Рис. 1.4. Квантование аналогового сигнала (в) - нуль считается за один уровень; каадая часть сигнала отображается целым числом; изображение квантованного сигнала (б)

+2-+1-0-

I I I 1111 +7 -1-2 +/ О -1 -2 -1

Числа для одного цикла (8 SbiSopoK)

Каждой части сигнала необходимо присвоить определенное число, значение которого пропорционально напряжению сигнала. Эта задача связана с двумя npo6neMaNS! цифровых систем - разрешением и временными характеристиками системы.

Рассмотрим пример. Пусть необходимо закодировать сигнал, напряжение которого составляет 4 В от пика до пика (рис. 1.4, а), и в нашем распоряжении есть целые числа от -2 до + 2. Поскольку половины разряда не существует, значения напряжения между -0,5 и + 0,5 В в любом временном интервале кодируются как О, значения напряжения между 0,5 и 1,5 В - как 1 и т. д.

Каждой части напряжения (в одинаковые интервалы времени) будет соответствовать число в интервале от -2 до + 2. Результат кодирования (эта операция называется квантованием) показан на рис. 1.4, б; получилась, образно выражаясь, блок-схема исходного напряжения; если квантованное напряжение разумно сгладить , то получится нечто близкое к оригиналу. Произведено квантование по пяти уровням: бесконечное множество уровней напряжения реального сигнала сведено к пяти. Это пример очень грубого квантования. В действительности следует использовать значительно большее число уровней квантования, например, как показано на рис. 1.5. Чем больше уровней квантования, тем ближе квантованное отображение сигнала к оригиналу. Для грубой оценки степени искажений сигнала рассмотрим случай передачи по радио с частотой несущей 500 кГц звукового сигнала с частотой 10 кГц. По времени одна длина звуковой волны займет 50 длин радиоволн, т. е. звуковой сигнал в модулированном высокочастотном сигнале представлен 50 раз; иначе - звуковой сигнал подвергнут квантованию по 50 уровням. Можно представить себе качество квантования, реализуемое во многих системах с применением частоты несущей ПО кГц. Идею пере-

г* И

ИС. 1.5. Результат квантования с большим числом уровней. Дня наглядности ффекта увеличения числа уровней форма исходного сигнала принята треугольной

щчи звука путем подобных выборок ни в коем случае нельзя считать ювой; она внутренне присуща процессу модуляции в радиотехнике 1 в течение многих лет оправдала себя. Сказанное также относится к [астотной модуляции, при этом требуется обеспешть достаточно ши-)0кий диапазон изменения частоты, что облегчает процесс квантования. Греди всех путей передачи звуковых сигналов частотная модуляция саиболее удобна для передачи двоичных сигналов, когда одна частота оответствует 1, а другая 0.

Здесь возникает вторая проблема: при большом числе уровней кван-ования запись в двоичной форме требует большого количества чисел. Тредположим, что наивысшая частота звукового сигнала выбирается h раза за цикл. Это означает, что для воспроизведения наивысшей вуковой частоты 20 кГц потребуется частота выборки 80 кГц. Даже инусоидальный сигнал такой частоты записать непросто, а в цифровом арианте необходимо записывать прямоугольные импульсы, что вызы-ает серьезные трудности. Только из этого примера видно, что цифро-ая запись значительно сложнее аналоговой.

Следующая задача - формирование чисел. Мы уже видели, что запись исла в двоичной форме позволяет использовать только два значения: и 1. Двоичный код, рассмотренный в этой главе, назьгоается кодом -4-2-1, поскольку положение разряда представляет собой 2 в соот-етствующей степени. Однако есть другие коды, позволяющие пред-тавить число нулями и единицами; примерами могут служить код Грея Эксцесс-3. Код Грея для многих целей промьшшенного управления казьгоается предпочтительным в сравнении с кодом 8-4-2-1. Основ-ое достоинство кода в том, что в нем при последовательном увеличе-ии чисел изменяется состояние только одного разряда. Существуют реобразователи четырехбитового двоичного кода в код Грея и наобо-от, выполненные на базе интегральной технологии. Преобразование код Грея использует только 4 бита (табл. 1.1).

Достоинство кода 8-4-2-1 состоит в том, что кодирование и де-шфрация здесь осуществляются относительно просто. Какой бы код и использовался, необходимо учитывать размер двоичного числа, современной цифровой записи каждую амплитуду напряжения

Таблица 1.1. Запись чисел кода 8-4-2-1 и кода Грея

Принято описьгоать 16-битовым числом, при этом каждой амплитуде может соответствовать до 65 536 значений. Для каждой выборки напряжения необходимо записать 16 двоичных сигналов О или 1 и все 16 необходимы для восстановления оригинала напряжения. На этом в прошлом терпели неудачи многие попытки кодирования звуковых сигналов. Как часто бьшает, нашлось более простое решение задачи - запись на ленту; оказалось сравнительно просто создать 16-дорожеч11ую головку (применяя широкую ленту) и использовать каждый канал для записи одного из битов числа. Этот метод удобен для изготовления оригиналов, так как нет проблем с шириной ленты, но его недостаток состоит в том, что для записи оригиналов требуется от 16 до 32 отдельных музыкальных дорожек. Если каждая из них состоит из 16 двоичных дорожек, записьгоающее устройство будет перегружено. Так как создать и использовать диск с 16 дорожками невозможно, относительно простую идею использования одной дорожки на двоичный разряд приходится отвергнуть. Другой метод состоит в последовательной передаче и записи данных. Последовательно - значит, один за другим. Для 16-битового двоичного числа последовательная передача означает, что биты передаются в потоке 16 сигналов О и 1, а не в виде 16 отдельных сигналов по 16 каналам одновременно. Если выборка сигналов производится с частотой 60 кГц и для передачи каждого сигнала требуется 16 бит, то частота посылок двоичных сигналов составит 16 60 кГц = 960 кГц, что выходит за пределы возможностей обычных лент или дисков. Понижение частоты выборки вызывает свои трудности. При последовательной передаче необходимо отличать последний бит одного числа от Первого бита следующего. При параллельной передаче, когда каждый бит передается по своему каналу, трудности в идентификации числа отсутствуют (биты одного числа передаются в одно и то же время по 16 различным каналам). Пример ошибки, возможной при чтении последовательности сигналов, показан на рис. 1.6.

Разница в амплитудах ненормальна; это обстоятельство является причиной промышленного использования кодов, отличных от 8-4-2-1. Код 8-4-2-1 преимущественно используется в вьгаислительной технике, благодаря простоте арифметических операций, выполняемых с числами в этом коде.