этот элемент требует наличия конечного тега. CENTER center Элемент для центрирования текста а точнее любого содержимого рисунка таблицы...
48015. ПОЛІТОЛОГІЯ. НАВЧАЛЬНО-МЕТОДИЧНИЙ ПОСІБНИК 1.41 MB
  Історія розвитку світової та вітчизняної політичної думки Держава у політичній системі Світовий вимір політики. Історія розвитку світової та вітчизняної політичної думки . 157 ВСТУП Демократичний розвиток України як засвідчила її історія останніх років стає невід`ємним від рівня політичної культури людей – як керівників так і пересічних громадян. У свою чергу високий рівень політичної культури має базуватись на знаннях а не на упередженнях міфах утопічних сподіваннях буденних уявленнях щодо політики форм влади керування...