Transcript مشاهده فایل
بخش دوم
تبدیل آنالوگ به دیجیتال
Autor:Seyed Mohammad Reza Razavizadeh
Slide 1
تشریح پروتوکل مخابراتی مابین صفحه کلید یا کی بورد) (ATو PCدر
انتقال داده
تبادل اطالعات بین کی بورد و کیس یک کامپیوتر را میتوان
نمونه ائی از یک سیستم باند پایه معرفی نمود.
این سیستم که اصطالحا یک سیستم مخابراتی سریال سنکرون نامیده میشود.توسط یک کابل 5پین کدهای
اطالعاتی متناظر با هر کلید را بهمراه سایر اطالعات و همچنین ولتاژهای مربوط انتقال داده میشوند:
پین :2ارسال اطالعات
پین :1پالس ساعت (سیگنالی با فرکانس )10-20kHz
پین:5ولتاژ 5V
پین :4زمین
پس از فشردن هر کلید یک کد به PCارسال و با رها کردن آن نیز یک کد بنام release-codeنیز ارسال میگردد.
Slide 2
Autor:Seyed Mohammad Reza Razavizadeh
احتماالت حروف در مطبوعات انگلیس ی
حرف
احتمال
حرف
احتمال
حرف
احتمال
A
0.0642
E
0.1031
I
0.0575
B
0.0127
F
0.0208
J
0.0008
C
0.0218
G
0.0152
K
0.0049
D
0.0317
H
0.0467
L
0.0321
M
0.0198
Q
0.0008
U
0.0228
N
0.0574
R
0.0484
V
0.0083
O
0.0632
S
0.0514
W
0.0175
P
0.0152
T
0.0796
X
0.0013
Y
0.0164
Z
0.0005
blank
0.1859
Autor:Seyed Mohammad Reza Razavizadeh
3
برخی کدهای صفحه کلید کامپیوتر
Autor:Seyed Mohammad Reza Razavizadeh
Slide 4
PC “کی بورد بهA” سیگنال ارسالی متناظر با حرف:مثال
Autor:Seyed Mohammad Reza Razavizadeh
Slide 5
کد گذاری
Coding
کدینگ را میتوان دردو بخش کلی تعریف نمود:
• کدینگ منبع :سیگنال خروجی منبع را تبدیل به دنباله بیتهای هم احتمالی
را با تاکید برحداکثرسازی ظرفیت کانال انجام میشود.
• کدینگ کانال :با هدف حفاظت پیام و تطبیق آن با کانال ارتباطی انجام
میگیرد.
Slide 6
Autor:Seyed Mohammad Reza Razavizadeh
کدینگ منبع
Source Coding
تبدیل هر سیگنال آنالوگ(صحبت یا هرپیام آنالوگ دیگر) به فرم دیجیتال بعنوان
Waveform Codingنامیده میگردد ،البته باید ذکر کنیم واژه کدینگ برای برخی
عملیاتهای دیگری که بعنوان نمونه در زیر به یکی اشاره خواهد شد ،اتالق میگردد:
– Source Codingخروجی آنالوگ یا دیجیتال یک منبع را به منظور
مناسب سازی انتقال(نظیر MPEGیا )JPEGتغییر و تبدیل میگرداند.
Slide 7
Autor:Seyed Mohammad Reza Razavizadeh
تبدیل آنالوگ به دیجیتال
Analogue / Digital Conversion
• تبدیل آنالوگ به دیجیتال که عموما با نام
”“PCM: Pulse Code Modulation
نیز شناخته میشود از دو مرحله اساس ی تشکیل میشود:
– نمونه برداری یکنواخت) (Regularسیگنال ورودی
– تبدیل نمونه ها به اعداد و شماره های گسسته
دقت هر مبدل A/Dبه تعداد بیتهای خروجی آن وابسته است ،در زیر مقدار معمول بیت خروجی
برخی انکدرهای متداول ارایه شده است:
• Speech 8 bit
• Music HiFi 16/18, even 24 bit
]• [Video 8 bit x 3 colours to give 24 bit
Slide 8
Autor:Seyed Mohammad Reza Razavizadeh
Audio Coding
کدینگ سیگنالهای صوتی
: استانداردهای صدای دیجیتال
MPEG: Layers I, II, and III (MP3); AAC.
used in DAB, DVD
Dolby AC3, Dolby Digital, Dolby Surround.
: میزان نرخ بیت متعارف یک صدای آنالوگ دو کاناله استریو پس از کدینگ
64kbits/s to 384 kbits/s.
Autor:Seyed Mohammad Reza Razavizadeh
Slide 9
کدینگ سیگنالهای تصویر
Video Coding
استانداردهای تصویر دیجیتال:
… HDTV,SDTV,LDTV,H263.1,
MPEG 2,4
میزان نرخ بیت متعارف یک تصویرآنالوگ پس از کدینگ:
Up to 30Mbps
Slide 10
Autor:Seyed Mohammad Reza Razavizadeh
2.2.4 MPEG-4 Standard
Unlike MPEG-1/2, where the scope and technology were well defined when the project
started, MPEG-4 was born to answer the emerging needs of various new applications ranging
from interactive audiovisual services to remote monitoring and control [13]. Thus, the
MPEG-4 goal is to provide a flexible and extensible standard for the convergence of interactive
multimedia applications, which currently are not addressed by the existing standards.
To enable the content-based interactive functionality, the MPEG-4 video standard introduces
the concept of video object planes (VOPs). It is assumed that each frame of an input
video sequence is segmented into a number of arbitrarily shaped image regions (e.g., VOPs),
where each of the regions may possibly cover particular image or video content of interest
(i.e., describing physical objects or content within scenes). In contrast to the video source
format used for MPEG-1 and MPEG-2, the video input to be coded by the MPEG-4 verification
model is no longer considered a rectangular region. The input to be coded can be a
VOP image region of arbitrary shape, and the shape and location of the region can vary from
frame to frame. Successive VOPs belonging to the same physical object in a scene are referred
to as video objects (VOs), that is, a sequence of VOPs of possibly arbitrary shape and
position. The shape, motion, and texture information of the VOPs belonging to the same
VO is encoded and transmitted or coded into a separate video object layer (VOL). In
addition, the bit stream must include the relevant information to identify each of the VOLs,
and how the various VOLs are composed at the receiver in order to reconstruct the entire
original sequence. This allows the separate decoding of each VOP and the required flexible
manipulation of the video sequence. Notice that the video source input assumed for the
VOL structure either already exists in terms of separate entities (i.e., is generated with
chroma-key technology) or is generated by means of on-line or off-line segmentation algorithms.
It is expected that MPEG-4 video coding will eventually support all the functionalities
already provided by MPEG-1 and MPEG-2, including the provision to efficiently compress
standard rectangular sized image sequences at varying levels of input formats, frame rates
and bit rates. In addition, content-based functionality will be assisted.
Autor:Seyed Mohammad Reza Razavizadeh
11
Analogue to Digital Conversion
تبدیل آنالوگ به دیجیتال
: و آفت هر کدام بقرار زیر خالصه میگرددA/Dمراحل اصلی فرآیند
– Nyquist Sampling (Aliasing)
– Quantization (Quantization noise)
– Coding
Autor:Seyed Mohammad Reza Razavizadeh
Slide 12
فرآیند نمونه برداری
Sampling Process
نمونه برداری Sampling
تبدیل یک سیگنال از حالت ”پیوسته زمان“ به گسسته زمان
ضرورت نمونه برداری :
در صورتی که پیام یک سیگنال آنالوگ باشد الزم است قبل از مدوالسیون دیجیتال یا PCMآنرا
بسبب اینکه از بینهایت دامنه شمارش ناپذیر تشکیل شده به تعداد شمارش پذیری نمونه برداری کنیم.
بهنگام دریافت یک سیگنال دیجیتال نیز
بسبب عملکرد کانالهای انتقال همیشه با یک
سیگنال آنالوگ مواجهیم ،لذا الزم است
قبل از ”دمدوالسیون“ آنرا نمونه برداری
کنیم.
ساختار کلی یک انکدر سیگنالهای صوتی
Slide 13
Autor:Seyed Mohammad Reza Razavizadeh
)1( فرآیند نمونه برداری
Autor:Seyed Mohammad Reza Razavizadeh
Slide 14
فرآیند نمونه برداری ()2
قضیه نمونه برداری
هر سیگنال آنالوگ با پهنای باند ” W”Hzهنگامیکه با نرخ حداقل 2Wنمونه بر
ثانیه نمونه برداری شود،آنگاه میتوان از روی نمونه ها کامال بازیابی و توصیف گردد
(ضابطه نمونه برداری نایکوئیست .)sampling criterion
فرکانس نمونه برداری Sampling frequency
2 x Max Frequency of input Signal
Slide 15
Autor:Seyed Mohammad Reza Razavizadeh
=fS
سیگنال نمونه برداری شده در زمان و فرکانس()1
حالت اول :نمونه برداری با فرکانس نمونه برداری کمتر از حد نایکوئیست
TS
16
Autor:Seyed Mohammad Reza Razavizadeh
2B
سیگنال نمونه برداری شده در زمان و فرکانس()2
حالت دوم :نمونه برداری با فرکانس نمونه برداری بیشتر از حد نایکوئیست
TS
17
Autor:Seyed Mohammad Reza Razavizadeh
2B
عوارض نمونه برداری()1
Aliasing
– چنانچه ضابطه نمونه برداری (یعنی )fs>2Wمراعات نشود در حوزه
فرکانس ،تکرار طیفهای باند پایه دچار روی هم افتادگی (
) Overlappingشده و لذا در فرآیند بازیابی) (Filteringبسبب
اینکه نمیتوانیم بصورت کامال شارپ هارمونیکهای متناظر نمونه ها را
جدا کنیم ،الجرم بخش ی از اطالعات طیف پیام(فرکانسهای باالئی طیف)
دچار تغییر شده و به این عارضه aliasingگفته میشود.
Slide 18
Autor:Seyed Mohammad Reza Razavizadeh
Aliasing
)2(عوارض نمونه برداری
Autor:Seyed Mohammad Reza Razavizadeh
Slide 19
کوانتیزاسیون
Quantization
پس از نمونه برداری سیگنال بدست آمده نمونه هایی گسسته زمان و با دامنه های متنوع
و باصطالح پیوسته میباشند ،در چنین وضعیتی نمیتوان با تعداد بیت محدود و معینی
نمونه ها را تعریف نمود.
طی فرآیندی که ”کوانتیزاسیون“ نامیده میشود به هر دامنه نمونه را بر اساس اینکه در
چه محدوده خاص ی قرار میگیرد یک ”حالت “stateبا تعداد بیت مشخص ی نسبت
میدهیم و بدین ترتیب نمونه ها به مجموعه محدودی تقلیل میآبند.
Quantization
Slide 20
Autor:Seyed Mohammad Reza Razavizadeh
نمونه برداری سیگنالهای صوتی
شاخص های نمونه برداری سیگنالهای صوتی می توان بقرار زیر خالصه نمود:
تعداد نمونه ها یا ”“sampling rate
مقدار اطالعات در هر نمونه ”“bit depth
تعداد کانالهایی که باید نمونه برداری شوند”“Mono or Stereo
در حال حاضر سه فرکانس نمونه برداری استاندارد در عمل وجود دارد:
استاندارد حرفه ای انتشار/پخش
اولین فرکانس ی که در خطوط ارتباطی زمینی و تغذیه فرستنده های اف ام استفاده شد 32kHz ،بود.
استاندارد دستگاههای خانگی
فرکانس ،44.1kHzهدف از این انتخاب آن بود که بتوان با استفاده از ویدئو تیپ های یوماتیک سیستم
های NTSCو PALو با استفاده از یک آداپتور ،PCMصدای دیجیتال را که به سیگنالی شبیه ویدئو
تبدیل شده ،روی نوار ویدئو ضبط و پخش کرد.
استاندارد پخش و ضبط در رادیو -تلویزیون
48kHz
Slide 21
Autor:Seyed Mohammad Reza Razavizadeh
نمونه برداری سیگنالهای تصویر
برای ایجادسیگنالهای تصویر دیجیتال از فرکانس نمونه برداری چهار برابر فرکانس موج حامل رنگ
استفاده میشود.
در این خصوص در NTSCبرای تبدیل تصویر آنالوگ به دیجیتال استانداردی بنام SMPTE 244M
تدوین گردید که مشخصات آن بقرار زیر است:
تعداد نمونه ها بر خط یا ”910 :“sample per total line
فرکانس نمونه برداری”4fSC=14.32818MHz”:
شیوه کوانتیزیشنUniformly quantized :
رزولیشن کوانتیزیشن8-10 bits/Syample48kHz :
در PALاستاندارد :ITU-601
Slide 22
Autor:Seyed Mohammad Reza Razavizadeh
مثال :1نحوه دیجیتایز نمودن یک سیگنال صوتی
مشخصات سیگنال آنالوگ صدا:
W=4 kHz
فرکانس نمونه برداری حداقل:
)fs≥2W=8 kHz (8000 samples/sec
مشخصات کوانتایزر:
بمنظور حفظ کیفیت صدا پس از آشکارسازی از یک انکدر حداقل 8بیتی باید استفاده کنیم که در
اینصورت تعداد سطوح کوانتایزر برابر 256بدست خواهد آمد.
L=28=256 levels
نرخ بیت خروجی:
چون نرخ خروجی سمپلر 8000نمونه در ثانیه بوده و هر نمونه حاوی8بیت میباشد لذا نرخ بیت خروجی
نهایی 64000بیت بر ثانیه(یا 8000بایت بر ثانیه) بدست میآید.
Slide 23
Autor:Seyed Mohammad Reza Razavizadeh
مثال :2مشخصات سیگنال موسیقی دیجیتال با کیفیتCD
مشخصات سیگنال صدای خام(آنالوگ):
استریوی دو کاناله
فرکانس نمونه برداری
44.1 kHz
مشخصات کوانتایزر
”تعداد بیت اختصاص داده شده به هر نمونه“16 bits :
نرخ بیت نهایی CDبهنگام Readیا write
21644,100 = 1.4 Mbits/s
حجم نهایی یک CDصوتی شامل یک ساعت صدای استریوی دیجیتال شده
)(1.43,600 )/8= 635 MB (Mega byte
Slide 24
Autor:Seyed Mohammad Reza Razavizadeh
سیستم باند پایه صوتی دیجیتال PCM
) PCM (Pulse Code Modulation
این شیوه گرچه یک روش قدیمی) (primitiveبوده لیکن هنوز نیز بطور وسیعی در ارسال و
ً
دریافت سیگنالهای آنالوگ استفاده میشود(برای داده های ذاتا دیجیتال از متدهای دیگری
استفاده میشود).
بخش فرستنده :ابتدا سیگنال پیام آنالوگ توسط واحد A/Dبه دنباله باینری تبدیل و در
مرحله بعد این دنباله بیت ) (sequenceشکل موج پالس ی را مدوله و بر روی کانال انتقال ارسال
میکند.
بخش گیرنده :شکل موج پالس ی حامل بیت پس از دریافت و قدری تقویت و پاالیش ”بمنظور
استخراج بیتهای محموله با هدف بازسازی (بازیابی )reconstructionسیگنال پیام آنالوگ“ به
واحد D/Aتزریق تا در نهایت نمونه تقریبی آنچه در فرستنده تحویل سیستم شده در گیرنده
دریافت گردد.
ویژگی های سیستم :PCMدراین سیستم انتقال باندپایه بوده و از هیچ کاریری بهره نمیبرد؛
سیستمهای تلفن داخلی ،مدم ها،بخش صدای دیجیتال کامپیوترها CD،و برخی VCDها ازین
تکنیک بمنظور انتقال صدا بهره میبرند.
Slide 25
Autor:Seyed Mohammad Reza Razavizadeh
ساختاریک سیستم نمونه فرستنده )1( PCM
01000111001
Parallel to
serial
Conv.
Encoder
Quantizer
Sampler
Low Pass
Filter
Message
A/D Converter
مشخصات فیلتر ورودی :توسط فیلتر سیگنال ورودی به باالترین فرکانس حاوی انرژی صاحب اطالعات:
) W(Hzبرش داده میشود(حفاظت در برابر )aliasing
مشخصات واحد : A/D
نمونه بردار :با فرکانس حداقل دو برابر (fs≥2W) Wعمل نمونه برداری از سیگنال ورودی را انجام میدهد.
کوانتایزر :نمونه ها ی دریافتی را در Lسطح دسته بندی و رند میکند( :Lتعداد سطوح تصمیم گیری)
انکدر :هر نمونه که در یک محدوده سطوح تصمیم گیری قرار بگیرند توسط یک کد باینری log2Lبیتی معرفی
میشود.
مشخصات واحد :P. to Serialچون پورت A/D؛ بیتی است ،ولی کانال انتقال یک بعدی است لذا
این واحد بیتهای همزمان را پشت سرهم پس از بافرینگ و برای رسیدن به یک نرخ بیت یکنواخت بسوی
کانال روانه میسازند.
Slide 26
Autor:Seyed Mohammad Reza Razavizadeh
ساختاریک سیستم نمونه فرستنده )2( PCM
تبدیل دنباله بیت به شکل موج الکتریکی:
سیستم PCMبا بهره گیری از شیوه Line Codingدنباله بیت تحویلی از مبدل پارالل به سریال
را به یکی از شکل موجهای پایه دیجیتال ،که مرکب از تعدادی پالس است ،تبدیل میکند.
PCM
Waveform
Receiver
Slide 27
Channel
Line
Coding
Autor:Seyed Mohammad Reza Razavizadeh
PCM
Sequence: bn
ساختاریک سیستم نمونه گیرنده PCM
بخش بازسازی(تولید مجدد) :شکل موج نویزی و دفرمه شده دریافتی پس از کاهش نویز بشکل مربعی(نظیر آنچه
در فرستنده پس از Line Coderداشتیم) بازسازی میشود.
دتکتور:دنباله بیت متناظر را از روی شکل موج تولید میکند.
دیکدر:نمونه های متناظر را از دنباله بیت بازیابی میکند.
فیلتر بازیاب ) :(Reconstruction Filterشکل موج آنالوگ اصلی را از روی نمونه ها ایجاد میکند.
01000111001
Reconstruction
Filter
Decoder
Detector
D/A Converter
Slide 28
Autor:Seyed Mohammad Reza Razavizadeh
Regeneration
Circuit
PCM
Waveform
عوامل تاثیرگذار بر پهنای باند سیستم PCM
پهنای باند یک سیستم PCMآن به دو عامل بستگی دارد:
نرخ بیت نهایی سیستم ، Rb :که البته این نرخ بیت به دو مولفه زیر بستگی دارد.
• فرکانس نمونه برداری که خود مستقیما تابع پهنای باند سیگنال آنالوگ ورودی میباشد.
• تعداد سطوح کوانتایزر ،که هرچه بیشتر باشند بطور لگاریتمی نرخ بیت افزایش میآبد.
با توجه باینکه افزایش نرخ بیت سبب وقوع تغییرات شدید زمانی و نهایتا تغییرات شدید زمانی ) (Low Bit Intervalنیز وقوع
مولفه های فرکانس باال را در پی دارد افزایش پهنای باند نتیجه میگردد.
شکل موج انتخابی :PCM
• BT≥Rb/2 :Rectangular Waveform
• BT=Rb/2 :Sinusoidal Waveform
B
Slide 29
Autor:Seyed Mohammad Reza Razavizadeh
ارزیابی سیستم PCM
مزیتها
–
–
–
مدارات دیجیتال ارزان قیمت(در مقایسه با سایر فرمهای دیجیتال دیگر)
قابلیت بکارگیری برای تمامی انواع منابع سیگنال آنالوگ و نیز استفاده از TDM
قابلیت استفاده در ارتباطات راه دور با استفاده ازتکرار کنند ه با تضمین صحت انجام عملیات
بازیابی )(regeneration
عملکرد نویز عالی در مقایسه با سیستمهای آنالوگ متداول
بر خورداری ازانتقال ایمن
–
–
معایب
– نیاز به پهنای باند باال
• بعنوان راههای مقابله با این عیب ،میتوان به استفاده از کانالهای پهن باند نظیر فیبر،روشهای فشرده
سازی منبع و نیز بکارگیری از شیوه های مدوالسیون پیشرفته اشاره کرد.
– سادگی باالی سیستم
Slide 30
Autor:Seyed Mohammad Reza Razavizadeh
مثال
– یک سیستم PCMتلفنی با استفاده از یک 8 A/Dبیتی و با فرکانس 8kHzیک سیگنال صوتی را
دیجیتایز میکند؛ مطلوبست ”نرخ بیت“ و ”دوره بیت .“bit duration
Slide 31
Autor:Seyed Mohammad Reza Razavizadeh
PCM نمونه ائی از کاربرد یک سیستم
Autor:Seyed Mohammad Reza Razavizadeh
Slide 32