Узбекское агентство связи и информатизации

Ташкентский университет информационных технологий

Кафедра телевидения и

радиовещания

Методические указания к лабораторной работе «АЦП и ЦАП» по курсу «Преобразование, сжатие и архивирование сигналов изображения» для магистров, обучающихся по специальности 5А522104.

Ташкент 2008

1. Цель работы

1.1. Изучить принцип работы АЦП и ЦАП.

1.2. Ознакомиться со схемотехническими решениями и элементами реализации АЦП и ЦАП.

2. Задание

2.1. Изучить структурную схему лабораторной установки.

2.2. Изучить порядок включения лабораторной установки и контрольно-измерительных приборов.

2.3. Снять зависимость разрядности кода от входного напряжения.

2.4. Снять зависимость уровня шумов квантования от разрядности кода.

2.5. Снять зависимость искажения формы восстановленного сигнала от разрядности кода и частоты дискретизации.

3. Краткие теоретические сведения

Среди методов цифрового преобразования звуковых сигналов (ЗС) в студийном тракте, наиболее широко используется импульсно-кодовая модуляция (ИКМ). Процедура преобразования аналогового сигнала в цифровой состоит из трех операций: дискретизации по времени, квантования по уровню и кодирования.

3.1. Аналого-цифровое преобразование (АЦП)

Процесс аналого-цифрового преобразования ЗС в цифровую последовательность показан на рис. 3.1, где на рис. 3.1а изображен исходный аналоговый звуковой сигнал, на рис. 3.1б – процесс дискретизации (по оси ординат отложены величины мгновенных значений дискретизированного сигнала в вольтах, а по оси абсцисс – текущее время).

На рис. 3.1в – дан результат преобразования значений

Рис. 3.1. Цифровое представление звуковых сигналов

отсчетов в соответствующие им кодовые слова в виде нулей и единиц. Последовательность отсчетов или выборок отстоит одна от другой на интервал времени Т_д, называемый периодом дискретизации. Величина, обратная периоду (интервалу) дискретизации Т_д , называется частотой дискретизации. Частоту, равную половине частоты дискретизации, называют частотой Найквиста f_N.

В устройстве, осуществляющем ИКМ (рис. 3.2а), входной сигнал S_вх(t) ограничивается по полосе фильтром нижних частот (ФНЧ) и далее поступает на АИМ- модулятор, выходной сигнал которого представляет собой временную последовательность отсчетов (рис. 3.2б) – это дискретный сигнал. Спектр такого сигнала (рис. 3.2в) содержит низкочастотную компоненту (заштрихованная область) и множество высокочастотных компонент, каждая из которых состоит из двух боковых полос модуляции, расположенных вокруг частоты дискретизации или ее гармоник.

В кодере (рис. 3.2б) выходной сигнал АИМ- модуля-тора квантуется по уровню и кодируется. Если АИМ- модулятор предназначен для работы в одноканальном варианте, то мгновенное значение в момент взятия отсчета запоминается на время, равное периоду дискретизации Т_д. Если система многоканальная, то на время Т = Т_д/N_k.

В кодере каждый квантованный отсчет преобразуется в двоичный код с определенным числом разрядов n. Кодовые слова отсчетов хранятся в оперативном запоминающем устройстве ОЗУ (рис. 3.2г) и могут выдаваться в последовательном или параллельном коде в зависимости от того, АИМ-модулятор работает со звуковым сигналом одного или нескольких каналов.

Тактовая частота f_г генератора тактовых импульсов ГТИ выбирается такой, чтобы длительность отсчета равнялась Т_д. Если АИМ-модулятор работает совместно с мультиплексором, то f_д = N_kmf_д.

Рис. 3.2. Процесс получения ИКМ – сигнала

В современной высококачественной бытовой аппаратуре записи-воспроизведения звука число звуковых каналов лежит обычно в пределах от 2 до 6, частота дискретизации. выбирается в диапазоне 44,1…192 кГц, а число разрядов m в кодовом слове составляет от 16 до 24. Поэтому скорость цифрового потока аудиоданных может меняться в очень широких пределах от 700 Кбит/с до 27 Мбит/с. В профессиональной студийной аппаратуре число звуковых каналов достигает 24…48, следовательно, скорость цифрового потока еще больше.

Частота дискретизации выбирается, исходя из теоремы В. А. Котельникова, и равна _.

Значение частоты дискретизации ограничивает разрешающую способность АЦП во времени и, следовательно, возможную наивысшую частоту сигнала на входе АЦП.

Чем больше f_д по сравнению с F_max, тем легче в ИКМ-демодуляторе отфильтровать полезный сигнал. В то же время скорость цифрового потока при ИКМ прямо пропорциональна значению f_д (с = mf_д)_.

Для повышения эффективности канала связи при передаче звуковых сигналов желательно снижать f_д, однако это приводит к уменьшению F_max, что ухудшает качество передачи звука, поэтому выбирают компромиссное решение.

Дискретизированный сигнал имеет ступенчатую форму (рис. 3.3).

Рис. 3.3. Дискретизация синусоидального сигнала

Высота ступеньки зависит от крутизны входного сигнала. Дискретизированный сигнал всегда сдвинут по фазе относительно входного сигнала ИКМ- модулятора на угол 90°.

Дискретизация включает в себя: АИМ- модуляцию и сохранение выборки в течение времени двоичного кодирования Т_п. Математически АИМ является операцией умножения аналогового звукового сигнала S(t) на сигнал дискретизации V_д(t) (рис. 3.4). Далее выборки запоминаются на время Т_д, и формируется дискретизированный сигнал S_д(t) в виде последовательности выборок прямоугольной формы.

Рис. 3.4. Формирование дискретизированного сигнала

Поскольку в системах связи сигналы ЗВ передаются совместно с другими, например, телефонными сигналами, то частота дискретизации должна быть кратна частоте дискретизации телефонного канала, равной 8 кГц. С учетом этих соображений в цифровых трактах первичного и вторичного распределения программ для звуковых сигналов с F_max = 15 кГц значение f_д = 32 кГц, что соответствует 4f_д телефонного канала. В трактах формирования программ при F_max = 20 кГц значение f_д = 48 кГц; в лазерных проигрывателях и бытовых магнитофонах f_д = 44,1 кГц.

Процедура квантования выполняется после дискретизации. При квантовании каждое значение отсчета заменяется ближайшим к нему значением. Расстояние между соседними разрешенными уровнями квантования называют шагом квантования. Квантование сопровождается погрешностью - разностью между исходными и квантованными значениями отсчетов. Этот сигнал ошибок называют шумом квантования. Чем меньше величина шага квантования Δ, тем меньше по уровню шум квантования (рис. 3.5).

Рис. 3.5. Зависимость уровня шума квантования от величины шага квантования

Величина шага квантования Δ определяется максимально допустимой амплитудой входного сигнала A_max.

Число разрядов кодовых слов в цифровой звуковой аппаратуре не бывает меньше 8 и наиболее часто равно 16. В профессиональной аппаратуре АЦП и ЦАП стали использовать число разрядов до 20…24.

Кодированием называется представление каждого уровня квантования у из множества (y_N), соответствующей ему конечной кодовой группой символов, называемой кодовым словом. Двоичные кодовые слова имеют всего два кодовых символа 0 и 1. Число у в двоичной системе счисления представляется в виде:

, где

m – число разрядов;

a – число, принимающее значение 1 или 0.

Так при m = 7 имеем максимально разрешенных уровней квантования y_max=128; при m = 8 соответственно y_max = 256; при m = 16 соответственно y_max = 65536.

При АЦП и ЦАП ошибки возникают в основном при модуляции, но проявляются они только при демодуляции.

Эти ошибки подразделяются:

1) ошибки округления (в большинстве АЦП порог округления z = 0,5) определяются как разность между входным квантованным сигналом S_вх(t) и выходным сигналом;

2) ошибки дискретизации, которые определяются, как разность между выходным и входным напряжениями дискретизатора и связаны с преобразованием формы сигнала;

3) ошибки квантования – при дискретизации квантованного сигнала дискретизируется не только звуковой сигнал, но и ошибки округления, спектр которых существенно сужается и быстро затухает. Неприятное звучание ошибок квантования связано только с неточным временным разрешением, то есть, мала частота дискретизации исходного сигнала. Поэтому в высококачественной цифровой аппаратуре частоту дискретизации увеличивают до 96 и даже до 192 кГц. Ошибки квантования воспринимаются как шум, когда коэффициент корреляции ошибок уменьшается с 0,5 для тонального сигнала низкого уровня и до 0,01 – высокого уровня.

4) ошибки преобразования являются оценкой качества тракта АЦП – ЦАП. Они определяют отличие сигнала на выходе ЦАП от сигнала на входе АЦП. Ошибки преобразования очень сильно зависят от уровня сигнала. При высоком уровне звукового сигнала в ошибке преобразования преобладает ошибка дискретизации, при малых уровнях сигнала она близка к ошибке квантования.

3.2. Цифро-аналоговое преобразование (ЦАП)

Для восстановления исходной кривой изменения во времени аналогового сигнала (ЗС) цифровая последовательность чисел должна быть преобразована (рис. 3.7). Ступенчатая функция кроме восстановленного тонального сигнала содержит еще множество гармонических составляющих. Высокочастотные составляющие ступенчатой функции представляют собой продукты нелинейных искажений и должны быть при восстановлении исходного сигнала отфильтрованы.

Если спектр входного сигнала простирается до 20 кГц, то все составляющие, лежащие выше этой частоты, должны быть отфильтрованы (применяется ФНЧ с частотой среза 20 кГц).

При повышении частоты дискретизации можно получить ряд преимуществ: более простая фильтрация. Сказывается преимущество избыточной (повышенной) частоты дискретизации и в том, что спектр шума распределяется в этом случае на больший частотный диапазон и, таким образом, доля шума, приходящаяся на полосу ЗС, становится меньше.

Структура ИКМ- демодулятора показана на рис. 3.6.

Рис. 3.6. Структурная схема ИКМ-демодулятора

Рис. 3.7. Цифро-аналоговое преобразование звуковых сигналов

В ОЗУ последовательный код преобразуется в параллельный и сохраняется на время Т_д. ЦАП преобразует кодовые комбинации в амплитуду коротких выборок положительной и отрицательной полярности. Эти выборки запоминаются в УВХ на время Т_д. Если ЦАП имеет то же число разрядов, что и АЦП, то на выходе УВХ формируется дискретизированный и квантованный звуковой сигнал, точно такой же, как на выходе квантователя кодера. Фильтр нижних частот (ФНЧ) имеет частоту среза несколько выше F_max и ненамного ниже частоты Найквиста. Он подавляет частоты выше частоты Найквиста и выделяет звуковой сигнал.

Основной интерес представляет спектр дискретизированного сигнала, так как он несет информацию о звуке.

Если число разрядов при ЦАП меньше, чем при АЦП, то при этом происходит усечение кодовых данных, соответствующее округлению для АЦП с порогом равным 0. Это приводит к изменению формы выходного сигнала ЦАП так же, как и при изменении числа разрядов в АЦП.

Если не выполняется условие f_д ≥ 2F_max, то спектры звуковой и нижней боковой полосы выходного сигнала ЦАП перекрываются – эффект наложения спектров. В этом случае сигнал на приемном конце цифрового тракта восстановить невозможно.

Одним из наиболее важных показателей цифровых систем передачи аналоговых сигналов является величина отношения мощности сигнала Р_с к мощности шума квантования Р_шум на выходе ЦАП.

Выражение для отношения сигнал/шум определяет значение максимального динамического диапазона ЗС, который может быть передан по цифровому каналу без искажений.

При равномерной шкале квантования Р_шум = Δ²/12, т. е. мощность шума квантования определяется исключительно шагом квантования и не зависит от величины сигнала. Поэтому при уменьшении уровня сигнала отношение мощности сигнала к мощности шума квантования снижается. Шум квантования появляется только при наличии сигнала.

, где n = 2^m, q – пик-фактор

или, если выразить в децибелах, то

, дБ

, дБ.

При переходе от 14 к 15 разрядному кодированию скорость цифрового потока увеличивается всего на 7%. Ни один другой способ кодирования не позволяет так заметно улучшить помехозащищенность ЗС за счет сравнительно небольшого увеличения скорости передачи.

При равномерной шкале квантования и гармоническом сигнале с пик-фактором :

, дБ

Пик-фактор q зависит от жанра программы и изменяется от 7 до 25 дБ, в среднем 12…15 дБ, поэтому для вещательного сигнала:

, дБ

без учета неодинаковой чувствительности слуха к составляющим шума разных частот, определяемой псофометрическим коэффициентом.

Если ее учесть, то для сигнала с полосой 15 кГц составит:

, дБ.

На практике в трактах формирования программ используется 16 разрядное кодирование и при f_д = 48 кГц, скорость цифрового потока c = mf_д для монофонического сигнала равна 768 Кбит/с, а для стереофонического – 1536 Кбит/с. При f_д = 44,1 кГц – с_моно = 705 Кбит/с, с_стерео = 1411,2 Кбит/с.

Для уменьшения скорости передачи используется неравномерное квантование, позволяющее уменьшить требуемое число разрядов в кодовом слове. При этом для малых уровней сигнала величина шага квантования может быть малой, а для больших уровней – более грубой.

Для получения неравномерного квантования используется мгновенное и почти мгновенное компандирование.

Устройство неравномерного квантования с компандированием показано на рис. 3.8.

Рис. 3.8. Устройство для неравномерного квантования ЗС: а) схема; б) характеристика

Устройство состоит из последовательно соединенных сжимателя, квантующего устройства КУ и расширителя.

Расширитель, включенный на приемной стороне АЦП, должен иметь амплитудную характеристику обратную характеристике сжимателя.

В результате использования такой схемы отношение сигнал/шум квантования малых уровней сигнала мало и относительно велико при высоких уровнях сигнала.

При почти мгновенном компандировании не каждый отдельный отсчет, а группа отсчетов ЗС кодируется с одинаковым шагом квантования и применяется несколько разновидностей кодирования с использованием почти мгновенного компандирования: кодирование с преобразованием 16/14, с преобразованием 14/10. При кодировании с преобразованием14/10 полная скорость передачи равна 323 Кбит/с на моноканал, а отношение сигнал/шум квантования на 3 дБ лучше, чем при 11-разрядном кодировании с мгновенным компандированием.

Кодирование с преобразованием 16/14 дает возможность при малых уровнях передавать самые младшие 15-й и 16-й разряды. Лишь при самых высоких уровнях теряется один или два младших бита, которые для сигналов больших уровней незначительны. Данный метод позволяет для сигналов самых малых амплитуд работать с разрешением до 21 бита.

3.3. Достоверность цифровой передачи

При записи и воспроизведении цифровой информации могут появляться ошибки (пропадание знаков), причиной которых может быть погрешность в магнитном слое, пыль на ленте или головке воспроизведения, а при системе с компакт-диском (КД) – царапины и грязь, синтетический материал может содержать пузыри.

Во время передачи сигнала по цифровому каналу связи биты цифровых ЗС могут подвергаться воздействию помех или исчезать, что приводит к ошибкам при декодировании.

Наличие в цифровом сигнале ошибок приводит к искажениям в аналоговом ЗС после ЦАП. В зависимости от того, какой разряд кодового слова искажен, эти ошибки ощущаются по-разному. В некоторых случаях, например, при одиночных ошибках в младших разрядах кодовых слов из-за кратковременности действия на слух, который является инерционным аппаратом, могут быть практически незаметны ошибки.

При 12-разрядном равномерном кодировании отсчетов высококачественного ЗС и частоте дискретизации 32 кГц необходимо защищать 4-5 старших разрядов при наличии маскировки и 6 разрядов при ее отсутствии.

Считается, что при высококачественном звуковоспроизведении, допустимо появление в восстановленном сигнале не более одного заметного на слух щелчка в час.

В трактах формирования программ при f_д = 48 кГц и m = 16 допустима вероятность появления ошибок W = 3·10^-10 для каналов распределения программ при f_д = 32 кГц и m = 14, W = 6·10^-10.

3.4. Выбор и обоснование типа АЦП

Основным требованием при оцифровке телевизионного сигнала является его быстродействие, а также, отношение сигнал/шум квантования и число разрядов представления информации.

Значительным вкладом в решение проблемы является создание АЦП в одной интегральной микросхеме. Примером такого подхода служат современные аналого-цифровые преобразователи фирмы “TRW”, интегральные микросхемы которой характеризуются малыми размерами, низкой потребляемой мощностью, повышенной надежностью и стабильностью, большим диапазоном рабочих температур, а при серийном производстве – низкой стоимостью.

В области обработки ТВ сигналов наиболее широко распространенным типом АЦП является универсальная микросхема TDC-1007J фирмы “TRW”, преобразующая микрополосные сигналы с разрешающей способностью 8 бит/отсчет при частоте дискретизации до 30 МГц. Преоб-разование сигналов в таких АЦП осуществляется на основе принципа параллельного преобразования.

Характерным для такого принципа преобразования является параллельное включение компараторов. Входной ТВ сигнал после низкочастотной фильтрации дискретизируется схемой выборки и хранения с аналоговой памятью, которая позволяет исключить возможность изменения сигнала в процессе преобразования. Дискретизированный сигнал через усилитель поступает в блок параллельно работающих компараторов, где амплитуды дискретизированного сигнала сравниваются с опорными напряжениями, формируемыми делителем (матрицей) на резисторах. Напряжения на резисторах матрицы при линейной ИКМ равномерно распределены в динамическом диапазоне сигнала и определяют пороги квантования – уровни срабатывания ком-параторов. На выходах компараторов, на входах которых уровень отсчета сигнала меньше опорного напряжения – нулевой сигнал. После соответствующего формирования импульсов на выходах 2ⁿ компараторов с помощью кодирующего устройства осуществляется их преобразование в n-разрядную кодовую комбинацию: ИКМ сигнал в параллельном коде. Синхронизация работы отдельных формирователей импульсов и кодера осуществляется соответствующей последовательностью дискретизирующих (тактовых) импульсов.

Для создания гибких и универсальных устройств потребуется применение нескольких дополнительных микро-схем, таких как источник опорного напряжения для компараторов, источник питания и входной усилитель ТВ сигнала с фильтром низких частот.

В аналого-цифровом преобразователе TDC-1007J нашли применение новые методы цифрового кодирования и дискретизации по времени:

- стробируемые компараторы позволяют реализовать схему дискретизации, в которой входной уровень сигнала «защелкивается» на выходе компаратора;

- кодер позволяет выводить преобразованный сигнал в двоичном коде и осуществлять его инвертирование;

- преобразователь TDC-1007J совместим с ТТЛ. Он содержит в общей сложности 17000 элементов, расположенных на кристалле размером 6,5 X 6,5 мм.

Ниже приведены параметры АЦП TDC-1007J.

Число разрядов представления – 8.

Частота дискретизации – до 30 МГц.

Динамический диапазон входного сигнала – 0 ÷ 2 В.

Дифференциальная фаза ≤0,5°.

Дифференциальное усиление ≤1,5%.

Фазовое дрожание ≤30 пс.

Отношение сигнал/шум квантования – 55 дБ

Рис. 3.9. Функциональная схема АЦП TDC-1007J

Погрешность АЦП определяется путем сравнения выходных кодов реального АЦП с кодами идеального АЦП, т. е. такого, в котором происходит идеальное преобразование любых значений входного сигнала. При этом для того, чтобы можно было пренебречь погрешностью квантования по уровню в идеальном АЦП, его разрядность должна быть существенно больше, чем число разрядов в реальном АЦП (рис. 3.10).

Рис. 3.10. Определение погрешности АЦП

На входы обоих операторов поступает общий сигнал X(t). Погрешность АЦП оценивается по среднему значению функции L(N₀,N), определяемой на парах значений обоих операторов (N₀,N) при преобразовании одной величины X. Эти отклонения могут быть:

1. постоянные;

2. отклонения, определяющие случайные погрешности;

3. отклонения, зависящие от изменения характеристик реального АЦП во времени;

4. отклонения, зависящие от изменения характеристик реального АЦП от внешних факторов.

При рассмотрении вопроса о надежности АЦП, следует учитывать возможность появления трех видов отказов: катастрофических, перемежающихся (сбоев) и деградационных. За меру надежности АЦП и ЦАП принята вероятность того, что их погрешность при работе в заданных условиях не выйдет за установленные допуски в течение определенного времени. Чем бы отказ АЦП не был вызван: нестабильностью параметров элементов или узлов, нарушением монтажа, отка-зом элементов, неудачным выбором допусков на элементы, появлением помехи и т. п., всегда выявляется в виде погрешности, выходящей за допуск. Любой катастрофический отказ ведет к полной потере работоспособности АЦП, и надежность определяется по выражению для вероятности безотказной работы:

,

где λ_i – средняя интенсивность отказов i-го элемента;

r – общее число элементов в АЦП.

3.5. Выбор и обоснование типа ЦАП

Для обратного преобразования 8-разрядного цифрового ТВ сигнала в аналоговый требуется сверхбыстродействующий ЦАП со временем установления меньше 70 мс.

Этим условиям соответствует микросхема – ИС К1118ПА1, представляющая собой 8-разрядный цифро-аналоговый преобразователь двоичного параллельного кода в ток со временем установления 20 мс, предназначенный для работы в диапазоне температур от -10 до +70°С. Прибор полностью совместим с ЭСЛ- схемами, в частности серией 1500.

ЦАП построен по методу суммирования токов, обеспечивающим достижение максимального быстродействия. Его структурная схема, широко применяемая в микроэлектронике, состоит из источников, формирующих разрядные токи, соответствующие весам разрядов двоичного кода, токовых ключей, подключающих разрядные токи к одному из выходов ЦАП в соответствии с входным кодом, схемы стабилизации выходного тока, состоящей из операционного усилителя, ОЗУ и транзистора-датчика V_д, включенного в цепи обратной связи, источников опорных напряжений.

Схема стабилизации поддерживает выходной ток ЦАП неизменным при колебании напряжения питания и температуры окружающей среды.

Для работы ЦАП требуются внешние источники опорного напряжения, токозадающий резистор, конденсатор частотной коррекции операционного усилителя и резистор для компенсации смещения нуля операционного усилителя.

ИС К1118ПА1 может быть включен на согласованную нагрузку 75 Ом без применения буферных каскадов и формирователей. При применении ЦАП К1118ПА1 следует учитывать некоторые его особенности:

- для обеспечения максимального быстродействия необходимо тщательное согласование выхода ЦАП с трактом, что достигается использованием дорожки печатной платы минимальной длины;

- при преобразовании выходного тока ЦАП в напряжение непосредственно на резисторной нагрузке напряжение на выходе должно находиться в пределах от –1,3 до +2,5 В при всех значениях входного кода;

- при использовании только одного выхода, второй выход должен подключаться к общей шине непосредственно или через резистор сопротивлением не более 25 Ом.

На рис. 3.11. представлена схема включения ЦАП К1118ПА1.

Рис. 3.11. Схема включения ЦАП К1118ПА1

При кодировании ТВ сигнала импульсно-кодовой модуляцией (ИКМ) по линейному закону возникают два вида шумов: шумы квантования и взвешенные шумы. Шумы квантования определяют из выражения:

, дБ

где U_ИЗ – номинальное значение сигнала изображения;

P_КВ – мощность шумов квантования;

n – число разрядов кода (n = 8).

ТВ сигнал кодируется с частотой дискретизации 16 МГц, с числом разрядов кода n = 8, при этом помехоустойчивость равна 62 дБ, из которых 52,1 дБ приходится на мощность шумов квантования, а 9,2 дБ на мощность взвешенных шумов.

Расчет отношения сигнал/шум при кодировании звуковых сигналов определяют из выражения:

, дБ

где f_ф – полоса пропускания.

Приняв полосу пропускания f_ф = 7,5 кГц, частоту дискретизации f_д = 31,25 кГц и разрядность кода n = 8, получим R_ЗВ = 62.73 дБ.

В аналого-цифровых преобразователях используются: позиционные, отраженные и корректирующие коды.

Наибольшее распространение получил позиционный двоичный код (ПДК). Использование ПДК при кодировании десятичных цифр позволяет применять элементы, имеющие два устойчивых состояния.

Основная идея, заложенная в отраженные системы счисления и коды, состоит в том, что в них два соседних числа отличаются цифрой только в одном порядке, причем эта цифра может быть только на единицу больше или меньше цифры в одноименном разряде соседнего числа. Таким образом, в отраженных кодах нет одновременного изменения цифр в нескольких разрядах, что является причиной возникновения ошибки неоднозначности считывания. Цифры в старших разрядах отраженного и позиционного кодов всегда совпадают.

Под корректирующими кодами понимаются специальные коды, позволяющие обнаружить и исправить ошибки, возникающие при передаче или обработке дискретной информации. Корректирующие коды делятся на систематические и несистематические. К первым относятся коды с постоянным числом символов в кодовой комбинации.

Корректирующая способность кода зависит от вели чины введенной в него избыточности, которая определяется понятием кодового или хэммингового расстояния.

4. Порядок выполнения работы

Структурная схема лабораторной установки (рис. 4.1.) содержит: источник сигнала, устройство АЦП, устройство ЦАП, электронный осциллограф, блок стабилизированных источников питания, генератор тактовой частоты, Милливольтметр В3-38.

Порядок включения лабораторной установки: стабилизированный источник питания включается в сеть с напряжением 220В и частотой 50 Гц. На передней панели тумблер включения (отключения) питания установить в положение «Включено». К АЦП и ЦАП поступают соот-ветствующие опорные и питающие напряжения (см. рис. АЦП, ЦАП). Включить генератор в сеть и установить тактовую частоту (частоту дискретизации). Включить генератор сигналов, осциллограф, вольтметр. Для выполнения п. 2. 3. необходимо изменить выходное напряжение источника сигнала частотой от 20 кГц до 6 МГц в пределах от 0В до 1В, а для частот от 0 до 20 кГц – от 0 до 5,5В, подключая выход генератора сигналов к осциллографу С1-72 и измеряя разрядность кода.

Для выполнения п. 2. 4. необходимо подключить выход АЦП к ЦАП (контрольному ЦАП). Изменяя выходное напряжение генератора сигналов, подключив осциллограф к выходу ЦАП, наблюдаем восстановленный сигнал. Измеряют шумы квантования сопоставлением исходного сигнала с восстановленным с помощью осциллографа. Величина шума квантования определяется отношением размаха шага квантования к входному сигналу.

Рис. 4.1. Схема лабораторной установки для исследования устройств АЦП и ЦАП

Отношение величины сигнала к шуму квантования определяется по следующей формуле при равномерном шаге квантования:

,

где n – разрядность кода.

Для выполнения п. 2. 5. необходимо, изменяя частоту тактовых импульсов, менять частоту дискретизации и на осциллографе наблюдать искажения формы восстановленного сигнала по «глазковой диаграмме».

Далее, изменяя разрядность кода, путем изменения уровня входного сигнала, наблюдать искажения формы восстановленного сигнала (рис. 4.2.).

Рис. 4.2. Определение уровня шумов квантования

5. Содержание отчета

1. Структурная схема лабораторной установки.

2. Временные диаграммы цифровых последовательностей на выходе АЦП при различных уровнях входного сигнала.

3. График зависимости разрядности кода от входного напряжения.

4. График зависимости уровня шумов квантования от разрядности кода.

5. Зависимость степени искажений восстановленного сигнала от разрядности кода и частоты дискретизации при ИКМ.

6. Контрольные вопросы

1. Объяснить преобразование напряжения в код по методу последовательного отсчета.

2. Объяснить преобразование напряжения в код по методу параллельного отсчета.

3. Объяснить сущность разрядного кодирования.

4. Объяснить основные свойства обобщенных методов преобразования.

5. Объяснить метод определения точности АЦП.

6. Какие существуют методы повышения надежности?

7. Какие коды используются в АЦП?

8. Какие бывают виды квантования?

9. Из каких соображений выбирается частота дискретизации?

10. Что происходит с восстановленным изображением, если частота дискретизации выбрана меньше 2F_max?

7. Литература

1. М. Птачек “Цифровое телевидение. Теория и техника”. – Москва: Радио и связь, 1990.

2. Е. И. Джакония “Телевидение” – Москва: Радио и связь, 2002 (Раздел 5 “Основы цифрового телевидения”).

3. Э. Айфичер, Б. Джервис “Цифровая обработка сигналов” – Москва, 2004.

4. А. В. Смирнов, А. К. Пескин “Цифровое телевидение” – Москва, 2005.

5. Ю. А. Ковалгин “Цифровое кодирование звуковых сигналов” – СПб, 2004.

Оглавление

1. Цель работы…………………………………………......3

2. Задание…………………………………………………..3

3. Краткие теоретические сведения………………………3

3.1. Аналого-цифровое преобразование (АЦП)…………..3

3.2. Цифро-аналоговое преобразование (ЦАП)………….11

3.3. Достоверность цифровой передачи………………….16

3.4. Выбор и обоснование типа АЦП……………………..17

3.5. Выбор и обоснование типа ЦАП……………………..20

4. Порядок выполнения работы…………………………24

5. Содержание отчета…………………………………….26

6. Контрольные вопросы…………………………………26

7. Литература……………………………………………...26

Методические указания к лабораторной работе «АЦП и ЦАП» по курсу «Преобразование, сжатие и архивирование сигналов изображения» для магистров, обучающихся по специальности 5А522104.

Рассмотрены и одобрены к печати

на заседании кафедры ТВ и РВ

протокол № от

Составители Махмудов Э. Б.

Кропивницкая Л. Н.

Ответственный редактор Махмудов Э. Б.

Корректор Павлова С. И.

Бумага офсетная. Заказ №

Тираж

Отпечатано в типографии ТУИТ

Ташкент 100084, ул. Амир Темура, 108