Оцифровка сигналів, ІКМ

Якщо раніше цифровою була апаратура управління, наприклад, телемеханіка, сигналізація, то зараз оцифровується навіть звичайна мова. Як не крути, а «зелене» поняття треба мати, яким саме чином чином проходить оцифровка сигналів. Тим більше це не є таким складним процесом, як привикли думати більшість людей. В цій статті ми розглянемо етапи оцифровки сигналів, які одним словом називаються ІКМ - імпульсно-кодова модуляція. 

Для прикладу оцифруємо звуковий сигнал. Отже, коли ми говоримо, то мікрофон перетворює звук в такі коливання:

Потім сигнал дискретизується вибірками через певні проміжки часу. Це простіше показати на малюнку:

Сигнал на рис. 2(а) називається аналоговий сигнал, на рис. 2(в) - дискретний сигнал (позначений червоними паличками). В 1933 році Котельников довів теорему, висновок з якої приблизно такий: частота дискретизації f_д має бути більшою в 2 рази від найвищої частоти F потрібного сигналу:

Тобто, якщо звукова частота лежить в діапазоні 20-20000 Гц (верхньою буде частота F=20 кГц), то частота дискретизації повинна бути більшою 40 кГц (f_д ≥ 2*20 = 40 кГц). Можна вибрати частоту дискретизації, наприклад, 1 МГц, але толку з цього ніякого не буде - якість звучання при відтворенні не збільшиться, а от зайвої інформації буде більш ніж потрібно.

Поїхали далі. Щоб дискретний сигнал зробити цифровим, треба виконати ще одну операцію, яку назвали квантування (дискретизація по амплітуді). Розіб’ємо амплітуду на 255 частин. Так поступають дуже часто, бо з восьми біт буде 256 комбінацій (2­­⁸= 256), можете порахувати, якщо не вірите: 00000000; 00000001; 00000010; 00000011; 00000100 … 11111101; 11111110; 11111111 - всього 256 комбінацій. Далі кожну дискрету (червону паличку) заокруглимо до фіксованого значення (знайдіть 10 відмінностей в рис. 3(а) і 3(б)). Кожному рівню дискрет відповідає відповідний двійковий код. В нашому випадку (див. рис. 3(б)) першій дискреті відповідає код 00000010, другій - 00000001 і т.д.

В нас утвориться послідовність бітів (рис.4) - це і буде цифровий сигнал:

На практиці всі ці операції може виконувати одна мікросхема, яку називають АЦП (аналогово-цифровий перетворювач). З цифровим сигналом можна робити все, що завгодно: стискати (дуже важлива процедура), кодувати завадостійкими кодами (для передачі сигналу на відстані), шифрувати.

Щоб назад перетворити цифровий сигнал в аналоговий, його подають на ЦАП (цифро-аналоговий перетворювач). Але тут є один недолік - після того, як ми сигнал проквантували (перетворили в біти рис. 3(б)), то назад вже не можемо його відновити до вихідного стану. Так ми отримуємо всім знайомий цифровий шум.

-----------

http://moehobi.com/?p=180