Transcript DSS (1)
Diskrétne a číslicové spracovanie signálov Kategorizácia signálov: Delenie signálov podľa fyzikálnej veličiny: - Mechanické - Optické - Chemické - Biologické - Elektromagnetické .... Delenie signálov podľa vnemu: - Akustické - Optické - Chuťové - Čuchové .... Delenie signálov podľa definičného oboru: 1) spojité (v čase a v hodnote) 2) diskrétne (v čase a v hodnote) Signál spojitý v čase – je definovaný pre všetky časové okamihy Signál diskrétny v čase – je definovaný len pre určité časové okamihy Signál spojitý v hodnote (so spojitou amplitúdou) – sledovaná veličina môže nadobúdať ľubovoľné hodnoty Signál diskrétny v hodnote (s nespojitou amplitúdou) – sledovaná veličina môže nadobúdať iba určité hodnoty Delenie signálov podľa charakteru v časovej oblasti a) Deterministické - hodnotu fyzikálnej veličiny možno určiť s absolútnou istotou v každom časovom okamihu (100 % pravdepodobnosťou) – existuje matematický model signálu (funkcia) b) Stochastické – hodnotu fyzikálnej veličiny možno určiť každom časovom okamihu len s pravdepodobnosťou menšou ako 100 %. - pracujú iba so štatistickými veličinami (stredná hodnota, medián, stredná kvadratická odchýlka,....) Kauzálny (príčinný) signál – signál, ktorý má až do svojho začiatku nulovú hodnotu Nekauzálny signál - nespĺňa podmienku kauzality Základné charakteristiky deterministických signálov Stredná hodnota spojitého signálu časovom intervale t1, t2 : t2 f 1 t2 t1 f t dt t1 Stredná hodnota diskrétneho signálu signálu časovom intervale t1, t2 : f 1 N N f tk k 1 kde N je počet diskrétnych hodnôt a Fluktuácia signálu: tk t1, t2 f t f t f Energia spojitého signálu časovom intervale t1, t2 : t2 e f t dt 2 t1 Energia diskrétneho signálu časovom intervale t1, t2 : N e f tk 2 k 1 Výkon spojitého signálu časovom intervale t2 P 1 t2 t1 t1 f t dt 2 t1, t2 : Delenie signálov podľa charakteru zmien veličiny: a) Periodické b) Neperiodické Spojitý periodický signál: f (t nT ) f (t ) Diskrétny periodický signál: f (tk N ) f (t ) Spracovanie analógového signálu - Fourierov rozvoj signálu - Fourierova transformácia signálu Prechod od analógového signálu k digitálnemu. Základné kroky: 1. Vzorkovanie signálu - konverzia signálu spojitého v čase na signál diskrétny v čase vytvorením vzoriek z analógového signálu diskrétnou časovou konštantou. T - periódou vzorkovania. Signál x(t) je vstupným signálom do vzorkovača a výstupný signál je x[nT] = x[n] 2. Kvantovanie signálu - konverzia signálu diskrétneho v čase so spojitými hodnotami na signál diskrétny v čase s diskrétnymi hodnotami. - Hodnota každej vzorky signálu je reprezentovaná hodnotou vybranou z konečnej množiny hodnôt. - Rozdiel medzi nekvantovanou vzorkou x[n] a kvantovanou výstupnou vzorkou xkv[n] sa nazýva chyba kvantovania. 3. Kódovanie signálu – proces v rámci ktorého je každej diskrétnej hodnote signálu xkv[n] priradená kódová skupina. Analógový signál • je spojitý v čase a v amplitúde • môže nadobúdať nekonečný počet reálnych hodnôt amplitúdy Diskrétny (v čase) • je diskrétny v čase t=nT (T – interval diskretizácie) • môže nadobúdať nekonečný počet hodnôt amplitúd Vzorkovacia teoréma, ideálne vzorkovanie (časové a frekvenčné priebehy). Každý časový priebeh x(t), ktorého modulové frekvenčné spektrum je frekvenčne zhora obmedzené kruhovou frekvenciou m 2 fm (nad touto frekvenciou je modulové frekvenčné spektrum spojitého signálu nulové) definované X ... 0 pre m pre m je jednoznačne určený svojimi hodnotami odoberanými v rovnomerných časových intervaloch T 1 2 fm kde T je perióda vzorkovania. Vzorkovanie frekvenčne obmedzeného signálu pod Niquistovou rýchlosťou. fv 2 fm Ak frekvenčne obmedzený signál je vzorkovaný rýchlosťou menšou než je Nyquistova rýchlosť, potom je tvar FT vzorkovaného signálu v rozsahu , skreslený vzhľadom na FT pôvodného signálu. Toto skreslenie, ktoré sa nazýva aliasing, je spôsobené prekrytím jednotlivých spektier. Pomocou DP filtra s pásmom prepúštania v 2 0, potlačíme časť modulového frekvenčného spektra X() analógového signálu Typy signálov Diskrétny (v čase aj amplitúde) • hodnoty amplitúdy nadobúdajú niektorú z konečného počtu hodnôt • sú akoby „zaokrúhlené“ Digitálny signál • slúži na reprezentáciu hodnôt diskrétneho signálu vyjadrených najčastejšie v binárnom tvare • slúži na prenos postupností „0“ a „1“ Proces zmeny analógového signálu na digitálny 1. vzorkovanie 2. kvantovanie 3. kódovanie 1. krok - vzorkovanie Vzorkovanie • odoberanie hodnôt analógového signálu v pravidelných časových okamihoch t = nTvz , n = 0,1,2,3, ... • Tvz – diskretizačná perióda (perióda vzorkovania) • Fvz = 1/Tvz - frekvencia vzorkovania (sampling freq. Fs) • Fvz – vyjadruje počet vzoriek odobratých za 1s Td 2Td 3Td 4Td 5Td … t [s] 1. krok - vzorkovanie Nyquistova podmienka Voľba Fvz Fvz > 2Fmax |A(f)| spektrum signálu Fmax f [Hz] 1. krok - vzorkovanie Vzorkovanie 1. druhu (PAM 1) • v časovej oblasti vzorkovací impulz „kopíruje“ tvar signálu • vo frekvenčnej oblasti nedochádza k skresleniu spektra pôvodného signálu • pri dodržaní podmienky pre voľbu Fvz je možné získať pôvodný signál pomocou DP filtra 1. krok - vzorkovanie Vzorkovanie 2. druhu (PAM 2) • v časovej oblasti vzorkovací impulz „drží“ hodnotu signálu • vo frekvenčnej oblasti dochádza k skresleniu spektra pôvodného signálu • skreslenie je tým menšie čím užší je vzorkovací impulz 1. krok - vzorkovanie • vzorkovanie 1. druhu je vhodnejšie z hľadiska realizácie vzorkovacích obvodov Tvz • v praxi sa používa vzork. 2. druhu kvôli následnému kroku – kvantovaniu • v praxi sa volí Fvz Fvz = (1,05 až 1,2)*2fmax vzhľadom na strmosť DP filtrov použitých na rekonštrukciu signálu 2. krok - kvantovanie Kvantovanie • Kvantovanie predstavuje diskretizáciu signálu v amplitúde • Kvantovaný signál môže nadobúdať iba jednu z konečného počtu hodnôt • Počet hodnôt je daný dynamickým rozsahom signálu a počtom bitov na vzorku Predpokladajme, že x(t) (a teda aj xvz(t)) je ohraničený zhora aj zdola podľa vzťahu: xmin x(t) xmax Potom celý dynamický rozsah (DR) signálu (xmax - xmin) môžme rozdeliť na N kvantizačných úrovní N = 2n 2. krok - kvantovanie Lineárny kvantizátor • dynamický rozsah sa rozdelí na N rovnako vzdialených úrovní • - veľkosť kvantizačného kroku ( = DR / N, N = 2n) • maximálna hodnota chyby kvantizácie je /2 2. krok - kvantovanie Prevodová charakteristika linárneho kvantizátora • x – veľkosť vsupnej vzorky, y – veľkosť kvantovanej vzorky • 8 kvantových úrovní (3 bity), zobrazená je situácia pre kladné hodnoty vzoriek • 1. bit zľava znamienkový – určuje polaritu vzorky • situácia je obdobná pre záporné vzorky, zmení sa znamienkový bit y 7Δ/2 011 5Δ/2 010 3Δ/2 001 Δ/2 000 Δ 2Δ 3Δ x 2. krok - kvantovanie Parametre lineárneho kvantizátora • Charakteristický parameter kvantizátora - SNRkv SNRkv 10 log Ps [dB] Pkv • Ps – stredný výkona signálu, Pkv – stredný výkon kvantizačného šumu • Ak uvažujeme jednotkovú záťaž (R=1Ω) na výstupe kvantizátora, dá sa dokázať, že 2 Pkv 12 • Ak uvažujeme dynamický rozsah signálu -4xef až +4xef (pre praktické účely postačujúci), platí: SNRkv 6n 7,2 [dB] • t.j. zvýšenie n o 1 bit zvýši SNRkv o 6dB 2. krok - kvantovanie Nelineárne kvantovanie • dynamický rozsah sa rozdelí na N úrovní ale nie je konšt. • vzorky s nižšou amplitúdou sú kvantované presnejšie z dvoch dôvodov: 1. sú početnejšie 2. väčšou mierou prispievajú ku kvant. skresleniu • realizuje sa formou kompresie signálu v čase • používajú sa nelineárne funkcie A-zákon (EU), μ – zákon (USA, Japan) • umožňujú dosiahnuť porovnateľný SNR ako lineárny kvantizátor pri menšom počte úrovní a teda aj počte bitov na vzorku y ln(1 x ) ln(1 ) pre0 x 1 krivka sa zvykne aproximovať po úsekoch lineárnou krivkou pre 8 bitové kvantovanie (iba kladná časť, pre zápornú platí to isté): • výstupná oblasť sa rozdelí na 8 rovnakých úsekov, ktoré delia vstupnú oblasť na 8 nerovnakých úsekov • v každom vstupnom úseku lineárne kvantujeme použijúc 4 bity (16 úrovní) • t.j. 8 * 16 = 128 úrovní, keď pridáme zápornú časť -> 256 = 28 • 1 bit udáva polaritu vzorky • 3 bity udávajú jeden z 8 segmentov, kde vzorka leží • 4 bity identifikujú kvantizačnú úroveň v danom segmente 3. krok - kódovanie Kódovanie • kvantovaným vzorkám sa priradzujú binárne hodnoty • priradzovanie môže byť rovnomerné alebo nie • častejšie vyskytujúcim sa vzorkám môžu byť priradené kratšie kódové slová – nerovnomerné kódy • Grayov kód – susedné vzorky sa líšia v jednom bite, minimalizuje sa tým vplyv chyby spôsobenej prenosom Obvody so spínanými kapacitormi Aplikácie : kmitočtová filtrácia, nelineárne spracovanie signálu, analógovo-číslicová konverzia Ideálne prvky: - Spínač - Kapacitor - Nezávislý zdroj napätia - Zdroj riadený napätím - Operačný zosilovač U1 Spínač 1 zopnutý, spínač 2 rozopnutý: Q1 CU1 Spínač 2 zopnutý, spínač 1 rozopnutý: Q2 CU2 Q1 Q1 Q2 C U1 U2 Stredný prúd počas periódy T: I Q C U1 U 2 T T