63743 (589029), страница 2
Текст из файла (страница 2)
Следующим логичным шагом может быть квантование амплитуд импульсных выборок - процесс определения для каждой выборки эквивалентного ей численного (цифрового значения). Указанные два шага (дискретизация и квантование) определяют процессы, осуществляемые при импульсно-кодовой модуляции. Они позволяют перейти от аналогового представления речевого сигнала к цифровому.
Численное значение каждой выборки в этой схеме может быть далее представлено (закодировано) в виде 7 или 8 битного двоичного кода (на практике при использовании аналого-цифровых преобразователей (АЦП двоичное кодирование осуществляется непосредственно при квантовании). Такое кодирование (часто называемое кодификацией дает возможность передать 128 или 256 дискретных уровней амплитуды речевого сигнала, обеспечивая качественную передачу речи формально с динамическим диапазоном порядка 42 или 48 дБ. Учитывая, что выборки должны передаваться последовательно, получаем двоичный цифровой поток со скоростью 56 кбит/с (8 кгц х 7 бит) в случае 7 битного кодирования или 64 кбит/с (8 кГц х 8 бит) в случае 8 битного кодирования.
Использование ИКМ в качестве метода передачи данных позволяет:
Для систем цифровой телефонии - ликвидировать недостатки присущие аналоговым методам передачи, а именно:
•убрать существенное затухание сигнала и его изменение в сеансе связи и от сеанса к сеансу;
•практически убрать посторонние шумы;
•улучшить разборчивость речи и увеличить динамический диапазон речи.
Перспективные способы модуляции:
OCDM-модуляция :
В широкополосных сигналах, получаемых мультиплексированием нескольких широкополосных сигналов с ортогональным кодовым уплотнением (Orthogonal Code Division Multiplex -- OCDM), используется одновременно несколько широкополосных каналов на одной частоте. Каналы разделяются за счет применения ортогональных PN-кодов. Фирма Sharp анонсировала 10-мегабитный модем, построенный по этой технологии. Фактически одновременно передаются 16 каналов с 16-чиповыми ортогональными кодами. В каждом канале применяется BPSK, затем каналы суммируются аналоговым методом. Вследствие суммирования независимых каналов возникает довольно сильная паразитная AM, что требует использования линейного усилителя мощности и вызывает большее потребление энергии.
Data Mux -- мультиплексор входных данных
BPSK -- блок фазовой модуляции
Spread -- блок расширения спектра методом прямой после-довательности ; Sum -- выходной сумматор
Рисунок 1.4 - Схема OCDM модуляции (16 Spread-каналов по 0,68 кбит/с = 10 Мбит/с)
OFDM-модуляция
Широкополосные сигналы, получаемые мультиплексированием нескольких широкополосных сигналов с ортогональным частотным уплотнением (Оrthogonal Frequency Division Multiplex -- OFDM), представляют собой одновременную передачу на разных несущих частотах сигналов с фазовой модуляцией. Одним из ее преимуществ является высокая устойчивость к провалам в спектре, возникающим вследствие многолучевого затухания. Модуляция обеспечивает наименьшую интерференцию и спектр, весьма похожий на спектр "белого шума". Обработка OFDM обычно происходит с использованием быстрого преобразования Фурье (БПФ) и инверсного БПФ, что приводит к усложнению схем декодирования по сравнению с более простым типом модуляции.
Применяется OFDM в современных системах наземного цифрового ТВ-вещания (DTTV) в диапазонах ОВЧ/УВЧ.
Data mux - мультиплексор входных данных
Channel - частотный канал
BPSK -- блок фазовой модуляции
Sum -- сумматор частотных каналов
Рисунок 1.5 - Схема OFDM-модуляции (16 независимых каналов по 0,68 кбит/с = 10 Мбит/с)
1.2 Сравнительный анализ способов кодирования - декодирования информации
Сделаем сравнительный анализ рассмотренных выше способов модуляции и выберем подходящий.
Прежде всего определимся с требованиями к способу приёма/передачи сигнала. В нашем случае сигнал передается по радиоканалу. При этом требования к высоким скоростям , как в случае передачи по телефонной линии, отсутствуют .
Также , в отличие от передачи по телефонной линии, отсутствует понятие дуплексной связи. Исходя из этого будем выбирать наиболее простой и проверенный способ. Так называемые , переспективные способы модуляции, OCDM и OFDM не подходят, т.к. работают с широкополосными сигналами и слишком сложны в исполнении. Импульсно-кодовая модуляция также не подходит т.к. напра-влена на работу с цифровыми линиями. Среди таких видов модуляции как, фазовая , амплитудно-фазовая и частотная, наиболее подходящей является частотная модуляция. Частотная модуляция (FSK) обычно используется при приёме-передаче не требующей высоких скоростей, проста в реализации. Очень часто FSK используется в судовом телеграфе , а т.к наше устройство в принципе предназначено для установки на судах дальнего плавания, то при согласовании с телеграфом можно будет принимать сообщения прямо на ЭВМ. Вывод: выбираем частотную модуляцию.
1.3 Анализ аппаратной реализации
Аппаратная реализация устройства кодирования-декодирования информации может быть очень различной.
1) Приведем структурную схему аппаратного способа реализации устройства кодирования-декодирования использующего частотную модуляцию.
Рисунок 1.6 - Структурная схема передатчика.
Рисунок 1.7 - Структурная схема приёмника.
Описание работы.
При передаче от ЭВМ цифрового кода генераторы G1 и G2, заполняют сигнал, синусоидами с разными частотами, соответ-ствующими "1" и "0", т.е. первоначальный сигнал моделируется.
При приёме, полосовые фильтры Ф1 и Ф2 настроенные на полосы частот "1" и "0" формируют соответствующий цифровой код , крутые фронты которого создаются с помощью пороговых элементов ПЭ1 и ПЭ2. После чего происходит определение какой из кодов пришел и передача его в ЭВМ.
2) Рассмотрим следующую блок - схему устройства кодирования-декодирования информации.
В наше время все большую популярность получают устройства кодирования-декодирования информации с использованием цифровых сигнальных процессоров.
Приведем в пример устройство выпускаемое фирмой Analog Devices называемое SHARC EZ-Kit. Это устройство является универсальным комплексом по решению различных задач обработки сигналов, в том числе и задач кодирования и декодирования информации. На рис. 1.8 представленна блок-схема данного комплекса.
Рисунок 1.8 - Блок - схема комплекса SHARC EZ-Kit
Аналогов таких устройств существует большое количество, отличающихся типом DSP, кодека, элементной базой и т.п., но принцип у всех один - универсальность. Основной алгоритм работы устройства обеспечивается программным образом без вмешательства в аппаратную часть.
SHARC EZ-KIT Lite состоит из небольшой демонстрационной платы на основе процессора ADSP-21061, работающего на тактовой частоте 160 МГц. Кроме процессора плата содержит 16-битный звуковой стереокодек AD1847, контроллер интерфейса RS-232 и микросхему EPROM, установленную в кроватку. Внешние порты и различные управляющие сигналы процессора не использованные на самой плате выведены на контакты разъемов расширения (сами разъемы не установлены для упрощения платы). Таким образом, плата может использоваться как прототип устройства, если подключить ее к необходимым внешним модулям. Для удобства отладки на плате установлены три кнопки — сброс, прерывание, флаг и четыре раздельно управляемых светодиода. Кодек связан с процессором через один из последовательных портов, второй порт оставлен свободным. Предусмотрен также JTEG порт, предназначенный для подключения переходника внутрисхемного эмулятора EZ-ICE. Сам эмулятор в комплект поставки не входит и может быть приобретен отдельно.
Такие устройства достаточно дорогие в финансовом плане, но там где необходима высокая точность и быстродействие, они себя окупают. Например, данное уствойство SHARC EZ-Kit стоит на фирме Analog Devices - 220$.
1.4 Сравнительный анализ способов аппаратной реализации
В ходе анализа аппаратной реализации было рассмотренно два способа: первый без использования цифрового сигнального процессора, второй с его использованием.
Т.к. проектируемое устройство планируется использовать на судах дальнего плавания, то оно должно обладать высокой степенью точности, надежности и быстродействия. Все это можно реализовать только с использованием современных процессоров цифровой обработки сигналов. Исходя из этого, мы выбираем второй пример аппаратной реализации рассмотренный в предыдущем разделе. Конечно, наше устройство не будет похоже SHARC EZ-Kit, но принцип и технология останутся теми же.
1.5 Выводы по аналитическому обзору
После проведения аналитического обзора и сравнительного анализа было решено, что :
устройство кодирования-декодирования информации будем выполнять с использованием цифрового сигнального процессора;
весь алгоритм модуляции-демодуляции, передачи в порт ЭВМ, приёма из порта и т.п. выполняется программно под соответствующий DSP;
в качестве способа модуляции выбран метод частотной модуляции.
2. Разработка структурной схемы устройства
Составлять структурную схему устройства будем из основных функциональных блоков входящих в устройство.
Рисунок 2.1 - Структурная схема устройства
Описание структурной схемы:
Аналоговый вход
На вход устройства подается принятый по радиоканалу сигнал. Приемник сигнала из радиоканала нами рассматриваться не будет, но о наличие такового мы будем помнить. После попадания на вход устройства сигнал направляется в аналогово-цифровой кодер-декодер (кодек).
Кодек:
После фильтра низких частот сигнал поступает на кодер-декодер.
Кодек - это высокоскоростной чип, со встроенными аналого-цифровым и цифро-аналоговым преобразователями, последовательным портом, программируемым интервальным таймером, регистрами и т.п.
Кодек имеет определенную разрядность цифровых данных передаваемых по его последовательному порту. Разрядность должна совпадать с разрядностью DSP , а также частота дискретизации по теореме Котельникова, должна быть в два раза больше частоты сигнала.
Т.к. используется частотная модуляция и частота "1" = 1615 Hz и "0" = 1785 Hz. то, вполне достаточно выбрать 16-ти разрядный кодек, с частатой дискретизации 8 kHz.
Рассмотрим принципы АЦП и ЦАП преоразования, которые также используются в кодеке.
Физические сигналы являются непрерывными функциями времени. Чтобы преобразовать непрерывный, в частности, аналоговый сигнал в цифровую форму используются аналого-цифровые пребразователи (АЦП). Процедуру аналого-цифрового преобразования сигнала обычно представляют в виде последовательности трех операций: дискретизации, квантования и кодирования. Однако, если придерживаться терминологии принятой в литературе по системам цифровой связи, то первая операция, дискретизация, соответствует модуляции сигнала, а вторая операция, квантование, есть ни что иное, как один из cпособов кодирования. Поэтому процедуру аналого-цифрового преобразования сигнала можно также представить в виде последовательности двух операций - модуляции и кодирования.
Операция дискретизации заключается в определении выборки моментов времени измерения сигнала. Операция квантования состоит в считывании значений координаты сигнала в выбранные моменты измерения с заданным уровнем точности, а операция кодирования - в преобразовании полученных измерений сигнала в соответствующие значения некоторого цифрового кода или кодовой комбинации, которые затем передаются по каналам связи.
Процедуру восстановления непрерывного сигнала из цифрового представления также можно представить в виде двух операций: декодирования и демодуляции. Операция декодирования выполняет операцию обратную операции кодирования, т.е. преобразует последовательность заданных значений кодовой комбинации (кодовых слов) в последовательность измерений, следующих друг за другом через заданные интервалы времени дискретизации. Операция демодуляции выполняет интерполяцию или восстановление непрерывного сигнала по его измерениям. Преобразование сигнала из цифровой формы в непрерывный сигнал осуществляется цифро-аналоговыми пребразователями (ЦАП).
Итак, после поступления аналогового сигнала , кодек преобразует его в цифровой код, который по последовательному порту передается в цифровой сигнальный процессор (DSP), где по определенному алгоритму преобразуется и передается в ЭВМ.
При приеме цифрового кода от DSP, по своему последовательному порту, кодек преобразует его в аналоговый сигнал и передает на выход, где сигнал поступает на передатчик по радиоканалу (который не входит в наше устройство) и передается на другое такое же устройство.
Инициализация и настройка работы кодека, также как в DSP, осуществляется программно, что намного упрощает его точную настройку.
Цифровой сигнальный процессор (ЦСП или DSP):
Главной частью нашего устройства кодирования - декодирования информации является цифровой сигнальный процессор ( digital signal processor , DSP).
Цифровые сигнальные процессоры обладают огромными возможностями по цифровой обработке сигналов : спектральный анализ, цифровая фильтрация, преобразование частоты дискретизации, подстройка в реальном времени скорости воспроизведения и т.п.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
