Передача сообщений

1.3. Передача сообщений. 1

1.3.1. Общие сведения. 2

Схема передачи. 2

Терминология. 4

Мера информации. 4

Объем сигнала. 9

Объем сигнала и количество информации. 10

Пропускная способность каналов связи. 11

Помехоустойчивость. 12

1.3.2. Кодирование. 15

Код Грея. 18

Код Шеннона-Фано. 18

Код Хемминга. 19

Циклический код. 20

Линейное кодирование. 20

Телемеханические коды.. 22

1.3.3. Сигналы и их характеристики. 34

Спектры сигналов. 34

Корреляционные характеристики сигналов. 38

1.3.4. Модуляция. 41

Амплитудные модуляции (АМ). 42

Частотная модуляция (ЧМ). 44

Импульсно-кодовая модуляция. 45

Манипуляция. 49

1.3.6. Пропускная способность линии связи. 51

Теорема Найквиста. 51

Теорема Котельникова. 51

Теорема Шенона-Хартли. 52

Беспроводные линии связи. 53

1.3.5. Телефонные линии связи. 55

Многоканальные системы. 57

Междугородняя телефонная связь. 57

1.3.6. Интерфейсы компьютерных систем.. 59

ПЕРЕЧЕНЬ ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ.. 59

Децибел. 61

Схема передачи. При автоматизации систем электроснабжения приходится строить систему при значительном удалении отдельных компонентов друг от друга. В связи с этим необходимо достаточно внимания уделять проблеме передачи информации через каналы связи. Это касается в первую очередь систем оперативного управления устройствами электроснабжения, для чего организуется диспетчерский пункт, связанный через каналы связи с несколькими контролируемыми пунктами. На каждом из контролируемых пунктов находится несколько объектов управления. В большинстве случаев организуется двухсторонний обмен информацией, но известны системы и с односторонним потоком информации, например радиоуправление освещением . Схема передачи сообщения приведена на рис. 52.

Рис. 52. Схема передачи информации в системе телемеханики

Наиболее уязвимым звеном передачи информации является линия связи, уровень помех, воздействующих на нее трудно изменить. Помеха в общем случае может исказить сигнал, в результате приемник информации получит искаженное сообщение l’(t)≠l(t). Дальнейшее изложение выполнено согласно . Различают следующие виды помех: аддитивная и мультипликативная .

Терминология. Дадим несколько определений. Заметим, что приведенные ниже понятия могут иметь и другие определения, отличающиеся рассматриваемыми аспектами.

Информация – совокупность сведений о каком-либо событии, явлении, процессе, которая характеризует их с точки зрения тех или иных параметров, представляющих интерес для пользователя

Сообщение – совокупность знаков содержащих информацию.

Сигнал – физический процесс, отображающий (несущий) передаваемое сообщение. Формируется путем изменения какого-либо параметра физического процесса по закону сообщения.

Канал связи – совокупность устройств, обеспечивающих передачу сигнала от некой точки А до точки Б (см. рис. 52).

Линия связи – среда, используемая для передачи сигнала от передатчика к приёмнику.

Помехоустойчивость – способность системы противодействовать воздействию помехи.

Кодирование – отождествление передаваемых сообщений с набором букв или цифр. Каждое сообщение оказывается представимым в виде цифрового слова, или некоторого числа (кодовой комбинации).

Код – правило, по которому записываются различные кодовые слова или числа.

Мера информации. Несмотря на широкое распространение этого термина, понятие информации является одним из самых дискуссионных в науке. Шеннон рассматривает информацию как снятую неопределенность наших знаний о чем-то. “Классическая” шенноновская теория информации позволяет измерять информацию текстов и сообщений, исследовать и разрабатывать приемы ее кодирования в передатчике и декодирования в приемнике, измерять пропускную способность канала связи между ними, вычислять уровень шума в канале и минимизировать его воздействия. Винер, "отец" кибернетики дал такое определение: «Информация - это обозначение содержания, полученного из внешнего мира в процессе нашего приспособления к нему и приспособления к нему наших чувств». Предметом большинства теоретико-информационных работ была лишь “микроинформация” - информация, которую система не запоминает и которая является мерой разнообразия возможных микросостояний, определяющих данное макросостояние системы. Развитие работ А.Н. Колмогорова привели к определениям понятия алгоритмического количества информации. Алгоритмическое количество информации рассматривалось как минимальная длина программы (сложность), позволяющая однозначно преобразовывать одно множество в другое. Макроинформация принципиально отличается от упомянутой выше микроинформации именно тем, что системы ее запоминают. В биологии генетические тексты рассматриваются не как непосредственное зашифрованное описание порождаемых ими структур, а как описания алгоритмов их пространственно-временной реализации, или даже алгоритмы построения автоматов, реализующих эти алгоритмы. Информация по Г.Кастлеру представляет собой «запоминание случайного выбора» - изначально случайный, а затем запомненный выбор одного или нескольких осуществленных вариантов из всей совокупности возможных. Информация – это язык мира, понимаемого как живое целое. В информатике термин "информация" является первичным, неопределяемым.

Переводы статей основоположников теории информации (Хартли Р., Шеннона К. и др.) можно просмотреть здесь.

Понятие энтропия, широко используемое в теории информации рассмотрено здесь.

Единица измерения информации называется "бит". Ее определение звучит так: «Сообщение, уменьшающее неопределенность знаний человека в два раза, несет для него 1 бит информации». (Неопределенность знаний о некотором событии - это количество возможных результатов события).

Для передачи сообщения его часто преобразуют в дискретные сигналы. Последние можно рассматривать состоящими из n элементарных (единичных) сигналов. Единичный сигнал занимает, как правило, одну временную позицию. Каждый элементарный сигнал может иметь K различных значений. Величина K зависит от способов модуляции (очень часто К=2). Между числом сообщений М и n дискретными сигналами должно выполнять соотношение .

РальфХартли в 1928 году (Hartley R.V.L. Transmission of information) предложил следующую меру информации учитывающие физические, а не физиологические соображения

I=n· log a K = log a M

Из формулы следует, что неопределенность в системе тем выше, чем больше M . Основание a логарифма можно выбрать произвольно. Наиболее часто а=2. В этом случае единицей информации считается 1 бит. Если а=10 то – единица назвается Хартли, если а=е, то 1 нат. Мера Хартли справедлива при следующих допущениях: не рассматривается смысловая ценность информации, все М сообщений равновероятны и между элементарными сигналами отсутствует корреляция. Вероятность появления сообщения p=1/M.

Шеннон (1916-2001) в своих работах 1948-49 годов определил количество информации через энтропию - величину, известную в термодинамике и статистической физике как мера разупорядоченности системы, а за единицу информации принял то, что впоследствии окрестили "битом", то есть выбор одного из двух равновероятных вариантов. Шеннон получил формулу определения количества информации источника для случая, когда появление любого i-го сообщения из М возможных может иметь различную вероятность p i , при этом Sp i =1 (i=1, 2, …, M).

Мерой информации сигнала состоящего из n элементов, каждый из которых может принимать одно из К значений (при вероятности появления символа j из К возможных - p j) будет

Н И и Н С – называются энтропией источника и энтропией элементарного сигнала (т.е. среднее количество информации источника и элементарного сигнала).

Так, если у нас источник может иметь одно из равновероятных 16 состояний, и мы получили информацию о его состоянии (I = -16*1/16*log 2 (1/16) = log 2 (16) = 4), т.е. мы получили 4 бита информации. Если же источник мог иметь одно из двух состояний, одно с вероятностью 1/2 другое - 1/2, то энтропия источника равна 1. Для передачи этой информации нам потребуются разные сигналы. В первом случае либо один элемент с 16-ю состояниями или 4 элемента, каждый из которых имеет два состояния. Для второго достаточно одного элемента сигнала, который может принимать одно из двух состояний.

Можно показать, что мера Хартли соответствует максимальной возможной энтропии источника информации (при равновероятных сообщениях). Пример. Пусть имеется два источника информации с четырьмя возможными состояниями M=4 (т.е. каждый источник может выдать одно из четырех сообщений)

Источник_1

Энтропия (по Шеннону) составит

I 2 = –(3/4·log 2 (3/4)+ 1/12·log 2 (1/12)+ 1/12·log 2 (1/12)+ 1/12·log 2 (1/12))= 1.20752

Для передачи информации от источника с помощью сигнала необходимо выполнить соотношение Н и ≤ nH c . Если сигнал может обеспечить передачу с m информационными элементами, а имеет n>m, то сигнал обладает избыточностью R

R = (n-m) / n = 1 - n/m.

При передаче по каналу связи без помех избыточность не требуется. Если же канал имеет помехи, то избыточность используют для повышения помехоустойчивости передачи.

Наличие человека в системе учитывается при выборе параметров системы телемеханики. Возможности человека по восприятию информации уступает возможностям технических средств. Количество информации, которое нервная система человека способна передать в мозг при чтении текстов составляет примерно 16 бит/с, одновременно в сознании человек может удержать 160 бит. Время реакции на акустические и оптические сигналы находится в пределах 140-250 мс. Закон Меркаля (1885 г.) оценивает время реакции человека (Т, мс) на выполнение задания выбора из N объектов по выражению Т=200+180 * log2(N). При высокой способности человека к различению (1500 оттенков яркости, 330 уровней громкости, 2300 высот звука) одновременно он может различить не более 5-7 значений. Поэтому многие решения, принимаемые при создании систем телемеханики, учитывают указанные возможности человека.

Объем сигнала. В теории передачи информации часто используется трехмерное представление сигнала и вводят понятие объем сигнала V c . Параметры сигнала отображают в следующих координатах: длительность сигнала (T c), динамический диапазон (D c) и ширина частотного спектра (ΔF c).

Динамический диапазон принято измерять в относительных логарифмических величинах. При измерении отношения мощностей сигналов динамический диапазон определяется по максимальной и минимальной мощности сигнала:

Часто используют единицу измерения децибел.

.

Примеры динамических диапазонов: лектор - 25-35 дБ, капелла - 70-90 дБ.

Ширина частотного спектра, например, для речи человека составляет 20 кГц (20-20000 Гц), из которого по телефонной линии принято передавать ширину 3,1 кГц (от 300 до 3400 Гц).

Аналогично вводится понятие объема для канала связи, вводя следующие координаты: длительность передачи (Т К), – динамический диапазон канала (D К), – полоса пропускания (ΔF К). Телефонные каналы имеют полосу пропускания 3,1 кГц (от 300 до 3400 Гц). Динамический диапазон канала определяется через отношение максимальной мощности канала Р мах к мощности помехи Р min

V k = T k ·DF k ·D k

Для передачи сигнала по каналу необходимо выполнение условие V с ≤V к. При этом возможно потребуется изменить параметры сигнала, чтобы обеспечивалось и достаточное условие: ΔF С ≤ΔF К; D С ≤D К; Т С ≤Т К.

Объем сигнала и количество информации. Пусть сигнал имеет n элементарных символов с основанием кода K. В этом случае количество информации в сигнале I=n·log 2 K, а объем сигнала

V С = T С ·DF С ·D С = T С ·DF С ·log 2 (P c /P п)

где P c – мощность сигнал, P п - мощность помехи. Для сигнала длительностью Т с количество элементов сигнала n=Т с /Dt, где Dt – длительность элементарного сигнала. По теореме Котельникова спектр одиночного импульса может быть определен DF С = 1/ Dt. Получаем

I с =n·log 2 K= Т с /Dt log 2 K= Т с DF С log 2 K.

Обычно К=U/ DU, где DU – порог чувствительности, в случае если уровень помех не превышает DU/2. В канале с помехами

P п @U 2 п; P с @U 2 с; К=U с / U п =а к · P с / P п,

где а к =const и зависит от характеристик помех и способа выбора DU.

I с = Т с DF С log 2 (а к · P с / P п) = Т с DF С log 2 (P с / P п) + Т с DF С log 2 а к =

V с + Т с DF С log 2 а к.

Таким образом, в сигнале содержится полезная составляющая V c и дополнительная информация, отражающая способ выделения градаций сигнала.

Пропускная способность каналов связи. Для канала связи без помех информация может передаваться неизбыточным сигналом, бит/с

с = DF c ·log 2 K,

где K=U max /Du – число возможных градаций сигнала,

U max – максимальное значение сигнала,

Du – чувствительность приемника.

Для канала с помехой скорость достоверной передачи получена Шенноном

с = DF c ·log 2 (1+P c /P п),

где P c /P п –отношение мощности сигнала к мощности помехи.

Помехоустойчивость. Помехоустойчивость оценивается вероятностью p появления помехи в приемнике. Примеры помехоустойчивости различных систем:

система передачи данных (СПД) – р=10 -8 – 10 -9

проводной телеграф – р=10 -3 – 10 -4 .

телеграф (радиоканал) – р=10 -2 – 10 -3 .

Системы телемеханики должны обеспечить высокую достоверность передаваемой информации в условиях недостаточной помехоустойчивости каналов связи. Требования к достоверности передачи информации изложены в . Для обеспечения необходимой достоверности в сообщение кроме информационной составляющей приходится добавлять служебные элементы, позволяющие приемной стороне обнаруживать влияние помех.

Почти всегда в канале связи действует помеха. Существует много источников шума, один из главных тепловые шумы (P п = kQ B, где Q – температура в градусах Кельвина, B – полоса пропускания приемника, а k – постоянная Больцмана). На практике существенно большее влияние оказывают различного рода наводки.

Наиболее важным при передаче информации является обеспечение ее достоверности. К критериям оценки достоверности относятся следующие вероятности:

вероятность правильного приема Р ПР;

вероятность ложного приема Р Л ПР;

вероятность защитного отказа (обнаружения искаженной информации) Р ЗО (обычно около 10 -7);

вероятность потери сообщения Р ПОТ

вероятность подделки сообщения Р ПОД (не более одного сообщения в год).

Вероятность потери сообщения не является аналогом вероятности защитного отказа. Защитный отказ сопровождается сигналом о том, что была принята искаженная информация. В этом случае можно попытаться передать сообщение еще раз. В случае потери информации на приемной стороне ничего не будет принято. Такой случай имеет место, например, при искажении синхросигнала. В некоторых случаях системы работают в условиях постоянного поддержания синхронной работы источника и приемника. Однако большинство систем работают в режиме ожидания. Сообщение в случае, когда синхросигнал ожидается, будет безвозвратно потеряно.

Для оценки достоверности информации можно рассматривать все рассмотренные критерии, но Международный электротехнический комитет (МЭК) рекомендует выбирать два или даже один из них: Р Л ПР и Р ПОД. В зависимости от величины Р Л ПР по рекомендации МЭК все телемеханические каналы связи разделяются по достоверности на три класса: I1, I2, I3. Вероятность ложного приема P Л.ПР рассчитывается для двоичного симметричного канала связи с учетом вероятности искажения одного бита в канале связи p 0 = 10 -4 . Данное значение является характерным для канала связи среднего качества. Следующая таблица иллюстрирует достоверность систем различных классов и минимальное кодовое расстояние, которое они обеспечивают.

Классы достоверности систем передачи информации

Ложный прием будет зафиксирован, если избыточная часть будет соответствовать информационной. Помеха искажает каждый из контрольных символов с максимальной вероятностью 0,5, а все k контрольных символов будут искажены с вероятностью ≤ 0,5 k . Следовательно Р Л ПР max ≤ 0,5 k

Класс точности I1, может применяться в циклических системах ТИ, класс точности I2, рекомендуется применять в системах телесигнализации, класс I3 предназначен для передачи команд телеуправления.

Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет «ЛЭТИ» им. В.И. Ульянова (Ленина) (СПбГЭТУ)

Кафедра ВТ

РЕФЕРАТ

по дисциплине: «Цифровая обработка сигналов»

на тему: «Сигналы и их свойства»

Выполнил:

Проверил:

г. Санкт-Петербург, 2014 г.

1. Введение………………………………………………………………………………………………...3

2. Обобщенная структура системы цифровой обработки сигналов…………………………………..4

3. Классификация сигналов………………………………………………………………………………5

4. Характеристики сигналов……………………………………………………………………………...7

5. Формы представления сигналов……………………………………………………………………….8

6. Выводы…………………………………………………………………………………………………..9

7. Литература……………………………………………………………………………………………10

Введение

Понятие сигнала

Сигнал - символ (знак, код), созданный и переданный в пространство (по каналу связи) одной системой, либо возникший в процессе взаимодействия нескольких систем. Смысл и значение сигнала проявляются в процессе дешифровки его второй (принимающей) системой.

Сигнал - материальный носитель информации, используемый для передачи сообщений в системе связи. Сигнал может генерироваться, но его приём не обязателен, в отличие от сообщения, которое рассчитано на принятие принимающей стороной, иначе оно не является сообщением. Сигналом может быть любой физический процесс, параметры которого изменяются (или находятся) в соответствии с передаваемым сообщением.

Сигнал, детерминированный или случайный, описывают математической моделью, функцией, характеризующей изменение параметров сигнала.

Понятие сигнал позволяет абстрагироваться от конкретной физической величины, например тока, напряжения, акустической волны и рассматривать вне физического контекста явления связанные кодированием информации и извлечением её из сигналов, которые обычно искажены шумами. В исследованиях сигнал часто представляется функцией времени, параметры которой могут нести нужную информацию. Способ записи этой функции, а также способ записи мешающих шумов называют математической моделью сигнала .

Обобщенная структура системы цифровой обработки сигналов

Цифровая обработка связана с представлением любого сигнала в виде последовательности чисел. Это означает, что исходный аналоговый сигнал должен быть преобразован в исходную последовательность чисел, которая вычислителем по заданному алгоритму преобразуется в новую последовательность, однозначно соответствующей исходной. Из полученной новой последовательности формируется результирующий аналоговый сигнал.Обобщенная структура системы цифровой обработки сигналов приведена на рисунке ниже.

На ее вход поступает аналоговый сигнал от разнообразных датчиков, которые преобразуют физическую величину в электрическое напряжение. Его временная дискретизация и квантование по уровню производятся в аналого-цифровом преобразователе (АЦП). Выходным сигналом АЦП является последовательность чисел, поступающая в цифровой процессор ЦП, выполняющий требуемую обработку. Процессор осуществляет различные математические операции над входными отсчетами. Как правило, цифровой процессор включает в себя добавочную аппаратуру:

матричный умножитель;

дополнительное АЛУ для аппаратной поддержки формирования адресов операндов;

дополнительные внутренние шины для параллельного доступа к памяти;

аппаратный сдвигатель для масштабирования, умножения или деления на 2n.

Результатом работы процессора является новая последовательность чисел, представляющих собой отсчеты выходного сигнала. Аналоговый выходной сигнал восстанавливается по последовательности чисел с помощью цифро-аналогового преобразователя ЦАП. Напряжение на выходе ЦАП имеет ступенчатую форму. При необходимости можно использовать сглаживающий фильтр на выходе.

Классификация сигналов

По физической природе носителя информации :

электрические;

электромагнитные;

оптические;

акустические

По способу задания сигнала :

регулярные (детерминированные), заданные аналитической функцией;

нерегулярные (случайные), принимающие произвольные значения в любой момент времени. Для описания таких сигналов используется аппарат теории вероятностей.

В зависимости от функции, описывающей параметры сигнала , выделяют аналоговые, дискретные, квантованные и цифровые сигналы:

непрерывные (аналоговые), описываемые непрерывной функцией;

дискретные, описываемые функцией отсчётов, взятых в определённые моменты времени;

квантованные по уровню;

дискретные сигналы, квантованные по уровню (цифровые).

Аналоговый сигнал (АС)

Большинство сигналов имеют аналоговую природу, то есть изменяются непрерывно во времени и могут принимать любые значения на некотором интервале. Аналоговые сигналы описываются некоторой математической функцией времени.

Пример АС - гармонический сигнал: s(t) = A·cos(ω·t + φ).

Аналоговые сигналы используются в телефонии, радиовещании, телевидении. Ввести такой сигнал в цифровую систему для обработки невозможно, так как на любом интервале времени он может иметь бесконечное множество значений, и для точного (без погрешности) представления его значения требуются числа бесконечной разрядности. Поэтому очень часто необходимо преобразовывать аналоговый сигнал так, чтобы можно было представить его последовательностью чисел заданной разрядности.

Дискретный сигнал

Дискретизация аналогового сигнала состоит в том, что сигнал представляется в виде последовательности значений, взятых в дискретные моменты времени t i (где i - индекс). Обычно промежутки времени между последовательными отсчётами (Δt i = t i − t i−1) постоянны; в таком случае, Δt называется интервалом дискретизации . Сами же значения сигнала x(t) в моменты измерения, то есть x i = x(t i), называются отсчётами.

Квантованный сигнал

При квантовании вся область значений сигнала разбивается на уровни, количество которых должно быть представлено в числах заданной разрядности. Расстояния между этими уровнями называется шагом квантования Δ. Число этих уровней равно N (от 0 до N−1). Каждому уровню присваивается некоторое число. Отсчёты сигнала сравниваются с уровнями квантования и в качестве сигнала выбирается число, соответствующее некоторому уровню квантования. Каждый уровень квантования кодируется двоичным числом с n разрядами. Число уровней квантования N и число разрядов n двоичных чисел, кодирующих эти уровни, связаны соотношением n ≥ log 2 (N).

Цифровой сигнал

Для того, чтобы представить аналоговый сигнал последовательностью чисел конечной разрядности, его следует сначала превратить в дискретный сигнал, а затем подвергнуть квантованию. Квантование является частным случаем дискретизации, когда дискретизация происходит по одинаковой величине, называемой квантом. В результате сигнал будет представлен таким образом, что на каждом заданном промежутке времени известно приближённое (квантованное) значение сигнала, которое можно записать целым числом. Последовательность таких чисел и будет являться цифровым сигналом.

Характеристики сигналов

Длительность сигнала (время передачи) Тс - интервал времени, в течение которого существует сигнал.

Ширина спектра Fc - диапазон частот, в пределах которых сосредоточена основная мощность сигнала.

База сигнала - произведение ширины спектра сигнала на его длительность.

Динамический диапазон D c - логарифм отношения максимальной мощности сигнала - P max к минимальной - P min (минимально-различимая на уровне помех): Dc = log(P max /P min).

Объем сигнала определяется соотношением V c = T c F c D c . T c – временная длительность сигнала, F c – эффективный спектр сигнала.

Энергетические характеристики :

мгновенная мощность - P(t);

средняя мощность - P ср и энергия - E.

Эти характеристики определяются соотношениями:

Где T = t max -t min .

Формы представления сигналов.

Способы представления сигналов

Графический

Аналитический

Временные диаграммы

Математические модели

Векторные диаграммы

Геометрические диаграммы

Спектральные диаграммы

Временная диаграмма представляет собой график зависимости какого либо параметра сигнала (например, напряжения или тока) от времени. На временной диаграмме сигнала можно наблюдать форму сигнала. Осциллограмму можно визуально наблюдать с помощью специального измерительного прибора - осциллографа.

Векторная диаграмма используется при изучении процессов связанных с изменением фазы сигнала (например, при фазовой модуляции). В данной диаграмме сигнал представляется вектором, длина которого пропорциональна амплитуде сигнала, а угол наклона относительно исходного вектора показывает фазу сигнала.

В геометрической диаграмме сигнал представляется в виде геометрической фигуры. Данная диаграмма может быть использована при визуальном представлении объема сигнала.

Спектральная диаграмма представляет собой график распределения энергии (спектр амплитуд) или фаз (спектр фаз) сигнала по частотам. Данные диаграммы можно наблюдать с помощью специального измерительного прибора - анализатора спектра.

Таким образом, цифровая обработка сигналов- преобразование сигналов, представленных в цифровой форме.

Любой непрерывный (аналоговый) сигнал s(t) может быть подвергнут дискретизации по времени и квантованию по уровню (оцифровке), то есть представлен в цифровой форме.

При помощи математических алгоритмов полученный дискретный сигнал s(k) преобразуется в некоторый другой сигнал , имеющий требуемые свойства. Процесс преобразования сигналов называется фильтрацией, а устройство, выполняющее фильтрацию, называется фильтром. Поскольку отсчёты сигналов поступают с постоянной скоростью , фильтр должен успевать обрабатывать текущий отсчет до поступления следующего, то есть обрабатывать сигнал в реальном времени. Для обработки сигналов (фильтрации) в реальном времени применяют специальные вычислительные устройства - цифровые сигнальные процессоры.

Всё это полностью применимо не только к непрерывным сигналам, но и к прерывистым, а также к сигналам, записанным на запоминающие устройства. В последнем случае скорость обработки непринципиальна, так как при медленной обработке данные не будут потеряны.

В последние годы при обработке сигналов и изображений широко используется новый математический базис представления сигналов с помощью «коротких волночек» - вейвлетов. С его помощью могут обрабатываться нестационарные сигналы, сигналы с разрывами и иными особенностями, сигналы в виде пачек.

Литература

1. Цифровая обработка сигналов изображений: учеб. пособие / С.М. Ибатуллин; Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет им. В.И. Ульянова (Ленина) "ЛЭТИ" . - СПб. : Изд-во СПбГЭТУ "ЛЭТИ", 2006. - 127 с.

2. Цифровая обработка сигналов: учеб. пособие для вузов / А.Б.Сергиенко; - СПб. : Питер, 2002. - 603 с

3. Алгоритмы и процессоры цифровой обработки сигналов: Учеб. пособие для вузов / А. И. Солонина, Д. А. Улахович, Л. А. Яковлев. - СПб. : БХВ-Петербург, 2001. - 454 с

Каждый день люди сталкиваются с использованием электронных приборов. Без них невозможна современная жизнь. Ведь речь идет о телевизоре, радио, компьютере, телефоне, мультиварке и прочем. Раньше, еще несколько лет назад, никто не задумывался о том, какой сигнал используется в каждом работоспособном приборе. Сейчас же слова «аналоговый», «цифровой», «дискретный» уже давно на слуху. Некоторые виды сигналов из перечисленных являются качественными и надежными.

Цифровая передача стала использоваться намного позже, чем аналоговая. Это связано с тем, что такой сигнал намного проще обслуживать, да и техника на тот момент не была настолько усовершенствована.

С понятием «дискретность» сталкивается каждый человек постоянно. Если переводить это слово с латинского языка, то означать оно будет «прерывистость». Углубляясь далеко в науку, можно сказать, что дискретный сигнал представляет собой метод передачи информации, который подразумевает изменение во времени среды-переносчика. Последняя принимает любое значение из всех возможных. Сейчас дискретность уходит на второй план, после того, как было принято решение производить системы на чипе. Они являются целостными, а все компоненты тесно взаимодействуют друг с другом. В дискретности же все с точностью наоборот - каждая деталь завершена и связана с другими за счет специальных линий связи.

Сигнал

Сигнал представляет собой специальный код, который передается в пространство одной или несколькими системами. Эта формулировка является общей.

В сфере информации и связи сигналом назван специальный носитель каких-либо данных, который используется для передачи сообщений. Он может быть создан, но не принят, последнее условие не обязательно. Если же сигнал является сообщением, то его «ловля» считается необходимой.

Описываемый код задается математической функцией. Она характеризует все возможные изменения параметров. В радиотехнической теории эта модель считается базовой. В ней же аналогом сигнала был назван шум. Он представляет собой функцию времени, которая свободно взаимодействует с переданным кодом и искажает его.

В статье охарактеризованы виды сигналов: дискретный, аналоговый и цифровой. Также коротко дана основная теория по описываемой теме.

Виды сигналов

Существует несколько имеющихся сигналов. Рассмотрим, какие бывают виды.

1. По физической среде носителя данных разделяют электрический сигнал, оптический, акустический и электромагнитный. Имеется еще несколько видов, однако они малоизвестны.
2. По способу задания сигналы делятся на регулярные и нерегулярные. Первые представляют собой детерминированные методы передачи данных, которые задаются аналитической функцией. Случайные же формулируются за счет теории вероятности, а также они принимают любые значения в различные промежутки времени.
3. В зависимости от функций, которые описывают все параметры сигнала, методы передачи данных могут быть аналоговыми, дискретными, цифровыми (способ, который является квантованным по уровню). Они используются для обеспечения работы многих электрических приборов.

Теперь читателю известны все виды передачи сигналов. Разобраться в них не составит труда любому человеку, главное - немного подумать и вспомнить школьный курс физики.

Для чего обрабатывается сигнал?

Сигнал обрабатывается с целью передачи и получения информации, которая в нем зашифрована. Как только она будет извлечена, ее можно использовать различными способами. В отдельных ситуациях ее переформатируют.

Существует и другая причина обработки всех сигналов. Она заключается в небольшом сжатии частот (чтобы не повредить информацию). После этого ее форматируют и передают на медленных скоростях.

В аналоговом и цифровом сигналах используются особенные методы. В частности, фильтрация, свертка, корреляция. Они необходимы для восстановления сигнала, если он поврежден или имеет шум.

Создание и формирование

Зачастую для формирования сигналов необходим аналого-цифровой (АЦП) и Чаще всего они оба используются лишь в ситуации с применением DSP-технологий. В остальных случаях подойдет только использование ЦАП.

При создании физических аналоговых кодов с дальнейшим применением цифровых методов полагаются на полученную информацию, которая передается со специальных приборов.

Динамический диапазон

Вычисляется разностью большего и меньшего уровня громкости, которые выражены в децибелах. Он полностью зависит от произведения и особенностей исполнения. Речь идет как о музыкальных треках, так и об обычных диалогах между людьми. Если брать, например, диктора, который читает новости, то его динамический диапазон колеблется в районе 25-30 дБ. А во время чтения какого-либо произведения он может вырастать до 50 дБ.

Аналоговый сигнал

Аналоговый сигнал является непрерывным во времени способом передачи данных. Недостатком его можно назвать присутствие шума, который иногда приводит к полной потере информации. Очень часто возникают такие ситуации, что невозможно определить, где в коде важные данные, а где обычные искажения.

Именно из-за этого цифровая обработка сигналов приобрела большую популярность и постепенно вытесняет аналоговую.

Цифровой сигнал

Цифровой сигнал является особым он описывается за счет дискретных функций. Его амплитуда может принять определенное значение из уже заданных. Если аналоговый сигнал способен поступать с огромным количеством шумов, то цифровой отфильтровывает большую часть полученных помех.

Помимо этого, такой вид передачи данных переносит информацию без лишней смысловой нагрузки. Через один физический канал может быть отправлено сразу несколько кодов.

Виды цифрового сигнала не существуют, так как он выделяется как отдельный и самостоятельный метод передачи данных. Он представляет собой двоичный поток. В наше время такой сигнал считается самым популярным. Это связано с простотой использования.

Применение цифрового сигнала

Чем же отличается цифровой электрический сигнал от других? Тем, что он способен совершать в ретрансляторе полную регенерацию. Когда в оборудование связи поступает сигнал, имеющий малейшие помехи, он сразу же меняет свою форму на цифровую. Это позволяет, например, телевышке снова сформировать сигнал, но уже без шумового эффекта.

В том случае, если код поступает уже с большими искажениями, то, к сожалению, восстановлению он не подлежит. Если брать в сравнении аналоговую связь, то в аналогичной ситуации ретранслятор может извлечь часть данных, затрачивая много энергии.

Обсуждая сотовую связь разных форматов, при сильном искажении на цифровой линии разговаривать практически невозможно, так как не слышны слова или целые фразы. Аналоговая связь в таком случае более действенна, ведь можно продолжать вести диалог.

Именно из-за подобных неполадок цифровой сигнал ретрансляторы формируют очень часто для того, чтобы сократить разрыв линии связи.

Дискретный сигнал

Сейчас каждый человек пользуется мобильным телефоном или какой-то «звонилкой» на своем компьютере. Одна из задач приборов или программного обеспечения - это передача сигнала, в данном случае голосового потока. Для переноса непрерывной волны необходим канал, который имел бы пропускную способность высшего уровня. Именно поэтому было предпринято решение использовать дискретный сигнал. Он создает не саму волну, а ее цифровой вид. Почему же? Потому что передача идет от техники (например, телефона или компьютера). В чем плюсы такого вида переноса информации? С его помощью уменьшается общее количество передаваемых данных, а также легче организуется пакетная отправка.

Понятие «дискретизация» уже давно стабильно используется в работе вычислительной техники. Благодаря такому сигналу передается не непрерывная информация, которая полностью закодирована специальными символами и буквами, а данные, собранные в особенные блоки. Они являются отдельными и законченными частицами. Такой метод кодировки уже давно отодвинулся на второй план, однако не исчез полностью. С помощью него можно легко передавать небольшие куски информации.

Сравнение цифрового и аналогового сигналов

Покупая технику, вряд ли кто-то думает о том, какие виды сигналов использованы в том или другом приборе, а об их среде и природе уж тем более. Но иногда все же приходится разбираться с понятиями.

Уже давно стало ясно, что аналоговые технологии теряют спрос, ведь их использование нерационально. Взамен приходит цифровая связь. Нужно понимать, о чем идет речь и от чего отказывается человечество.

Если говорить коротко, то аналоговый сигнал - способ передачи информации, который подразумевает описание данных непрерывными функциями времени. По сути, говоря конкретно, амплитуда колебаний может быть равна любому значению, находящемуся в определенных границах.

Цифровая обработка сигналов описывается дискретными функциями времени. Иначе говоря, амплитуда колебаний этого метода равна строго заданным значениям.

Переходя от теории к практике, надо сказать о том, что аналоговому сигналу характерны помехи. С цифровым же таких проблем нет, потому что он успешно их «сглаживает». За счет новых технологий такой метод передачи данных способен своими силами без вмешательства ученого восстановить всю исходную информацию.

Говоря о телевидении, можно уже с уверенностью сказать: аналоговая передача давно изжила себя. Большинство потребителей переходят на цифровой сигнал. Минус последнего заключается в том, что если аналоговую передачу способен принимать любой прибор, то более современный способ - только специальная техника. Хоть и спрос на устаревший метод уже давно упал, все же такие виды сигналов до сих пор не способны полностью уйти из повседневной жизни.

Вне зависимости от того, насколько качественно собран компьютер, как часто проводится проверка операционной системы на предмет вирусного программного обеспечения, поломок все равно не избежать.

Однажды владелец персонального компьютера попытается включить его, но вместо привычного экрана приветствия монитор не заработает, а из системного блока начнут издаваться странные звуки.

И это далеко не простая мелодия, а обычное пищание с одинаковой тональностью, но разным количеством и длительностью.

С одной стороны , само наличие таких звуков уже сигнализирует о необходимости похода в ближайший сервисный центр.

С другой , если разобраться с тем, что обозначает конкретный сигнал в конкретной ситуации, владелец сможет понять, в чем заключается причина поломки.

Таким образом, сотрудники сервисного центра уже не смогут обмануть своего клиента, рассказав интересную сказку о сгоревшей материнской плате.

Полная расшифровка сигналов BIOS будет представлена ниже.

Предназначение и особенности BIOS-сигналов

Основные задачи BIOS-сигналов заключаются в следующем:

• Они помогают разобраться с тем, что стало источником появления неисправности.
• Компьютер работает должным образом, но при этом сообщения на экран не выводятся. Соответственно, через BIOS эти уведомления и будут переданы.
• Компьютер не имеет подключенной звуковой платы, вследствие чего системе сложно привлечь внимание пользователя к появлению нового сообщения. В таком случае сигнал с BIOS издается вместе со всплывающим уведомлением на дисплее персонального компьютера.

Стоит отметить, что звуковой сигнал может иметь разную длительность звучания, комбинацию звуковых сигналов, тональность.

Это зависит не только от характера поломки, но и типа BIOS, установленной на персональном компьютере.

Чтобы узнать, какой именно тип BIOS используется на ПК, достаточно выключить компьютер, дождаться полного выключения, а затем повторно включить его, параллельно нажимая кнопку DEL на клавиатуре.

Повысить вероятность появления системного окна позволяет многократное нажатие указанной клавиши.

Наибольшей популярностью пользуются такие виды BIOS, как Award, AMI и Phoenix.

Каждая разновидность характеризуется разным поведением при возникновении неполадки. Ниже представлены расшифровки звуковых сигналов всех представленных выше видов.

Award – все разновидности сигналов

В Award BIOS звуковые уведомления могут быть следующими:

• Сигнал один, непрерывный. Причиной его появления является неисправность блока питания. Также он появляется в случае, если при сборке компьютера был установлен блок, имеющий недостаточную мощность. В большинстве случаев требуется ремонт, но лучше всего заменить его полностью.
• Один короткий звук. Ошибки отсутствуют. Так BIOS ведет себя всегда, если персональный компьютер находится в исправном состоянии и загружается без особых проблем.
• Два коротких сигнала. BIOS сообщает о том, что он обнаружил незначительные ошибки. На дисплее должно появиться небольшое окошко, предлагающее пользователю воспользоваться приложением CMOS Setup Utility, чтобы исправить ситуацию. Практика показывает, что при появлении такого оповещения рекомендуется проверить, хорошо ли прикреплены шлейфы материнской платы и жесткого диска.
• Три сигнала с большой длиной . Контроллер клавиатуры работает неисправно. В большинстве случаев помогает перезагрузка. Если после ряда попыток ситуация не меняется, владельцу придется установить новую совместимую материнскую плату.
• Один длинный сигнал вместе с одним коротким. Модуль оперативной памяти работает неисправно. Надо проверить, установлен ли каждый из них. Если он имеется, пользователь должен убедиться в наличии качественного соединения. Иногда помогает переустановка модулей местами. Альтернативный, но затратный вариант – замена модулей на другие, совместимые с выбранным вариантом сборки.
• Один длинный сигнал вместе с двумя короткими . Суть неисправности заключается в видеокарте. Практика показывает, что проблемы с ней возникают чаще всего. Чтобы попытаться избавиться от проблемы, достаточно вытащить видеокарту из своего посадочного места, а затем поставить ее обратно. Также рекомендуется проверить, правильно ли подключен монитор к видеокарте.
• Один длинный сигнал с тремя короткими . Клавиатура на устройстве не инициализирована. Владельцу надо проверить, правильно ли подключена периферия к разъему, присутствующему на металлической планке материнской платы.
• Один длинный сигнал с девятью короткими. Данные из микросхемы, отвечающей за постоянную память, читаются неправильно. Надо попытаться перезагрузить компьютер снова. Если проблема не исчезает, стоит попытаться перепрошить микросхему, если она поддерживает такую возможность.
• Один длинный сигнал, который повторяется постоянно. Модули памяти установлены некорректно. Пользователь должен вытащить их из своего посадочного места, а затем поставить их обратно.
• Один сигнал краткой длины, повторяющийся постоянно. Блок питания работает некорректно. В большинстве случаев помогает удаление пыли, накопившейся внутри.

AMI BIOS

Ниже представлен перечень сигналов, способных появляться при загрузке персонального компьютера:

• Один короткий сигнал. Ошибки отсутствуют, так AMI BIOS ведет себя всегда, когда пользователь включает системный блок.
• Два коротких сигнала. Четность оперативной памяти не соответствует установленному параметру. Вариантов решения проблемы несколько. Самый простой – повторная перезагрузка компьютера. Может потребоваться проверка правильности установки модулей к своим посадочным местам. Самая неприятная ситуация – когда модули памяти повреждены. Тут уже придется заменить их.
• Три коротких сигнала. Работа основной памяти ведется некорректно. Перечень причин и действий аналогичен второму пункту.
• Четыре коротких сигнала. Системный таймер вышел из строя. В большинстве случаев проблема устраняется ремонтом, но не исключен вариант полной замены материнской платы.
• Пять коротких звуков. Центральный процессор вышел из строя из-за перегрева или попадания влаги. Единственный вариант устранения неисправности – замена центрального процессора.
• Шесть коротких звуков. Контроллер клавиатуры не работает корректно. Надо убедиться в том, что она соединена с материнской платой корректно. Если все в порядке, но сигналы продолжают появляться, нужно подключить другую клавиатуру. Если и это не помогло, материнская плата уйдет под замену.
• Семь коротких сигналов. Материнская плата поломана, требуется замена.
• Восемь коротких сигналов . Вышла из строя видеокарта.
• Девять коротких сигналов. Несоответствие контрольной суммы AMI BIOS. Если речь идет о флэш-памяти, потребуется перепрошивка. Во всех остальных случаях – установка новой микросхемы.
• Десять коротких сигналов . CMOS-память не поддерживает запись. Надо заменить CMOS-микросхему или материнскую плату.
• Одиннадцать коротких сигналов . Модули внешней кэш-памяти работают некорректно. Замена.
• Один длинный звук с двумя короткими . Видеоплата вышла из строя. Проводится первичная диагностика правильности ее подключения. Если все подсоединено правильно, надо заменить видеокарту.
• Один длинный звук с тремя короткими. Причина и варианты решения проблемы аналогичны 12-му пункту.
• Один длинный сигнал, после которого появляются 8 коротких. Неправильное подключение монитора или наличие проблем с видеоплатой. Пользователь должен убедиться в том, что видеоплата корректно установлена в соответствующем слоте.

Phoenix BIOS

Наибольше сложностей у пользователей возникает при наличии Phoenix BIOS. Дело в том, что эта разновидность предусматривает очень большое количество сигналов.

С другой стороны, каждый из них является узкопрофильным, поэтому владелец сможет быстро узнать, что является причиной проблем при запуске операционной системы.

Ниже представлен базовый перечень, который может меняться в зависимости от наименования бренда-производителя.

Тут необходимо обратить внимание на то, что сигналы являются чередующимися:

• 1-1-3 звука. Данные из CMOS читаются или записываются некорректно. Материнскую плату, либо плату CMOS придется заменить. Но наиболее вероятной причиной появления такого звука является слабый заряд аккумулятора, который питает CMOS-схему.
• 1-1-4 звука. Контрольное содержимое CMOS-платы является неправильным. Если используется флэш-память, проблема решается перепрошивкой. Если это не оказало должного эффекта, либо плата не поддерживает возможность изменения прошивки, придется заменить ее.
• 1-2-1 звука. Вышла из строя материнская плата. На некоторое время надо выключить компьютер, вытянув штепсель из розетки. ПК должен простоять так примерно час. После этого надо попытаться снова запустить компьютер. Если звуки появляются повторно, единственным вариантом устранения ошибки является замена материнской платы.
• 1-2-2 звука . Контроллер DMA инициализирован неправильно. В сервисном центре должны выполнить установку новой материнской платы взамен старой, так как она поломалась.
• 1-2-3 звука. Система не может произвести запись или чтение данных в любой или конкретный канал DMA. Тут также все печально – без замены материнской платы не обойтись.
• 1-3-1 звука. Оперативная память работает некорректно. Модули придется заменить.
• 1-3-3 звука. При проверке первых 64 килобайт памяти произошла ошибка. Модули памяти – под замену.
• 1-3-4 звука. Проблема и варианты ее устранения идентичны пункту 7.
• 1-4-1 звука. Материнская плата вышла из строя. Ее надо заменить.
• 1-4-2 звука. Оперативная память работает некорректно. Возможно, модули подключены неправильно.
• 1-4-3 звука. Системный таймер не работает. Придется установить новую материнскую плату.
• 1-4-4 звука . Обращение к порту вывода/ввода происходит неправильно. Причина заключается в некорректной работе периферийного устройства, которое использует выделенный порт для удовлетворения своих запросов.
• 3-1-1 звука. Второй канал DMA инициализирован неправильно. Устранение проблемы является возможным только путем замены материнской платы.
• 3-1-2 звука. Идентичная пункту 13 причина, только некорректно работает уже первый канал.
• 3-1-4 звука. Проблема, идентичная пункту 3.
• 3-2-4 звука. Контроллер клавиатуры работает неправильно. Придется менять материнскую плату.
• 3-3-4 звука. Тестирование видеопамяти было выполнено неуспешно. Надо проверить, корректно ли установлена видеокарта в свой слот. Если да, причина заключается в поломанном видеомодуле.
• 4-2-1 звука . Системный таймер работает неправильно. Материнская плата – под замену.
• 4-2-3 звука. Линия А20 не функционирует должным образом. Пользователь должен заменить материнскую плату или контроллер клавиатуры.
• 4-2-4 звука. Работа в защищенном режиме невозможна. Причиной такого поведения может являться неисправный центральный процессор.
• 4-3-1 звука. Тестирование оперативной памяти было выполнено неуспешно. Пользователь должен убедиться в том, что модули установлены правильно. Если по этой части проблемы не наблюдаются, придется заменить его.
• 4-3-3 звука. Часы реального времени работают некорректно. В большинстве случаев проблема решается заменой батарейки.
• 4-4-1 звука. Последовательный порт протестирован неправильно. Причина – устройство, которое использует его для собственной работы.
• 4-4-2 звука. Суть аналогична предыдущему пункту, только речь идет о параллельном порте.
• 4-4-3 звука. Математический сопроцессор поврежден. Придется заменить материнскую плату.