АППАРАТНЫЕ СРЕДСТВА И СХЕМОТЕХНИКА ОБРАБОТКИ ЦИФРОВЫХ СИГНАЛОВ В ТЕЛЕКОММУНИКАЦИОННЫХ СИСТЕМАХ

Аппаратные средства, схемотехника и интерфейсы АЦП

Передача информации в телекоммуникационных системах осуществляется в виде электрических, оптических сигналов и радиоволн. Для обеспечения качественной передачи требуется преобразовать информацию из непрерывного или дискретного сигнала в линейные физические сигналы, передаваемые через канал связи и физическую среду распространения сигнала с помощью модуляции и кодирования.

Модуляция - процесс изменения параметра (параметров) сигнала, переносящего информацию, в зависимости от параметров первичного сигнала, поступающего от источника сообщения. Модуляция может осуществляться для непрерывного исходного сигнала:

  • - на основе непрерывного аналогового синусоидального сигнала, называемого несущей - аналоговая модуляция;
  • - на основе дискретного сигнала в виде импульсов - импульсная или цифровая модуляция, чаще всего - импульсно-кодовая модуляция.

При использовании для модуляции аналогового сигнала в качестве изменяемых параметров рассматривается изменение амплитуды, частоты или фазы синусоидального сигнала несущей частоты.

В случае использования дискретного сигнала самой распространенной является импульсно-кодовая модуляция, ИКМ (Pulse Code Modulation, PCM). Здесь исходный аналоговый сигнал кодируется сериями импульсов, представляющими собой цифровые коды амплитуд в точках отсчета аналогового сигнала (см. рис. 4.1).

Дискретизация и квантование аналогового сигнала в

Рис. 4.1 - Дискретизация и квантование аналогового сигнала в

процессе ИКМ

На рис. 4.1 показано, как исходный сигнал подвергается процессу дискретизации по времени. Дискретизация по времени, выполняется в соответствии с теоремой Котельникова. Согласно данной теореме Котельникова (теорема Найквиста-Шеннона), если исходный аналоговый сигнал x(t) имеет ограниченный спектр, то этот сигнал может быть восстановлен по своим дискретным отсчетам, взятым с частотой более удвоенной максимальной частоты спектра Fmax, где Fmax - верхняя частота спектра исходного аналогового сигнала. Иными словами:

Из этого следует, что период дискретизации Т дискр аналогового сигнала, т.е. периоды времени, через которые формируются дискретные отсчеты, рассчитывается по формуле:

Поскольку ИКМ первоначально разрабатывалась для передачи речи с диапазоном частот от 0,3 до 3,4 кГц по цифровым телефонным каналам, то частота дискретизации должна быть больше, чем 6,8 кГц и окончательно стандартизирована как 8 кГц. Таким образом, амплитуда сигнала фиксируется 8000 раз в секунду, то есть каждые 125 мкс. В результате получаются т.н. единичные отсчеты сигнала - отсчеты сигнал для квантования.

Квантование по уровню следует за дискретизацией и предусматривает разбиение диапазона значений амплитуд отсчетов сигналов на конечное число интервалов равной или неравной длины по оси ординат (по вертикали). Длина такого интервала называется шагом квантования А, соответственно, через шаг А следуют уровни квантования. Каждому уровню квантования сопоставляется двоичный код, с помощью которого значение амплитуды квантованного сигнала выражается в битах. Чем длиннее код в битах, тем больше уровней квантования. Например, для 8 бит в ИКМ количество возможных уровней квантования соответствует 256. Тогда шаг квантования А можно рассчитать по формуле:

Umax - максимальный уровень напряжения сигнала;

Umin - минимальный уровень напряжения сигнала;

п - число разрядов для кодирования уровней сигнала.

Аналогово-цифровые преобразователи, АЦП - устройства, которые принимают входные аналоговые сигналы и генерируют соответствующие им цифровые коды, пригодные для обработки другой аппаратурой телекоммуникаций.

В основу классификации АЦП положен признак, указывающий как осуществляются операции квантования и кодирования - последовательно, параллельно, либо последовательно-параллельно. Общее обозначение и описание схемотехники АЦП приведено на рис. 4.2.

Опорное напряжение АЦП задает диапазон входного постоянного или изменяющегося напряжения, на котором производится преобразование. На некоторые АЦП можно подавать два опорных напряжений с разными знаками, тогда АЦП способен работать как с положительными, так и с отрицательными входными напряжениями.

Обозначение микросхемы АЦП (www.intuit.ru)

Рис 4.2 - Обозначение микросхемы АЦП (www.intuit.ru)

Выходной цифровой код N (n-разрядный) однозначно соответствует уровню входного напряжения. Код может принимать 2П значений, то есть АЦП может различать 2П уровней входного напряжения. Количество разрядов выходного кода п представляет собой важнейшую характеристику АЦП. В момент готовности выходного кода выдается сигнал окончания преобразования RDY (ready), по которому внешнее устройство может читать код N.

Тактовый сигнал CLK задает частоту преобразования, то есть частоту выдачи выходных кодов. Предельная тактовая частота — второй важнейший параметр АЦП. В некоторых микросхемах имеется встроенный генератор тактовых сигналов, поэтому к их выводам подключается кварцевый генератор или конденсатор, задающий частоту преобразования. Сигнал CS разрешает работу микросхемы.

АЦП последовательного типа (АЦП с поразрядным уравновешиванием) на рис. 4.3. является наиболее распространенным вариантом последовательных АЦП. Здесь измеряемая величина последовательного сравнивается с 1/2, 1/4, 1/8 и т.д. от ее полной шкалы. Это позволяет для N-разрядного АЦП последовательного приближения выполнить весь процесс преобразования из N последовательных шагов (итераций) вместо 2N_1 при использовании последовательного счета и получить существенный выигрыш в быстродействии.

Описание АЦП последовательного типа (www.intuit.ru)

Рис 4.3 - Описание АЦП последовательного типа (www.intuit.ru)

На рис. 4.3 входное напряжение последовательно сравнивается одним единственным компаратором с несколькими эталонными уровнями напряжения, и в зависимости от результатов этого сравнения формируется выходной код.

АЦП параллельного типа на рис. 4.4 работает по более простому принципу. Здесь входное напряжение сравнивается с помощью компараторов с уровнями, формируемыми делителем напряжения. Выходные сигналы компараторов с помощью шифратора (CD) преобразуются в n-разрядный двоичный код. Шифратор выдает на выход номер последнего из сработавших (то есть выдавших сигнал логической единицы) компараторов.

Например, в случае 3-разрядного АЦП (на рис. 4.4) при величине входного напряжения от 0 до 1/8 опорного напряжения выходной код будет 000, при входном напряжении от 1/8 до 2/8 опорного напряжения сработает первый компаратор, что даст выходной код 001, при входном напряжении от 2/8 до 3/8 опорного напряжения сработают компараторы 1 и 2, что даст выходной код 010, и т.д.

АЦП параллельного типа (www.intuit.ru)

Рис 4.4 - АЦП параллельного типа (www.intuit.ru)

Последовательно-параллельные АЦП являются компромиссом между стремлением получить высокое быстродействие и желанием сделать это по возможности меньшей ценой. Последовательно-параллельные АЦП подразделяют на многоступенчатые, конвейерные и многотактные.

Цифровой интерфейс АЦП определяет способ подключения АЦП к приемнику выходного кода, например, МПр или цифровому процессору сигналов. Свойство цифрового интерфейса непосредственно влияют на уровень верхней границы частоты преобразования АЦП. Наиболее часто применяют способ связи АЦП с процессором, при котором АЦП является для процессора как бы одной из ячеек памяти.

При этом АЦП имеет необходимое число адресных входов, дешифратор адреса и подключается непосредственно к адресной шине и шине данных процессора. Для этого он обязательно должен иметь выходные каскады с тремя состояниями.

Здесь выходная величина может быть считана в виде последовательного кода прямо с компаратора или регистра последовательного приближения (РПП).

Другой способ предусматривает использование АЦП с последовательным интерфейсом выходных данных.

На рис. 4.5. приведена схема, реализующая последовательный SPI (serial port interface) интерфейс. Процессор является ведущим (master).

Пример последовательного интерфейса АЦП (www.intuit.ru)

Рис. 4.5 - Пример последовательного интерфейса АЦП (www.intuit.ru)

Процессор инициирует начало процесса преобразования задним положительным фронтом (срезом) сигнала на входе «Пуск» АЦП. С тактового выхода процессора на синхро-вход АЦП поступает последовательность тактовых импульсов. Начиная со второго такта после пуска, на выходе данных. АЦП формирует последовательный код выходного слова старшими битами вперед. Этот сигнал поступает на MISO (master - input, slave - output) вход процессора.

Простейший интерфейс обеспечивает наименьшее время цикла «преобразование - передача данных». Способ имеет два существенными недостатками. Во-первых, переключение выходных каскадов АЦП во время преобразования привносит импульсную помеху в аналоговую часть преобразователя, что вызывает ухудшение отношения сигнал/шум. Во-вторых, если АЦП имеет большое время преобразования, то процессор будет занят приемом информации от него существенную часть вычислительного цикла.

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ   След >