close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

KHARITONOVSergeev

код для вставкиСкачать
Министерство образования и науки Российской Федерации
Государственное образовательное учреждение
высшего профессионального образования
Санкт-Петербургский государственный университет
аэрокосмического приборостроения
А. А. Харитонов, Т. В. Сергеев, А. В. Зяблицкий
АНАЛОГО-ЦИФРОВОЕ И ЦИФРОАНАЛОГОВОЕ
ПРЕОБРАЗОВАНИЕ РЕЧЕВЫХ СИГНАЛОВ
Учебно-методическое пособие
Санкт-Петербург
2011
УДК 004.93
ББК 32.811.3
Х20
Рецензенты:
кафедра электронных и телевизионных систем Санкт-Петербургского
государственного университета аэрокосмического приборостроения;
профессор О. С. Астратов
Утверждено
редакционно-издательским советом университета
в качестве учебно-методического пособия
Харитонов А. А., Сергеев Т. В., Зяблицкий А. В.
Х20 Аналого-цифровое и цифроаналоговое преобразование речевых
сигналов: учебно-методическое пособие / А. А. Харитонов, Т. В. Сергеев, А. В. Зяблицкий – СПб.: ГУАП, 2011. – 20 с.: ил.
Пособие содержит сведения о теории и практике прямого аналогоцифрового и обратного цифроаналогового преобразования речевых
сигналов в системах подвижной радиосвязи. Рассматриваются физические и теоретические основы их работы, возможности применения, ошибки преобразования, основные параметры преобразования
и связь с функциями, выполняемыми аппаратурой. Изложенный
материал является основой для выполнения лабораторной работы.
Предназначено для студентов, изучающих дисциплину «Устройства преобразования и обработки информации в СПРС» по специальности 210402 «Средства связи с подвижными объектами». Может быть использовано для обучения студентов других радиотехнических специальностей, связанных с цифровым преобразованием
сигналов.
УДК 004.93
ББК 32.811.3
Учебное издание
Харитонов Андрей Александрович
Сергеев Тимофей Владимирович
Зяблицкий Александр Валерьевич
АНАЛОГО-ЦИФРОВОЕ И ЦИФРОАНАЛОГОВОЕ
ПРЕОБРАЗОВАНИЕ РЕЧЕВЫХ СИГНАЛОВ
Учебно-методическое пособие
Редактор А. Г. Ларионова
Верстальщик С. Б. Мацапура
Сдано в набор 01.03.11. Подписано к печати 14.03.11.
Формат 60×84 1/16. Бумага офсетная. Усл. печ. л. 1,25.
Уч.-изд. л. 1,2. Тираж 50 экз. Заказ № 73.
Редакционно-издательский центр ГУАП
190000, Санкт-Петербург, Б. Морская ул., 67
© Санкт-Петербургский государственный
университет аэрокосмического
приборостроения (ГУАП), 2011
© А. А. Харитонов, Т. В. Сергеев,
А. В. Зяблицкий, 2011
ВВЕДЕНИЕ
В современных системах подвижной радиосвязи (СПРС) передача информации осуществляется в основном посредством цифровых
сигналов. Цифровая связь позволяет уменьшать ширину полосы
частот, занимаемой отдельным каналом связи в выделенной полосе
радиочастотного спектра (РЧС), и организовывать большее количество одновременно работающих каналов радиосвязи, обеспечив их
высокую помехозащищенность и достаточное качество принимаемых сигналов. Для речевых сигналов качество – это прежде всего
разборчивость и узнаваемость воспроизводимой речи. Большим достоинством техники цифровой связи является также технологичность и унификация ее элементной базы.
Речь человека проявляется в форме звуков – акустических колебаний окружающей среды. Известно, что диапазон звуковых
частот находится в пределах 20÷20 000 Гц. Диапазон частот спектра речи составляет примерно 100÷7000 Гц. В телефонии СПРС используются частоты от 300 до 3400 Гц. Сужение спектра речевого
сигнала необходимо для снижения потока цифровой информации
и соответственно полосы частот, занимаемой каждым каналом связи. Динамический диапазон уровня интенсивности речи составляет 40÷80 дБ относительно нулевого уровня, близкого к порогу
слышимости. Для преобразования акустического речевого сигнала в аналогичный электрический используются акустоэлектрические преобразователи. В телефонии СПРС – это электромагнитные
или угольные микрофоны. Электрический ток в цепи микрофона
модулируется звуковыми колебаниями и повторяет их форму. На
активных участках речи аналоговый электрический сигнал непрерывен и имеет вид некоторой характерной разнополярной кривой с
квазипериодическими и шумовыми участками.
Аналого-цифровое
преобразование
является
первичной
импульсно-кодовой модуляцией (ИКМ) исходного аналогового сигнала. ИКМ называют еще кодированием формы сигнала, или временным кодированием.
Процесс преобразования складывается из трех операций:
– дискретизации входного сигнала по времени;
– квантования сигнала по уровню;
– кодирования квантованных сигналов.
Эти операции на стороне передающего устройства осуществляют аналого-цифровые преобразователи (АЦП), а на стороне прием3
ника – цифроаналоговые преобразователи (ЦАП). Преобразования
сигналов неизбежно сопровождаются ошибками, что приводит к
потерям полезной информации. Поэтому важно знать природу этих
ошибок с тем, чтобы технически грамотно выбирать систему АЦПЦАП по ее основным параметрам (разрешающей способности, быстродействию, качеству преобразования) и эксплуатировать ее со
знанием физики происходящих процессов.
4
1. Общие вопросы АЦ- и ЦА-преобразований
Дискретизация аналогового сигнала состоит в следующем. Через равные промежутки времени, называемые периодом дискретизации (Тд), в схему АЦП поступают от специального генератора
короткие одинаковые по амплитуде тактовые импульсы длительностью tîò << Tä . Эти импульсы взаимодействуют с исходным
аналоговым сигналом U(t) – осуществляется математическая операция их перемножения. В результате формируется последовательность коротких импульсов, называемых отсчетами, той же
длительности tотс, но с амплитудами, равными мгновенным значениям аналогового сигнала в моменты прихода тактовых импульсов. Полученные отсчеты запоминаются на время Тд до получения
следующего отсчета. В результате формируется последовательность новых импульсов длительностью Тд, называемых выборками
сигнала. Совокупность выборок образует непрерывный сигнал ступенчатой формы, при этом длительность каждой ступеньки равна
Тд, а амплитуда – величине соответствующего отсчета, т.е. мгновенному значению аналогового сигнала в дискретные моменты
времени.
На рис. 1.1, а – г представлен некоторый фрагмент осциллограммы речевого сигнала U(t). Ось времени разделена на отдельные
равные между собой промежутки, длительность которых есть пе1
риод дискретизации. Величина fä =
называется частотой дисTä
кретизации. В моменты дискретизации непрерывная функция U(t)
заменяется «отсчетами» – короткими импульсами, амплитуды которых равны мгновенным значениям функции U(t). Отсчеты преобразуются в «выборки» – импульсы той же амплитуды, но большей
длительности, равной Тд. Амплитуда выборки может быть определена по шкале ординат графика функции U(t).
Чем выше частота дискретизации fд, тем точнее может быть
представлен исходный аналоговый сигнал некоторым ступенчатым
сигналом, состоящим из последовательности выборок. С другой
стороны, величина fд должна быть возможно меньшей, что сокращает число отсчетов и скорость потока бит, несущего информацию
об амплитудах отсчетов.
Теорема Котельникова доказывает, что непрерывную функцию
можно восстановить по ее дискретным значениям, если частота
дискретизации fд будет превосходить наибольшую частоту Fmax
5
¸
6U
6U
¥¼ÆÇ»¾ÆÆǾ
ÀƹоÆÁ¾6U
U
¹
J
ª½
4 Ë J «¹ÃËÇ»ÔÂÁÅÈÌÄÕÊ
ªË
4 Ë J
DPOTU
U
J
4 ÇË J º
§ËÊоË
4 ÇË ¬ÉÇ»¾ÆÕ
û¹ÆËÇ»¹ÆÁØ
U
J
±Ã¹Ä¹
½ÁÊÃÉÁËÁÀÁÉÇ»¹ÆÆǼÇ
ÊÁ¼Æ¹Ä¹
E
±Ã¹Ä¹
û¹ÆËÇ»¹ÆÁØ
s
J
4 Çѽ
s
s
U
4½ J
›ÔºÇÉù
»
4 ÇÑû
Рис. 1.1. Процесс дискретизации и квантования аналогового сигнала:
а – исходный аналоговый сигнал; б – тактовые импульсы; в – импульсыотсчеты; г – дискретизированный ступенчатый сигнал
6
спектра функции более чем в два раза. Если условие fд > 2Fmax не
выполняется, то в спектре восстановленного сигнала появляются
«псевдонимы» – гармонические составляющие с частотами меньшими, чем Fmax, искажающие форму исходного сигнала. В телефонии СПРС максимальная частота спектра речевого сигнала
Fmax=3400 Гц. В связи с этим принято, что fд=8000 Гц, а соответ1
1
=
= 125 ìêñ.
fä 8000
Поскольку выборки сохраняют свою величину на все время Тд, а
мгновенное значение аналогового сигнала U(t) непрерывно изменяется, то равенство величин этих сигналов существует только в моменты формирования отсчетов. За время Тд растет разность между
выходным дискретизированным сигналом Sд(i) и входным U(t).
Эта разность ±ΔSош.д(t)=Sд(i)–U(t) называется ошибкой дискретизации и является функцией времени. В моменты формирования отсчетов ошибки равны нулю и нарастают по абсолютной величине
за период дискретизации Тд. Таким образом, частота повторения
«импульсов ошибок» равна частоте дискретизации fд. В спектре
сигнала ошибок есть звуковая и высокочастотные составляющие,
которые должны подавляться фильтром нижних частот (ФНЧ) при
демодуляции, т. е. при восстановлении аналогового сигнала.
Речевой сигнал U(t) – достаточно неопределенная функция времени, поэтому амплитуды выборок ступенчатого сигнала, полученного в результате дискретизации, могут иметь любые значения (от
+Umax до Umax), соответствующие мгновенным значениям сигнала
ствующий период дискретизации Tä =
U(t). Иначе говоря, таких значений может быть множество. Чтобы отобразить аналоговый сигнал определенным конечным количеством чисел, сигнал после дискретизации подвергается квантованию по величине. При квантовании выборки с различными амплитудами сравниваются с некоторыми эталонными отсчетными
уровнями, отстоящими друг от друга на шаг квантования (d). В результате сигнал, полученный после дискретизации, меняет высоту
своих ступенек, которые становятся равными значениям ближайших к ним уровней квантования.
Таким образом, сигнал после квантования является по форме
также ступенчатым, но высота его ступенек соответствует ближайшим уровням квантования, и сам он отличается от сигнала после
дискретизации на величину ошибки квантования ΔSош.кв(i), которая не превышает половины шага квантования (d/2) (рис. 1.2):
7
›ÔÎǽÆÇÂû¹ÆËÇ»¹ÆÆÔÂÊÁ¼Æ¹Ä
4û J
¬ÉÇ»ÆÁû¹ÆËÇ»¹ÆÁØ
›ÎǽÆÇÂ
½ÁÊÃɾËÁÀÁÉÇ»¹ÆÆÔÂ
ÊÁ¼Æ¹Ä
4½ J s
s
s
s
s
s
E
ÇƹǼɹÆÁоÆÁØ
ÇƹǼɹÆÁоÆÁØ
Çƹû¹ÆËÇ»¹ÆÁØ
Рис. 1.2. Равномерная характеристика квантования
ΔSош.кв(i)=[Sкв.д(i)– Sд(i)]<d/2,
где Sкв.д(i) – квантованное значение сигнала; Sд(i) – значение дискретизированного сигнала до квантования. Количество уровней
квантования ограничено количеством чисел, выделяемых для их
оцифровки, которое в свою очередь зависит от принятой разрядности чисел. Экспериментально установлено, что для оцифровки
уровней речевого сигнала достаточно использовать 8-разрядные
(М=8) двоичные числа, наибольшее из которых равно 255. В 8-м
разряде бит (1 или 0) используется для обозначения знака числа
(+ или –), биты семи младших разрядов представляют само двоичное число. Например, использование только битовых единиц
соответствует десятичному числу +127, ноль в 8-м
разряде
дает число –127.
Вторая ось ординат (см. рис. 1.1) с отсчетными уровнями от –127
до +127 разделена на 254 равных отрезка (кванта) и является как
бы «мерной линейкой», с которой сравниваются амплитуды выборок дискретизированного сигнала. В реальных АЦП сравнение производится не с линейкой, а с набором эталонных значений напря8
жений, образующих уровни квантования. Существует несколько
методов сравнения, из которых наиболее применимы следующие:
– метод последовательного счета (последовательные АЦП);
– метод считывания (параллельные АЦП);
– метод поразрядного кодирования (универсальные АЦП).
Эти методы различаются быстродействием, сложностью реализующей схемы и видом кода выходного сигнала (параллельный или
последовательный). В любом случае выборки дискретизированного сигнала приобретают величины, соответствующие ближайшим
уровням квантования.
Кодирование сигнала заключается в том, что каждой квантованной выборке присваивается двоичное 7-разрядное число, соответствующее уровню квантования. Это число выражается кодовой
последовательностью импульсов, поступающих на выход АЦП.
Таким образом, процесс преобразования сигнала основан на сравнении мгновенных значений дискретизированного аналогового
сигнала (выборок) с набором эталонных значений уровней квантования с последующим импульсным кодированием числовых значений величин квантованного сигнала. Цифроаналоговое преобразование решает задачу восстановления исходного аналогового сигнала Uвх(t) по кодированной последовательности чисел, дискретно
отображающей этот сигнал.
Порядок восстановления обратен по отношению к преобразованию аналогового сигнала в АЦП. Цифроаналоговый преобразователь преобразует цифровые импульсно-кодовые комбинации в
выборки положительной и отрицательной полярности, которые
также запоминаются. В результате формируется сигнал ступенчатой формы, повторяющий дискретизированный квантованный
сигнал на выходе квантователя АЦП. Для «сглаживания» этот сигнал пропускается через ФНЧ с частотой среза несколько большей,
чем Fmax спектра исходного сигнала. ФНЧ подавляет паразитные
высокочастотные составляющие спектра ступенчатого сигнала. На
выходе ФНЧ ЦАП получается восстановленный сигнал Uвых(t),
близкий по форме к входному сигналу Uвх(t). Различие между
этими сигналами определяется качеством преобразования сигналов в тракте АЦП-ЦАП и характеризуется ошибкой преобразования
ΔUош.пр(i)=Uвых.ЦАП(t)–Uвх.АЦП(t),
составляющими этой ошибки являются ошибки дискретизации и
квантования АЦП.
9
2. Проведение лабораторной работы
Цель работы: изучение процесса и качества аналого-цифрового
и цифроаналогового преобразования электрического сигнала в системе АЦП-ЦАП.
2.1. Схема системы АЦП-ЦАП
На рис. 2.1 представлена схема системы АЦП-ЦАП, предназначенная для исследования процесса и параметров преобразования
сигналов с помощью программы схемотехнического моделирования MicroCAP.
Источник (U2) создает первичные аналоговые гармонические
сигналы с заданной частотой, которые поступают на вход АЦП.
От источника тактовых импульсов (U1) на другой вход АЦП с частотой дискретизации поступает последовательность коротких
тактовых импульсов. На выходе АЦП формируется параллельный
импульсный поток двоичных чисел с максимальной разрядностью
16. По соответствующим связям потоки импульсов, кодирующие
аналоговый сигнал, поступают на вход ЦАП. На выходе ЦАП образуется восстановленный ступенчатый сигнал, который, проходя
через сглаживающий фильтр (X1), приобретает форму, близкую к
форме входного гармонического сигнала.
2.2. Исследование влияния частоты дискретизации
на форму и параметры преобразованного сигнала
Исследования проводятся при входном гармоническом сигнале
с частотой F=1100 Гц, которая находится в спектре речевого сигнала, не кратна применяемым частотам дискретизации и удобна для
проводимых исследований.
Частота дискретизации Fд задается в широких пределах изменения (от 500 до 40 000 Гц), при этом условие Fд>2F не всегда
выполняется. В связи с этим следует обратить внимание на форму
восстановленного сигнала и параметры преобразования в двух областях частот при Fд>2F и Fд<2F. Сигнал снимается с точки OUT1
(см. рис. 2.1).
2.2.1. Из программы MicroCAP открыть файл AD16 LAB_0.CIR,
находящийся в папке Lab (:\mc8\DATA\Lab\).
10
11
$POWFSU
*O
*O
*O
*O
*O
*O
*O
*O
*O
*O
*O
*O
*O
*O
*O
*O
*O
*O
*O
*O
*O
*O
*O
*O
*O
*O
0VU
›ÇÊÊ˹ÆǻľÆÆÔ 065
ÊÁ¼Æ¹Ä
9
K ( p) 2
p W0 p
1
2
W 0
Q
W0
2
¨¾É¾½¹ËÇÐƹØ
ÍÌÆÃÏÁØÍÁÄÕËɹ
1JO
"
1JO
#
­ÁÄÕËÉÆÁ¿ÆÁÎйÊËÇË
065
›ÔÎǽ¯™¨
(OE
¯™¨
3FG
V ¡ÊËÇÐÆÁÃ
› ÇÈÇÉÆǼÇƹÈÉØ¿¾ÆÁØ
£¹Æ¹ÄÔ
ȹɹÄľÄÕÆǼÇ
0WFS
SBOHF Ãǽ¹ÊÁ¼Æ¹Ä¹
¥Ä¹½ÑÁÂɹÀÉؽ
#
#
#
#
#
#
#
#
#
#
#
#
#
#
#
ªË¹ÉÑÁÂɹÀÉؽ
#
4UBUVT
Рис. 2.1. Схема цифрового преобразователя сигналов
0VU
0VU
0VU
0VU
›Îǽ
0VU
ÁÊÎǽÆÔÂÊÁ¼Æ¹Ä
0VU
*/
*O 0VU
0VU
¡ÊËÇÐÆÁÃ
6
0VU
ÊÁ¼Æ¹ÄÇ»
0VU
0VU
0VU
0VU
0VU
0VU
0VU
(OE
¡ÊËÇÐÆÁÃ
˹ÃËÇ»ÔÎÁÅÈÌÄÕÊÇ»
6
™¯¨
3FG
7 › ¡ÊËÇÐÆÁÃ
ÇÈÇÉÆǼÇƹÈÉØ¿¾ÆÁØ
2.2.1. Установить частоту генератора U2 равной 1100 Гц (для
этого: два щелчка мыши по генератору U2, слева внизу в поле «F»
установить его частоту).
2.2.3. Установить частоту дискретизации Fд, задаваемую
для АЦП генератором U1, равной 500 Гц (для этого: два щелчка мыши по генератору U1, в верхнем окне выбрать параметр
Command=convert1, в нижнем окне в двух последних строках задать время импульса tи и время паузы tп, в сумме дающие период
дискретизации Тд, пусть tи = tп. В десятичных дробях вместо запятой используется точка, например: 0,01 мкс обозначается как
0.01uS; символ «u» обозначает микро).
2.2.4. Запустить анализ работы схемы во временной области
(для этого: меню => Анализ (Analysis) => Переходные процессы
(Transient)). В появившемся окне параметров анализа активировать первые три графика, вписав каждому 1 в поле «Р», остальные
три должны быть пустыми, или сделать то же при помощи правой
кнопки мыши. Нажать кнопку «пуск» (Run).  Полученный график
иллюстрирует работу схемы во временной области; на нем красный
сигнал – исходный (точка IN), черный сигнал – восстановленный
по результатам аналого-цифрового преобразования (точка OUT1),
синий сигнал – от тактового генератора U1 (точка Convert). Следует оценить возможность использовать устанавливаемую частоту
дискретизации для аналого-цифрового преобразования сигнала
F=1100 Гц, вывод занести в табл. 1.
Таблица 1
Результаты оценки искажений сигнала F=1100 Гц
при заданных частотах дискретизации
Частота Возможность испольМакси- Средний Частота основ- Число значидискре- зования данной Fд для мальная период ной гармоники мых дополнитизации АЦ-преобразования ис- величина ошибвыходного
тельных
Fд, Гц ходного сигнала, да / нет ошибки, В ки, мкс сигнала, Гц
гармоник
500
1000
2000
4000
10 000
20 000
40 000
12
2.2.5. Вызвать окно параметров анализа, нажав F9. Активировать
четвертый график, поставив 2 в его поле «Р», соответственно при
запуске результат моделирования должен отобразиться на следующем графике. Нажать кнопку «пуск» (Run). Полученный график
показывает значение ошибки сигнала, полученного после аналогоцифрового преобразования и восстановления; она определяется как
разность между исходным и преобразованным сигналом.  По графику определить максимальную величину ошибки, а также среднее
значение периода ее повторения, результат занести в табл. 1.
2.2.6. Вызвать окно параметров анализа, нажав F9. Деактивировать первые четыре графика, удалив из каждого в поле «Р» 1 или
2, можно сделать то же при помощи правой кнопки мыши. Активировать пятый и шестой графики, поставив 1 в их поля. Нажать
кнопку «пуск» (Run). Полученный график иллюстрирует влияние
соотношения частоты дискретизации и верхней частоты в спектре
сигнала на его частотный состав после аналого-цифрового преобразования и восстановления; на нем красный сигнал – исходный
(соответствует 1100 Гц), черный сигнал – спектр восстановленного
сигнала по результатам аналого-цифрового преобразования.  Определить частоту основной гармоники восстановленного сигнала и
число дополнительных гармоник, считая значимыми гармоники с
уровнем выше 5% от уровня основной гармоники, полученные результаты занести в табл. 1.
2.2.7. Выйти из режима анализа, нажав кнопку F3. По указанной выше методике установить частоту дискретизации Fд, равную
1000 Гц. Провести те же исследования, полученные результаты занести в табл. 1.
2.2.8. Провести те же исследования для всех частот, указанных
в табл. 1, полученные результаты занести в табл. 1.
2.2.9. Закрыть файл AD16 LAB_0.CIR, не сохраняя изменений.
2.3. Изучение кодирования сигнала,
преобразованного АЦП
Исследования проводятся при входном гармоническом сигнале
с различными частотами F=1100; 2200; 4400 Гц, которые находятся в спектре речевого сигнала, не кратны применяемой частоте дискретизации и удобны для проводимых исследований. Сигнал снимается с точки OUT1 и в каналах параллельного кода сигнала (см.
рис. 2.1).
13
2.3.1. Для работы со схемой (см. рис. 2.1) открыть файл AD16
LAB_1.CIR, находящийся в папке Lab (:\mc8\DATA\Lab\).
2.3.2. Установить частоту генератора U2 равной 1100 Гц (для
этого: два щелчка мыши по генератору U2, слева внизу в поле F
установить его частоту).
2.3.3. Установить частоту дискретизации Fд, задаваемую для
АЦП генератором U1, равной 10 кГц (для этого: воспользоваться
рекомендациями из п. 2.2.3).
2.3.4. Запустить анализ схемы (для этого: меню => Анализ =>
Переходные процессы). В появившемся окне параметров анализа должны быть активированы все графики: первые три графика
в поле «Р» должны иметь 1, остальные должны иметь 2. Нажать
кнопку «пуск» (Run).  Полученный верхний график иллюстрирует работу схемы во временной области, на нем: красный сигнал –
исходный, черный сигнал – восстановленный по результатам
аналого-цифрового преобразования, синий сигнал – от тактового
генератора U2; нижний график показывает логические уровни сигнала в каналах параллельного кода сигнала (см. рис. 2.1) – от младшего до старшего разряда (номера разрядов показаны слева от оси
ординат).
2.3.5. Одно из полученных по верхнему графику значений амплитуды от первого до N-го отсчета занести в табл. 2. Полученные по
нижнему графику логические уровни сигнала (1 или 0) поразрядно
(от младшего разряда к старшему) для соответствующего выбранного отсчета восстановленного сигнала также занести в табл. 2.
Таблица 2
Результаты представления сигнала, преобразуемого
с помощью АЦП, в виде двоичного кода
Частота
№
Амплитуда
сигнала,
отсчета отсчета, В
Гц
1100
2200
4400
Десятичное число, Логические уровни сигнала для
соответствующих разрядов,
соответствующее
1 или 0
двоичному коду
отсчета
В0 В1 В2
… В14 В15
1…N
1…N
1…N
2.3.6. Выйти из режима анализа, нажав кнопку F3. Установить
частоту генератора U2 равной 2200 Гц в соответствии с рекомендациями п. 2.3.2. Провести необходимые измерения в соответствии с
пп. 2.3.4, 2.3.5, полученные данные занести в табл. 2.
14
2.3.7. Выйти из режима анализа, нажав F3. Установить частоту генератора U2 равной 4400 Гц в соответствии с рекомендациями п. 2.3.2. Провести необходимые измерения в соответствии с
пп. 2.3.4, 2.3.5, полученные данные занести в табл. 2.
2.3.8. Закрыть файл AD16 LAB_1.CIR, не сохраняя изменений.
2.4. Исследование влияния разрядности квантования
на параметры сигнала, преобразованного с помощью АЦП
Исследования проводятся при входном гармоническом сигнале с частотами F=8000 и 16 000 Гц, которые находятся в спектре
речевого сигнала, не кратны применяемой частоте дискретизации
и удобны для проводимых исследований. Число разрядов квантования изменяется от 16 до 1. Сигнал снимается с точки OUT1 и в
каналах параллельного кода сигнала (см. рис. 2.1).
2.4.1. Для работы со схемой (см. рис. 2.1) открыть файл AD16
LAB_2.CIR, находящийся в папке Lab (:\mc8\DATA\Lab\).
2.4.2. Установить частоту генератора U2 равной 1100 Гц (для
этого: два щелчка мыши по генератору U2, слева внизу в поле F
установить значение его частоты).
2.4.3. Установить частоту дискретизации Fд, задаваемую генератором U1, равную 8 кГц (для этого: воспользоваться рекомендациями из п. 2.2.3).
2.4.4. Запустить анализ схемы (для этого: меню => Анализ =>
Переходные процессы). В появившемся окне параметров анализа
должны быть активированы все графики: первые три графика в
поле «Р» должны иметь 1, четвертый – 3, остальные – 2. Нажать
кнопку «пуск» (Run). Полученный верхний график иллюстрирует работу схемы во временной области, на нем: красный сигнал –
исходный, черный сигнал – восстановленный по результатам
аналого-цифрового преобразования, синий сигнал – от тактового
генератора U1; средний график показывает логические уровни
сигнала в параллельном канале данных – от младшего до старшего
разряда (номера разрядов показаны слева от оси ординат); нижний
график показывает значение абсолютной ошибки полного преобразования, полученной после аналого-цифрового преобразования
и восстановления сигнала, она определяется как абсолютная разность между входным исходным и выходным преобразованным
сигналом.
15
2.4.5. По верхнему графику определить количество отсчетов,
приходящихся на один период восстановленного сигнала для 16
разрядов квантования, результат занести в табл. 3. По нижнему
графику определить среднее и максимальное значения ошибки,
результат занести в табл. 3. Оценить возможность использования
данной разрядности квантования для аналого-цифрового преобразования, вывод занести в табл. 3.
Таблица 3
Результаты исследования влияния разрядности квантования
на параметры сигнала, преобразованного с помощь АЦП
Частота
дискретизации
Fд, Гц
8000
16 000
Количество
Число отсчеМаксиСредняя
Возможность
используетов, прихомальная амплитуда использования
мых разрядов дящихся на амплитуда абсолютной данной разрядквантования один период абсолютной ошибки, В ности квантова(оставшиеся восстановлен- ошибки, В
ния, да / нет
разряды)
ного сигнала
16 (В0–В15)
14 (В2–В15)
12 (В4–В15)
10 (В6–В15)
8 (В8–В15)
6 (В10–В15)
5 (В11–В15)
4 (В12–В15)
3 (В13–В15)
2 (В14–В15)
1 (В15)
16 (В0–В15)
14 (В2–В15)
12 (В4–В15)
10 (В6–В15)
8 (В8–В15)
6 (В10–В15)
5 (В11–В15)
4 (В12–В15)
3 (В13–В15)
2 (В14–В15)
1 (В15)
2.4.6. Выйти из режима анализа, нажав F3. Уменьшить число
разрядов квантования. С этой целью следует удалить из схемы (см.
16
рис. 2.1) проводники, соединяющие выход АЦП и вход ЦАП, соответствующие тем разрядам квантования, от которых необходимо
избавиться в соответствии с табл. 3 (для этого: выделив ненужный
проводник с помощью курсора мыши (он «подсветится»), нажать
один раз левую клавишу, затем нажать кнопку Delete).
2.4.7. Повторить измерения в соответствии с пп. 2.4.5 и 2.4.6 для
всех вариантов числа уровней квантования, указанных в табл. 3.
2.4.8. Восстановить все удаленные проводники, нажав необходимое число раз совместно кнопки Ctrl и Z или значок отката на
панели инструментов.
2.4.9. Установить величину частоты дискретизации Fд, задаваемую для АЦП генератором U1, равную 16 кГц (для этого: воспользоваться рекомендациями из п. 2.2.3).
2.4.10. Повторить измерения для данной частоты дискретизации
в соответствии с пп. 2.4.4 – 2.4.7, результаты занести в табл. 3.
2.4.11. Закрыть файл AD16 LAB_2.CIR, не сохраняя изменений.
3. Расчетная часть
3.1. По данным табл. 1 определить, какое значение частоты дискретизации является минимально допустимым при используемом
способе восстановления сигнала после аналого-цифрового преобразования. Сравнить это значение с теоретическим значением, соответствующим теореме Котельникова (условию Найквиста).
3.2. По данным табл. 1 на одной координатной плоскости построить графики зависимости величины максимальной амплитуды ошибки и величины средней амплитуды ошибки от величины
частоты дискретизации.
3.3. По данным табл. 1 построить график зависимости числа
значимых дополнительных гармоник от величины частоты дискретизации.
3.4. По данным табл. 1 отметить, при какой минимальной частоте дискретизации частота основной гармоники восстановленного
сигнала начинает совпадать с частотой исходного сигнала.
3.5. По данным табл. 2 для каждого отсчета рассчитать десятичное значение, соответствующее двоичному коду отсчета, результат
занести в табл. 2. Сравнить полученные значения со значениями
измеренных амплитуд отсчетов.
17
3.6. По данным табл. 2 сделать вывод о том, какие разряды (от
В0 до В15) являются значимыми при аналого-цифровом преобразовании исходного сигнала, а какие нет при заданных частотах сигнала и частоте дискретизации.
3.7. По данным табл. 3 построить на одной координатной плоскости графики зависимости величины максимальной амплитуды
ошибки и величины средней амплитуды ошибки от величины числа используемых разрядов квантования для соответствующих частот дискретизации.
3.8. По данным табл. 3 построить на одной координатной плоскости графики зависимости величины числа отсчетов, приходящихся на один период восстановленного сигнала, от величины
числа используемых разрядов квантования для соответствующих
частот дискретизации.
3.9. Сделать вывод о том, как связаны минимально необходимые величины частоты дискретизации и разрядности АЦП с амплитудой и частотой сигнала. Ответить на вопрос: есть ли взаимозависимость между минимально необходимой величиной частоты
дискретизации и минимально необходимой величиной разрядности АЦП?
4. Содержание отчета
1. Формулировка цели работы.
2. Схемы, таблицы с результатами измерений.
3. Графики зависимостей исследуемых цепей.
4. Анализ полученных результатов, необходимые расчеты, ответы на вопросы и выводы по работе.
5. Контрольные вопросы
1. В чем состоят достоинства цифровой передачи сигналов?
2. Какой диапазон звуковых частот спектра речи используется
в телефонии?
3. Из каких составляющих состоит процесс аналого-цифрового
преобразования?
4. Какие названия (термины) соответствуют понятию «импульсно-кодовая модуляция»?
18
5. Какова цель данной работы?
6. В чем состоит процесс дискретизации исходного аналогового
сигнала?
7. Что такое период (частота) дискретизации, чем отличаются
между собой «отсчеты» и «выборки»?
8. Какова форма сигнала после дискретизации?
9. Чем определяется выбор частоты дискретизации, какие частоты используются в АЦП различного назначения? 
10. Что такое «ошибка дискретизации», как она изменяется во
времени?
11. В чем состоит и почему необходим процесс квантования дискретизированного сигнала?
12. Что такое «шаг квантования» и «уровень квантования»; чем
определяется количество уровней и величина шага квантования?
13. Двоичные числа скольких разрядов используются для оцифровки в СПРС, какое количество уровней квантования соответствует этим числам?
14. Что такое «характеристика квантования», какого вида используется характеристика в ИКМ речевых сигналов?
15. Как выглядит сигнал после квантования, чем он отличается
от сигнала после дискретизации?
16. В чем состоит процесс цифроаналогового преобразования;
какова роль фильтра, включаемого на выходе ЦАП?
19
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В результате изучения пособия и выполнения сопутствующей
лабораторной работы студенты получают знания по теории и практике АЦП и ЦАП, учатся анализировать погрешности преобразования, проводить оценку возможностей применения преобразователей для цифровой аппаратуры различного назначения. Изучение
пособия и выполнение лабораторной работы должно сочетаться с
изучением лекционного материала по программе дисциплины и
обязательным самоконтролем по вопросам, приведенным в учебнометодическом пособии.
Литература
Волович Г. И. Схемотехника аналоговых и аналогово-цифровых
электронных устройств. –М.: Додэка-XXI, 2005. – 528 с.
Ковалгин Ю. А., Вологдин Э. И. Цифровое кодирование звуковых сигналов. – СПб.: КОРОНА принт, 2004. – 234 с.
Смит С. В. Научно-техническое руководство по цифровой обработке сигналов 1997–1999. www.autex.spb.ru (дата обращения:
28.01.11).
Содержание
Введение.................................................................................... 1. Общие вопросы АЦ- и ЦА-преобразований.................................. 2. Проведение лабораторной работы............................................... 3. Расчетная часть....................................................................... 4. Содержание отчета................................................................... 5. Контрольные вопросы.............................................................. Заключение............................................................................... Литература................................................................................ 20
3
5
10
17
18
18
20
20
Документ
Категория
Без категории
Просмотров
0
Размер файла
500 Кб
Теги
kharitonovsergeev
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа