Глава 5 (Учебник - информационные системы), страница 12
Описание файла
Файл "Глава 5" внутри архива находится в папке "Учебник - информационные системы". Документ из архива "Учебник - информационные системы", который расположен в категории "". Всё это находится в предмете "информационные устройства и системы" из 9 семестр (1 семестр магистратуры), которые можно найти в файловом архиве МГТУ им. Н.Э.Баумана. Не смотря на прямую связь этого архива с МГТУ им. Н.Э.Баумана, его также можно найти и в других разделах. Архив можно найти в разделе "книги и методические указания", в предмете "информационные устройства и системы" в общих файлах.
Онлайн просмотр документа "Глава 5"
Текст 12 страницы из документа "Глава 5"
В завершении отметим основные достоинства АЛС, обеспечившие их широкое применение в самых разных областях техники. Это: многофункциональность, широкий диапазон измерений, простота и надежность технических решений. Недостатком АЛС является низкая помехозащищенность.
5.3.6. Основы цифровой записи звука
Во многих случаях, особенно в автономных режимах работы АЛС, возникает задача записи и хранения больших объемов звуковой информации. В наиболее простых системах производится аналоговая запись акустических сигналов на магнитофонную ленту с помощью традиционных или специальных магнитофонов, в других случаях используются системы цифровой записи. Важнейшим требованием к системам звукозаписи является необходимость обеспечения заданного динамического диапазона £д в широком спектре звуковых частот f при наличии значительных акустических помех.
Для примера ограничимся более простой задачей - записью акустических сигналов звукового диапазона. Как известно, полоса частот звукового сигнала составляет 16 Гц ... 20 кГц. Динамический диапазон натурального звука £д определяется выражением £д = 20lg (pmax/p0), где p0 - давление, соответствующее порогу слышимости, а pmax - болевой порог. Значение £д на разных частотах различно, и на тестовой частоте 1000 Гц составляет 120 ... 140 дБ. Максимальная величина динамического диапазона £да, достигаемая в канале аналоговой записи/воспроизведения звука, даже со средствами шумоподавления не превышает 70 дБ. Больший диапазон £дц (свыше 100 дБ) достигается в цифровых системах записи. В этом случае практически исключаются нелинейные искажения (их значение не превосходит 0,05%) и детонация звука. В результате, для высококачественной записи и воспроизведение звука все больше используются именно цифровые системы звукозаписи.
Рассмотрим этот вопрос подробнее. Основополагающий принцип оцифровки сигналов был сформулирован в 1928 году Г. Найквистом, инженером телефонной компании AT&T. В соответствии с его теоремой «количество замеров должно, по крайней мере, вдвое превышать число деталей». Применительно к записи звука верхний порог сигнала составляет 20000 Гц. По критерию Найквиста замеры напряжения должны проводиться не реже 40000 раз в секунду. За стандартную частоту дискретизации fд принято значение 44100 Гц. «Некруглость» этого значения связана с тем, что в первых системах цифровой записи звука использовались бытовые видеомагнитофоны. В стандарте PAL видеомагнитофон записывает 50 изображений (полей) в секунду, причем в каждом поле содержится 294 телевизионных строки. Количество замеров звука на строку может быть любым целым числом, и при трех замерах на строку получается 502943, что и составляет частоту 44100 Гц. (Интересно, что и видеомагнитофон, работающий в американском стандарте NTSC также годен для оцифровки звука, т.к. он записывает 60 полей по 245 строк в секунду и 602453 по-прежнему равно 44100 Гц).
В о всех системах звукозаписи изначальная запись звукового сигнала производится аналоговыми средствами. В цифровых системах аналоговый сигнал преобразуется в цифровую форму. Это преобразование описывается двумя основными параметрами: разрешением (квантованием по уровню) и частотой дискретизации fд.
Разрешение определяется необходимым динамическим диапазоном £д воспроизводимого сигнала. Например, динамический диапазон в 100 дБ требует не менее чем 16 битного квантования, т.е. разрешение составит 1/65535 максимальной амплитуды сигнала или 0,0015 дБ. Общепринятыми значениями fд являются 44,100 кГц (высокое качество), 22,050 кГц (среднее качество) и 11,025 кГц (низкое качество). Представление звука в цифровой форме предполагает значительное расширение полосы пропускания канала f. Так, передача звука с полосой 20 кГц и динамическим диапазоном 100 дБ при частоте дискретизации fд = 44,1 кГц (без компрессии) требует потока информации I/t равного: I/t = 44,1 кГц 16 бит = 706 кбит/с, что соответствует полосе частот f = 768 кГц.
При цифровой записи стереозвука полоса расширяется вдвое. В этом случае, сначала производится аналоговая запись каждого канала на Hi-Fi магнитофон (обычно, формата VHS). Далее сигналы оцифровывается и записываются непосредственно на компакт диск с полосой частот f = 768 кГц 2 = 1536 кГц. Ясно, что объем двоичных данных, полученных в результате такой записи весьма велик. Так, для хранения всего 10 секунд аудиоинформации необходимо 15,3 Мб дискового пространства. При большем числе каналов эта проблема еще более обостряется. Поэтому, обычно информация на диск записывается не непосредственно, а в формате линейной импульсно-кодовой модуляции (ИКМ или PCM-Pulse Code Modulation). Линейная ИКМ является алгоритмом квантования и дискретизации, преобразующим аналоговые сигналы в цифровые дискретизированные величины, без сжатия частотного спектра (рис. 5.58). На этом рисунке в качестве иллюстрации приведен пример ИКМ с 8 интервалами квантования при 3-х битных словах и частотой дискретизации fд 2fв где fв - наибольшая частота звукового сигнала. Алгоритм линейной ИКМ позволяет записывать сигналы с полосой пропускания до 6,144 Мбит/с, однако и этого для высококачественной многоканальной записи оказывается недостаточно. Более прогрессивный способ кодирования предполагает использование дифференциальной ИКМ (DPCM). В этой схеме кодируются разности между текущими значениями сигналов и предшествующими, а не сами дискретизированные величины. Поскольку значения этих разностей меньше дискретизированных значений, для кодирования той же самой звуковой информации можно использовать меньше битов (так, разница между двумя 16-битовыми величинами равна всего 4 битам). Исходя из этих соображений, дифференциальную ИКМ можно рассматривать и как схему сжатия звуковой информации.
Простейшим способом сжатия звукового сигнала без потерь является кодирование по алгоритму Хаффмена. Подробнее этот алгоритм будет рассмотрен в главе 6.
5.4. Оптические локационные системы
О птические информационные системы предназначены для получения информации об объектах, на основании анализа их оптических параметров в диапазоне видимых, ультрафиолетовых (УФ), инфракрасных (ИК) и рентгеновских волн. Такими параметрами объектов являются их спектральные и фотометрические характеристики, зависящие от строения и рельефа поверхности объекта, его температуры и агрегатного состояния, а также от длины волны и угла падения излучения. Оптическое излучение является, пожалуй, самым перспективным носителем информации, что позволяет использовать оптические локационные системы (ОЛС) в самых разнообразных задачах навигации, измерения и контроля, дефектоскопии и др. Наиболее широко ОЛС применяются в машино- и приборостроении, металлургии и химической промышленности, средствах связи, охранных системах и устройствах видеонаблюдения. ОЛС является также важнейшим элементом информационного обеспечения современных роботов. Исходя из перечня решаемых задач, все ОЛС можно разделить на два больших класса: системы локации и системы зрения.
Системы первого класса используются, главным образом, в задачах навигации и измерения, второго в задачах, связанных с получением и анализом образа объекта. ОЛС обеспечивают высокую точность измерения размеров объектов, расстояний и скоростей (погрешность составляет 0,01 ... 0,1 %). Уровень выходного сигнала различных ОЛС лежит в пределах 10-3 … 105 Вт, что позволяет применять эти системы в средствах ближней и дальней локации.
ОЛС классифицируются по трем основным признакам:
-
по принципу локации: активные и пассивные.
-
по типу первичного преобразователя: вакуумные, оптронные и лазерные.
-
по взаимному расположению объекта и его изображения (рис. 5.59): каллиматорные - объект и его изображение находятся в бесконечности (рис. 5.59а), телескопические - в бесконечности расположен только объект (рис. 5.59б), проекционные - в бесконечности находится только изображение (рис. 5.59 в) и фокусирующие - объект и его изображение расположены на конечном расстоянии (рис. 5.59г).
Символами F и F’ обозначены переднее и заднее фокусные расстояния ОЛС. Фокусное расстояние - это важнейшая характеристика ОЛС, определяющая ее угол зрения и то, насколько крупным будет изображение объекта. (Так, для системы видеонаблюдения, чем больше ее фокусное расстояние, тем меньше угол зрения камеры и тем крупнее изображение объекта на мониторе).
Первичные преобразователи ОЛС, в отличие от АЛС необратимы и поэтому их принято разделять на источники и приемники излучения.
5.4.1. Теоретические основы оптики
В соответствии с открытой в 1864 году Д. Максвеллом электромагнитной теорией света - оптические явления создаются электромагнитными поперечными волнами, представляющими собой распространяющееся в пространстве электромагнитное поле. Скорость распространения оптического излучения в вакууме c0 составляет 299792,5 м/с.
Длины волн соответствующие различным диапазонам электромагнитного излучения приведены в табл. 5.11.
Таблица 5.11. Диапазоны электромагнитного излучения
Длина волны , м | Вид волн | Источник |
104 ... 10 | Радио (ДВ, СВ, КВ) | Генераторы |
10 ... 1 | Радио (УКВ), телевидение (ОВЧ) | Ламповые генераторы |
1 ... 10-1 | Телевидение (УВЧ) | |
10-1 … 10-3 | Микроволны | Магнетроны (клистроны) |
10-4 ... 10-6 | ИК свет | Колебания кристаллической решетки объекта |
8 10-7 ... 4 10-7 | Видимый свет | |
10-7 ... 10-8 | УФ свет | Колебания атомов |
10-9 ... 10-11 | Рентгеновские лучи | Электронные переходы |
10-12 (0,003 нм) | -излучение | Колебания ядер |
Б ольшинство ОЛС, используемых в робототехнике и мехатронике, а также системы зрения функционируют в диапазоне видимых волн (рис. 5.60). Волны видимого диапазона субъективно описываются двумя переменными - яркостью (амплитудой сигнала) и цветом (длиной волны). Информация о яркости применяется во всех ОЛС, цвете - только в системах зрения. На рис. 5.60 буквами Ф, С, З, Ж, О, К обозначены поддиапазоны фиолетового, синего, зеленого, желтого, оранжевого и красного спектров излучения.