Квантование отсчетов по уровню и их кодирование. Кодирование и квантование сигналов

5. Цифровые системы передачи. Основы построения телекоммуникационных систем и сетей

5. Цифровые системы передачи

5.1. Цифровые сигналы: дискретизация, квантование, кодирование

В настоящее время во всём мире развивается цифровая форма передачи сигналов: цифровая телефония, цифровое кабельное телевидение, цифровые системы коммутации и системы передачи, цифровые сети связи. Качество цифровой связи значительно выше, чем аналоговой, так как цифровые сигналы гораздо более помехоустойчивы: нет накопления шумов, легко обрабатываются, цифровые сигналы можно "сжимать", что позволяет в одной полосе частот организовать больше каналов с высокой скоростью передачи и отличным качеством.

Цифровой сигнал – это последовательность импульсов. Общепринято импульсную последовательность представлять как чередование двух символов: 0 и 1. "Binary Digit" – "двоичная цифра". Отсюда и пошло понятие бит, то есть одна позиция в цифровом сигнале есть 1 бит; это может быть либо 0, либо 1. Восемь позиций в цифровом сигнале определяется понятием байт .

При передаче цифровых сигналов вводится понятие скорости передачи – это количество бит, передаваемых в единицу времени (в секунду).

Для передачи непрерывных сообщений цифровыми методами необходимо произвести преобразование этих сообщений в дискретные, которое осуществляется путём дискретизации непрерывных сигналов во времени и квантования их по уровню, и преобразования квантованных отсчётов в цифровой сигнал .

Дискретизация сигналов заключается в замене непрерывного сообщения u к (t) последовательностью его отсчётов, то есть последовательностью импульсов, модулированных по амплитуде (смотри рисунок 5.1, а). Частота дискретизации F д выбирается из условия (4.4.1). Полученный аналоговый АИМ сигнал u АИМ (iT д), где i = 1, 2, 3 …, приведённый на рисунке 5.1, а, затем подвергается операции квантования, которая состоит в замене отсчётов мгновенных значений сигнала u АИМ (iT д) дискретными значениями u 0 , u 1 , u 2 … u 7 разрешённых уровней u кв (iT д). В процессе квантования мгновенные значения АИМ сигнала уровней u АИМ (iT д) заменяются ближайшими разрешёнными уровнями сигнала u кв (iT д) (смотри рисунок 5.1, а).

Рисунок 5.1. Принцип ИКМ: а – дискретизация; б – ошибка квантования; в – цифровой сигнал с ИКМ

Такое преобразование первичных сигналов можно называть квантованной амплитудно-импульсной модуляцией (КАИМ) . Особенностью такого сигнала является то, что все его уровни можно пронумеровать и тем самым свести передачу КАИМ-сигнала к передаче последовательностей номеров уровней, которые этот сигнал принимает в моменты i∙t д.

Расстояние между ближайшими разрешёнными уровнями квантования (u 0 … u 7 на рисунке 5.1, а) ∆ называется шагом квантования . Шкала квантования называется равномерной, если все шаги квантования равны между собой ∆ j = ∆ 0 .

Если в момент взятия i-го отсчёта мгновенное значение непрерывного сообщения u к (t i) удовлетворяет условию

u j – ∆ j /2 ≤ u АИМ (iT д) ≤ u j + ∆ j /2, (5.1)

то квантованному импульсу u кв (iT д) присваивается амплитуда разрешённого u j уровня квантования (смотри рисунок 5.1, а). При этом возникает ошибка квантования δ кв, представляющая разность между передаваемой квантованной величиной u кв (iT д) и истинным значением непрерывного сигнала в данный момент времени u АИМ (iT д) (смотри рисунок 5.1, б):

δ кв (iT д) = u кв (iT д) – u АИМ (iT д). (5.2)

Как следует из рисунков 5.1, б и (5.1), ошибка квантования лежит в пределах

–∆ 0 /2 ≤ δ кв ≤ ∆ 0 /2. (5.3)

Амплитудная характеристика квантующего устройства при равномерной шкале квантования приведена на рисунке 5.2, а. Она имеет ступенчатую форму, и при изменении непрерывного сообщения u к (t) и соответствующего ему АИМ сигнала u АИМ (iT д) в пределах одной ступени выходной сигнал остаётся постоянным, а при достижении границы этой ступени изменяется скачком на величину шага квантования. При этом ошибка квантования зависит от u к (t) и имеет вид, изображённый на рисунке 5.2, б.

Рисунок 5.2. Амплитудная характеристика квантователя (а) и зависимость ошибки квантования от амплитуды импульсов (б)

Как следует из рисунка 5.2, б, из-за нелинейности амплитудной характеристики квантователя ошибка квантования δ кв представляет собой функцию с большим числом резких скачков, частота следования которых существенно выше частоты исходного сообщения u к (t), то есть при квантовании происходит расширение спектра сигнала. При этом соседние боковые полосы будут накладываться друг на друга и в полосу пропускания ФНЧ на выходе канала попадут составляющие спектра искажений от квантования, распределение которых в полосе ФНЧ считается равномерным. Поскольку практически все дискретные значения непрерывного сообщения находятся в пределах зоны квантования от –u огр до +u огр, то при равномерной шкале квантования ∆ j = ∆ 0 и тогда:

Ркв = (1/12) ∆ 2 0 . (5.4)

Из выражения (5.4) видно, что при равномерной шкале квантования мощность шума квантования не зависит от уровня квантуемого сигнала и определяется только шагом квантования ∆ 0 .

Рассмотрим теперь кодирование и декодирование сигналов. Следующий шаг в преобразовании сигнала состоит в переводе квантованного АИМ-сигнала в цифровой. Эта операция называется кодированием АИМ-сигнала. Кодом называется закон, устанавливающий соответствие между квантованной амплитудой и структурой кодовой группы .

Различают равномерный и неравномерный коды. Если все кодовые группы состоят из равного числа символов, то код называется равномерным. Если же кодовые группы состоят из различного числа символов, то код называется неравномерным. В системах передачи с импульсно-кодовой модуляцией, как правило, используется равномерный двоичный код.

Для определения структуры двоичной кодовой комбинации на выходе кодера в простейшем случае необходимо в двоичном коде записать амплитуду АИМ отсчётов, выраженную в шагах квантования

где a i = {0,1} – состояние соответствующего разряда комбинации; 2 i – вес соответствующего разряда в шагах квантования.

Если в десятичной системе "вес" каждой позиции числа равен числу десять в некоторой степени, то в двоичной системе вместо числа десять используют число два. "Веса" первых тринадцати позиций двоичного числа имеют следующие значения:

Таблица – 5.1

По принципу действия кодеры делятся на кодеры счётного типа, матричные, взвешивающего типа и другие. Наиболее часто используются кодеры взвешивающего типа, простейшим из которых является кодер поразрядного взвешивания (рисунок 5.3), реализующий функцию (5.5) с формирования натурального двоичного кода . Принцип работы такого кодера заключается в уравновешивании кодируемых АИМ отсчётов суммой эталонных напряжений. Схема линейного кодера поразрядного взвешивания содержит восемь ячеек (при m = 8), обеспечивающих формирование значения коэффициента а i соответствующего разряда (5.5). В состав каждой ячейки (за исключением последней, соответствующей младшему по весу разряду) входит схема сравнения СС и схема вычитания СВ.

Схема сравнения обеспечивает сравнение амплитуды поступающего АИМ сигнала с эталонными сигналами, амплитуды которых равны весам соответствующих разрядов

U эт8 = 2 7 ∆ = 128∆; U эт7 = 2 6 ∆ = 64∆; … U эт1 = 2 0 ∆ = 1∆.

Если на входе СС i амплитуда поступающего АИМ сигнала равна или превышает U этi , то на выходе схемы сравнения формируется "1", а в СВ i из входного сигнала вычитается U этi , после чего он поступает на вход следующей ячейки. Если же амплитуда АИМ сигнала на входе СС i меньше U этi , то на выходе СС i формируется "0" и АИМ сигнал проходит через СВ i без изменений. После окончания процесса кодирования текущего отсчёта на выходе кодера получается восьмиразрядный параллельный код, кодер устанавливается в исходное состояние и начинается кодирование следующего отсчёта.

Рисунок 5.3. Линейный кодер поразрядного действия

Если, например, на вход кодера поступил АИМ отсчёт с амплитудой U АИМ = 185∆, то СС 8 формирует Р 8 = 1 и на вход седьмой ячейки поступил сигнал с амплитудой U АИМ = 185∆ – 128∆ = 57∆. На выходе СС 7 сформируется Р 7 = 0 и на вход шестой ячейки кодера поступит сигнал с той же амплитудой U АИМ = 57∆. На выходе СС 6 сформируется Р 6 = 1 и на вход следующей ячейки поступит сигнал с амплитудой U АИМ = 57∆ – 32∆ = 25∆ и так далее. В результате будет сформирована кодовая комбинация 10111001.

В процессе декодирования сигнала m – разрядные кодовые комбинации преобразуются в АИМ отсчёты соответствующей амплитуды . Сигнал на выходе декодера получается в результате суммирования эталонных сигналов U этi тех разрядов кодовой комбинации, значения которых равно 1 (рисунок 5.4). Так, если на вход декодера поступила кодовая комбинация 10111001, то амплитуда АИМ отсчёта на его выходе будет равна U АИМ = 128∆ + 32∆ + 16∆ + 8∆ + 1∆ = 185∆.

В линейном декодере (рисунок 5.4) под воздействием управляющих сигналов, поступающих от генераторного оборудования, в регистр сдвига записывается очередная восьмиразрядная кодовая комбинация. В момент прихода импульса считывания замыкаются только те ключи Кл 1 … Кл 8 , которые соответствуют разрядам, имеющим значения "1". В результате в сумматоре объединяются соответствующие эталонные напряжения и на его выходе получается соответствующая амплитуда АИМ отсчёта.

Рисунок 5.4. Линейный декодер взвешивающего типа

Рассмотренная схема кодера (рисунок 5.3) поразрядного взвешивания содержит большое число схем сравнения, которые являются относительно сложными устройствами. На практике чаще используется кодер взвешивающего типа с одной схемой сравнения и цепью обратной связи, содержащей декодер. Как следует из выражения (5.4), мощность шума квантования при линейном кодировании будет равной при различных амплитудах квантованных сигналов. Для синусоидальных сигналов отношение сигнал/шум квантования, рассчитывается по формуле:

, (5.6)

где U m – амплитуда квантуемого сигнала.

Из формулы видно, что для слабых входных сигналов это отношение гораздо хуже, чем для сигналов большой амплитуды. Для устранения этого недостатка было предложено использовать неравномерное квантование, то есть изменять шаг квантования пропорционально изменению амплитуды входного сигнала.

Для кодирования с неравномерной шкалой квантования могут быть использованы:

• прямое нелинейное кодирование, при котором кодер сочетает в себе функции аналого-цифрового преобразования (АЦП) и компрессора;
• аналоговое компандирование, при котором компрессирование сигнала осуществляется перед линейным кодером и экспандирование сигнала после линейного декодера;
• преобразование на основе линейного кодирования, при котором кодирование сигнала осуществляется в линейном кодере с большим числом разрядов с последующим цифровым компандированием .

Переменную величину шага квантования можно получить с помощью устройства с нелинейной амплитудной характеристикой (рисунок 5.5) (которая называется компрессором, поскольку сжимает динамический диапазон входного сигнала) и равномерного квантователя (смотри рисунок 5.2). На приёмной стороне осуществляется расширение динамического диапазона экспандером, имеющим характеристику, противоположную компрессору, что обеспечивает линейность системы передачи. Совокупность операций сжатия динамического диапазона компрессором и расширение его экспандером называется компадированием сигнала.

В настоящее время в системах ВРК с ИКМ применяется характеристика компадирования типа А (рисунок 5.5).

На этом рисунке сегментированная характеристика компрессии типа А для положительных сигналов (для отрицательных сигналов характеристика имеет аналогичный вид). Общее число сегментов характеристики N с = 16, однако четыре центральных сегмента (по два в положительной и отрицательной областях) имеют одинаковый шаг квантования и фактически образуют один сегмент, вследствие чего число сегментов равно N с = 13. Поэтому такая характеристика получила название типа А = 87.16/13. В центральном сегменте (N с =1 или 2) значение ∆ 0 минимально (то есть равно ∆ 0) и соответствует равномерной двенадцатиразрядной шкале (m = 12), а в каждом последующем сегменте к краям характеристики шаг квантования увеличивается вдвое.

Представление ИКМ сигнала восьмиразрядными кодовыми комбинациями использует формат "знак – абсолютное значение", где один разряд отображает полярность АИМ сигнала П, а остальные – определяют его абсолютное значение. Семь разрядов, отображающих абсолютное значение, подразделяются на определитель номера сегмента С из трёх разрядов и определитель шага квантования К из четырёх разрядов (рисунок 5.6).

Рисунок 5.6. Формат восьмиразрядной ИКМ комбинации

Для реализации такого кодера необходимо задать величины эталонных напряжений для нижней границы каждого сегмента и при кодировании внутри сегмента (таблица 5.2).

Схемы и принцип действия нелинейных кодеков взвешивающего типа в основном те же, что и у линейных кодеков. Отличие заключается в последовательности включения эталонных напряжений в процессе кодирования исходного сигнала .

Таблица 5.2. Эталонные напряжения для нелинейного кодека

Номер сегмента N с	Эталонное напряжение нижней границы сегмента	Эталонные напряжения при кодировании в пределах сегмента

Таким образом, максимальный шаг квантования (в седьмом сегменте) в 64 раза превышает минимальный шаг квантования, а отношение сигнал/шум квантования (для максимального значения синусоидального сигнала) может быть определено по выражению (5.6) и составит: для второго сегмента

Р с – Р ш кв = 7.78 + 20lg(А/∆) = 7.78 + 20 lg(32∆ 0 /∆ 0) = 37.88 дБ;

Для седьмого сегмента

Р с – Р ш кв = 7.78 + 20 lg(2048∆ 0 /64∆ 0) = 37.88 дБ.

Зависимость отношения сигнал/шум квантования от уровня входного сигнала при компадировании по закону А = 87.6/13 приведена на рисунке 5.7. Для сигналов в пределах нулевого и первого сегментов осуществляется равномерное квантование с шагом ∆ 0 , поэтому Р с – Р ш кв увеличивается с ростом р с. При переходе ко второму сегменту шаг квантования увеличивается в два раза, вследствие чего Р с – Р ш кв резко уменьшается на 6 дБ, а затем в пределах данного сегмента возрастает с ростом р с, поскольку внутри сегмента осуществляется равномерное квантование. После попадания сигнала в зону ограничения отношение сигнал/шум резко уменьшается за счёт перегрузки кодера.

Рисунок 5.7. Зависимость Р с /Р ш кв = f(р с)

На рисунке 5.8 представлена упрощённая схема нелинейного кодера взвешивающего типа, реализующего прямое кодирование АИМ сигнала.

Кодирование осуществляется за восемь тактовых интервалов, в каждом из которых формируется один из символов кодовой комбинации (рисунок 5.6). В первом такте определяется знак поступившего на вход кодера отсчёта. Если отсчёт положительный, то в знаковом разряде формируется "1" и к схеме переключения и суммирования эталонов СПСЭ подключается формирователь положительных эталонных напряжений ФЭ 1 , в противном случае формируется "0" и к схеме подключается ФЭ 2 . Затем происходит формирование кода номера сегмента методом деления их числа пополам (рисунок 5.9).

Во втором такте управляющая логическая схема УЛС и СПСЭ обеспечивают подачу на вход схемы сравнения эталонного сигнала U эт = 128 ∆ 0 , соответствующего нижней границе четвёртого (среднего) сегмента. Если амплитуда отсчёта U АИМ ≥ U эт = 128 ∆ 0 , то принимается решение, что амплитуда отсчёта попадёт в один из четырёх вышележащих сегментов и формируется очередной символ X = 1, который по цепи обратной связи поступает на вход УЛС. В противном случае принимается решение, что амплитуда отсчёта попадает в один из нижележащих сегментов и формируется X = 0.

В третьем такте в зависимости от значения предыдущего символа X уточняется номер сегмента, в который попадает амплитуда кодируемого отсчёта. Если X = 1, то УЛС и СПСЭ подают на вход СС эталонное напряжение U эт = 512 ∆ 0 , соответствующего нижней границе шестого сегмента. При этом, если U АИМ ≥ U эт = 512 ∆ 0 то принимается решение, что отсчёт попадает в один из двух вышележащих сегментов и формируется очередной символ Y = 1. В противном случае, если U АИМ ≤ U эт = 512 ∆ 0 , принимается решение, что отсчёт попадает в два нижележащих сегмента и формируется Y = 0.

Если же X = 0, то УЛС с помощью СПСЭ обеспечивает подачу на вход СС эталонного напряжения U эт = 32 ∆ 0 , соответствующего нижней границе второго сегмента. Если U АИМ ≥ U эт = 32 ∆ 0 , то принимается решение, что отсчёт попадает во второй и третий сегменты и формируется Y = 1. Если U АИМ ≤ U эт = 32 ∆ 0 , то принимается решение, что отсчёт попадает в два нижележащих сегмента и формируется Y = 0.

В четвёртом такте аналогичным образом формируется символ Z и окончательно формируется код номера сегмента. В результате, после четырёх тактов кодирования, сформируется четыре символа восьмиразрядной кодовой комбинации PXYZ (рисунок 5.6) и к СС подключается одно из восьми эталонных напряжений, соответствующих нижней границе сегмента, в котором находится кодируемый отсчёт.

В оставшихся четырёх тактах последовательно формируются символы ABCD кодовой комбинации, значения которых зависят от номера шага квантования внутри сегмента, соответствующего амплитуде кодируемого отсчёта. Поскольку внутри любого сегмента осуществляется равномерное квантование, то процесс кодирования реализуется, как и в линейных кодерах взвешивающего типа, путём последовательного включения эталонных напряжений соответствующих данному сегменту (таблица 5.2).

Практикум на применение нелинейного кодера при компадировании по закону А = 87.6/13 :

Например, если на вход кодера поступил положительный отсчёт с амплитудой U АИМ = 889 ∆ 0 , то после первых четырёх тактов сформируются символы PXYZ = 1110 и к СС подключится эталонное напряжение U эт = 512 ∆ 0 , соответствующее нижней границе шестого сегмента, поскольку кодируемый сигнал находится в этом сегменте. В пятом такте к этому эталонному сигналу добавляется максимальное эталонное напряжение U эт = 256 ∆ 0 , соответствующее символу А в определителе шага квантования К (рисунок 5.6) шестого сегмента (таблица 5.2). Так как U АИМ > U эт = (512 +256) ∆ 0 , то формируется символ А = 1 и это эталонное напряжение остаётся включенным. В шестом такте подключается эталонное напряжение соответствующее символу В в определителе шага квантования U эт = 128 ∆ 0 и так как U АИМ > U эт = (512 +256 + 128) ∆ 0 , то на выходе СС формируется символ В = 1 и это эталонное напряжение остаётся включенным. В седьмом такте подключается эталонное напряжение соответствующее символу С в определителе шага квантования U эт = 64 ∆ 0 и так как U АИМ < U эт = (512 +256 + 128 + 64) ∆ 0 , то на выходе СС формируется символ С = 0. В восьмом такте вместо U эт = 64 ∆ 0 подключается эталонное напряжение соответствующее символу D в определителе шага квантования U эт = 32 ∆ 0 и так как U АИМ < U эт = (512 +256 + 128 + 32) ∆ 0 , то на выходе СС формируется символ D = 0 и это эталонное напряжение отключается и на этом процесс кодирования очередного отсчёта заканчивается. При этом на выходе кодера сформирована кодовая комбинация PXYZABCD = 11101100, соответствующая амплитуде уравновешивающего АИМ сигнала на входе СС U АИМ = 896 ∆ 0 . Разница между входным и уравновешивающим АИМ сигналами на входах СС представляет ошибку квантования δ кв = U АИМ – U АИМ = 7∆ 0 .

5.2. Цифровые иерархии

При выборе иерархии ЦСП должны учитываться следующие требования: стандартизированные скорости передачи цифровых потоков должны выбираться с учётом возможности использования цифровых и аналоговых систем передачи и электрических характеристик существующих и перспективных линий связи; обеспечение возможности как синхронного, так и асинхронного объединения, разделения и транзита цифровых потоков и сигналов в цифровой форме. Кроме того, ЦСП высшего порядка должна удовлетворять требованию независимости скорости передачи в групповом цифровом сигнале от видов передаваемой информации и способа формирования этого сигнала .

Указанным требованиям удовлетворяет европейская иерархия ЦСП, которая базируется на первичной ЦСП ИКМ-30 со скоростью передачи группового цифрового сигнала 2048 кбит/с (F т = 2048 кГц) (рисунок 5.10) .

Рисунок 5.10. Европейская иерархия цифровых систем передачи

Относительное возрастание скорости передачи в каждой последующей ступени иерархии по отношению к предыдущей связано с необходимостью увеличения объёма служебной информации при увеличении числа каналов.

Иерархия ЦСП с ИКМ. Упрощенная структурная схема аппаратуры ВРК с ИКМ приведена на рисунке 5.11, где для простоты показано индивидуальное оборудование одного канала.

Рисунок 5.11. Упрощенная структурная схема аппаратуры объединения (АО) и разделения (АР) при ВРК с ИКМ

Телефонное сообщение u к (t) через дифференциальную систему (ДС) фильтр нижних частот (ФНЧ), который ограничивает спектр сигнала частотой 3.4 кГц, подается на вход модулятора АИМ (М АИМ). В модуляторе непрерывный сигнал дискретизируется, то есть превращается в последовательность модулированных по амплитуде импульсов, которые имеют частоту F д =8 кГц.

Сигналы с АИМ всех каналов объединяются в групповой АИМ сигнал (смотри рисунок 5.1, в), который поступает на компрессор (Км). После компрессии групповой АИМ сигнал квантуется и кодируется в кодере (Кд). С выхода Кд двухуровневый цифровой сигнал подается на устройство объединения (УО), куда поступают импульсы от передатчика (П) СУВ и от передатчика циклового синхросигнала (ПЦС). Таким образом, в УО формируется групповой цифровой сигнал, структура цикла которого показана на рисунке 5.12.

Рисунок 5.12. Структура цикла группового сигнала ВРК с ИКМ

Параметры двоичного цифрового сигнала плохо согласуются с параметрами реальных линий передачи, не пропускающих низкочастотные составляющие спектра такого сигнала. Поэтому двоичный сигнал подвергается перекодированию в преобразователе кода (ПКп) в так называемый код линии, у которого низкочастотные компоненты ослаблены и характеристики вследствие этого лучше сочетаются с параметрами линии. Работа всех блоков АО синхронизируется сигналами, вырабатываемыми распределителем каналов передачи (РКп).

На приёмной стороне ИКМ сигнал подвергается обратному преобразованию в АИМ квантованный сигнал (декодированию). Для этого непрерывный поток символов должен быть разделён на кодовые группы, каждая из которых соответствует одному отсчёту квантованного сигнала. Декодированный сигнал аналогичен квантованным отсчётам исходного сигнала u кв (iT д) (смотри рисунок 5.1, а), которые в своём спектре имеют составляющие с частотами Ω н … Ω в передаваемого сообщения u к (t). Поэтому из импульсной последовательности u* кв (iТ д) принятое сообщение u* к (t) выделяется с помощью ФНЧ.

На стороне приёма сигнал по кабелю поступает на преобразователь кода приёма (ПКпр), где код линии преобразуется в двоичный и поступает в устройство разделения (УР). С выхода УР цикловой синхросигнал и СУВ поступают на свои приёмники, а кодовые группы речевых сигналов в декодере (Дк) преобразуются в групповой АИМ сигнал, который после экспандера (Эк) поступает на временные селекторы (ВС), открывающиеся поочерёдно и пропускающие импульсы АИМ, относящиеся к данному каналу. Демодуляция сигнала в канале осуществляется в ФНЧ.

Управление работой АР осуществляет распределитель каналов приёма (РКпр), синхронизация которого производится тактовой частотой, выделяемой из группового цифрового сигнала узкополосным фильтром, расположенным на выходе ПКпр, и цикловой синхронизацией.

Рассмотрим методы синхронизации. Для согласованной работы АО, АР и регенераторов необходимо обеспечить равенство скоростей обработки сигналов, правильное распределение АИМ сигналов и СУВ. Это осуществляется путём синхронизации регенераторов, генераторного оборудования АР по тактовой частоте и по циклам принимаемого цифрового сигнала .

При N гр канальных интервалах и m разрядах в информационных кодовых группах тактовая частота группового цифрового сигнала

F т = F д ∙ m ∙ N гр. (5.7)

Так, для системы ИКМ-30, рассчитанной на N гр = 32 канальных интервала при восьмиразрядной кодовой группе, F т = 8∙8∙32 = 2048 кГц. Групповой цифровой сигнал u ИКМ (t) представляет собой случайную последовательность двоичных импульсов (рисунок 5.1, в). Эту последовательность можно представить в виде суммы периодической и случайной последовательностей. Периодическая последовательность импульсов имеет дискретный спектр и при τ и, равной Т и Т/2, дискретные составляющие будут иметь частоты F=0; F т и так далее (смотри рисунок 5.13, где эти составляющие отмечены точками). Случайная биполярная последовательность определяет непрерывный спектр (рисунок 5.13) исходной двоичной последовательности.

Рисунок 5.13. Энергетический спектр случайной последовательности двоичных импульсов (а, б) и сигнала с ЧПИ (в) (составляющие дискретного спектра отмечены точками)

Из рисунка 5.13 следует, что максимальную энергию тактовой частоты имеет случайная двоичная последовательность с τ и = T/2. Колебания с тактовой частотой F т выделяются из такой последовательности узкополосным фильтром и используются в регенераторе для синхронизации работы решающего устройства.

Система цикловой синхронизации определяет начало цикла передачи и обеспечивает согласованное с АО распределение декодированных на приемном конце отсчетных значений аналоговых сигналов по своим каналам. Неточность работы цикловой синхронизации приводит к увеличению вероятности ошибки в информационных каналах. Для увеличения помехоустойчивости в качестве циклового синхросигнала (рисунок 5.12) используется группа символов постоянной структуры с частотой следования 4 кГц, то есть ЦС передаются через цикл передачи.

Рассмотрим объединение ЦСП на базе асинхронного ввода цифровых сигналов. Необходимость объединения цифровых потоков возникает при формировании группового цифрового сигнала из цифровых потоков систем более низкого порядка, из различных сигналов, передаваемых в цифровом виде, а также при вводе в групповой цифровой сигнал дискретных сигналов от различных источников информации (рисунок 5.14). Цифровые потоки формируются в ЦСП, задающие генераторы которых могут быть синхронизированы или несинхронизированы с задающим генератором оборудования объединения. В соответствии с этим производится синхронное или асинхронное объединение цифровых потоков.

Рисунок 5.14. Упрощенная структурная схема (а) посимвольное (б) и поканальное (в) объединение цифровых потоков

Для временного объединения асинхронных цифровых потоков необходимо предварительно согласовать их скорости, то есть "привязать" их к одной опорной частоте . На приёме суммарный сигнал распределяется по соответствующим выходам. Приходящие на вход системы передачи биты из четырёх информационных потоков записываются в ячейки памяти запоминающего устройства (ЗУ), а затем считываются с них и направляются в линию. Если содержимое ячеек памяти считалось быстрее, сформировался "пустой" временной интервал для вставки синхроимпульсов. Строгая периодичность синхросигнала – одно из важнейших свойств для его распознавания.

Если же генератор окажется нестабильным, то появится смещение во времени "пустых" интервалов и нарушится строгая периодичность их повторения. Может произойти сбой в работе системы синхронизации и всей аппаратуры в целом. Во избежание этого применяют процедуру выравнивания скоростей или, как часто называют, согласования скоростей.

Специальный контроллер следит за взаимным положением импульсов записи и считывания и, если импульсы считывания начали следовать быстрее (расстояние между соседними парами этих импульсов уменьшается), то контролер сигнализирует, что "пустой" интервал появился раньше времени. Другое устройство вводит в пустой интервал ложный импульс, не несущий никакой информации. В данном случае мы имеем дело с положительным согласованием скоростей.

Описанная выше процедура согласования скоростей называется стаффинг (от английского "staffing" - вставка). На приёмную станцию подаётся команда, что произошло согласование скоростей для ликвидации ложного импульса. Для надёжности команду согласования скоростей многократно дублируют, например, посылают её три раза.

Если же генератор вырабатывает импульсы считывания реже и в цифровом потоке уже должен появиться "пустой" интервал, а тактовые импульсы ещё не считали из ЗУ предшествующий ему информационный импульс, то придётся исключить из цифрового потока лишний бит и предоставить временной интервал для передачи очередного синхроимпульса. Такое согласование получило название отрицательного.

Таким образом, на приёмную станцию необходимо сообщить, какое согласование произошло: положительное или отрицательное. Для этой цели вводят команду "Вид согласования", посылая по другому служебному каналу 1 при положительном согласовании и 0 при отрицательном. Её также повторяют три раза. Таким образом, информация об изъятии или добавлении импульса передается в специально выделенных импульсных позициях, и на основе этой информации, на приемной стороне при разделении цифровых потоков происходит восстановление их скоростей (рисунок 5.14). Объединение потоков с выравниванием скоростей получило название плезиохронного, то есть почти синхронного, а существующая иерархия скоростей передачи цифровых потоков, а, значит, и систем передачи типа ИКМ – плезиохронной цифровой иерархией (по-английски PDH- Plesiohronous Digital Hierarhy).

При асинхронном способе объединения в блоках цифрового сопряжения БЦС пер (рисунок 5.14) скорости цифровых потоков объединяемых систем приводятся в соответствие с их соотношением с тактовой частотой объединенного потока и устанавливаются необходимые временные положения сигналов объединяемых потоков (КЦП – коллектор цифрового потока, РЦП – распределитель цифрового потока). Для синхронизации тракта передачи и приема по групповому цифровому потоку он разбивается на циклы, в начале которых вводится сигнал синхронизации (рисунок 5.14, б и в). При поканальном объединении цифровых потоков сужаются и распределяются во времени интервалы, отводимые для кодовых групп (рисунок 5.14, в).

Указанные иерархии, известные под общим названием PDH, или ПЦИ, сведены в таблицу 5.3.

Таблица 5.3 – Сравнение иерархий

Уровень цифровой иерархии	Скорости передач, соответствующие различным схемам цифровой иерархии
	AC: 1544 Кбит/с	ЯС: 1544 Кбит/с	EC: 2048 Кбит/с

Где: АС – американская схема;

ЯС – японская схема;

ЕС – европейская схема.

Но PDH обладала рядом недостатков, а именно:

• затруднённый ввод/вывод цифровых потоков в промежуточных пунктах;
• отсутствие средств сетевого автоматического контроля и управления;
• многоступенчатое восстановление синхронизма требует достаточно большого времени;

Указанные недостатки PDH, а также ряд других факторов привели к разработке в Европе аналогичной синхронной цифровой иерархии SDH.

Синхронная цифровая иерархия .

Новая цифровая иерархия SDH – это способ мультиплексирования различных цифровых данных в единый блок, называемый синхронным транспортным модулем (STM) , с целью передачи этого модуля по линии связи . Упрощённая структура STM показана на рисунке 5.15:

Рисунок 5.15 – Структура синхронного транспортного модуля STM-1

Модуль представляет собой фрейм (рамку) 9∙270 = 2430 байт. Кроме передаваемой информации (называемой в литературе полезной нагрузкой), он содержит в 4-й строке указатель (Pointer, PTR), определяющий начало записи полезной нагрузки.

Чтобы определить маршрут транспортного модуля, в левой части рамки записывается секционный заголовок (Section Over Head – SOH). Нижние 5∙9 = 45 байтов (после указателя) отвечают за доставку информации в то место сети, к тому мультиплексору, где этот транспортный модуль будет переформировываться. Данная часть заголовка так и называется: секционный заголовок мультиплексора (MSOH). Верхние 3∙9 = 27 байтов (до указателя) представляют собой секционный заголовок регенератора (RSOH), где будут осуществляться восстановление потока, "поврежденного" помехами, и исправление ошибок в нем.

Один цикл передачи включает в себя считывание в линию такой прямоугольной таблицы. Порядок передачи байтов – слева направо, сверху вниз (так же, как при чтении текста на странице). Продолжительность цикла передачи STM-1 составляет 125 мкс, т.е. он повторяется с частотой 8 кГц. Каждая клеточка соответствует скорости передачи 8 бит ∙ 8 кГц = 64 кбит/с. Значит, если тратить на передачу в линию каждой прямоугольной рамки 125 мкс, то за секунду в линию будет передано 9∙270∙64 Кбит/с = 155520 Кбит/с, т.е. 155 Мбит/с.

Таблица 5.4 – Синхронная цифровая иерархия

Уровень иерархии	Тип синхронного транспортного модуля	Скорость передачи, Мбит/с

Для создания более мощных цифровых потоков в SDH-системах формируется следующая скоростная иерархия (таблица 5.4): 4 модуля STM-1 объединяются путем побайтного мультиплексирования в модуль STM-4, передаваемый со скоростью 622,080 Мбит/с; затем 4 модуля STM-4 объединяются в модуль STM-16 со скоростью передачи 2488,320 Мбит/с; наконец 4 модуля STM-16 могут быть объединены в высокоскоростной модуль STM-64 (9953,280 Мбит/с).

На рисунке 5.17 показано формирование модуля STM-16. Сначала каждые 4 модуля STM-1 с помощью мультиплексоров с четырьмя входами объединяются в модуль STM-4, затем четыре модуля STM-4 мультиплексируются таким же четырёхвходовым мультиплексором в модуль STM-16. Однако существует мультиплексор на 16 входов, с помощью которого можно одновременно объединить 16 модулей STM-1 в один модуль STM-16.

Рисунок 5.16– Формирование синхронного транспортного модуля STM–16

Формирование модуля STM-1. В сети SDH применены принципы контейнерных перевозок. Подлежащие транспортировке сигналы предварительно размещаются в стандартных контейнерах (Container – С). Все операции с контейнерами производятся независимо от их содержания, чем и достигается прозрачность сети SDH, т.е. способность транспортировать различные сигналы, в частности, сигналы PDH .

Наиболее близким по скорости к первому уровню иерархии SDH (155,520 Мбит/с) является цифровой поток со скоростью 139,264 Мбит/с, образуемый на выходе аппаратуры плезиохронной цифровой иерархии ИКМ-1920. Его проще всего разместить в модуле STM-1. Для этого поступающий цифровой сигнал сначала "упаковывают" в контейнер (т.е. размещают на определенных позициях его цикла), который обозначается С-4.

Рамка контейнера С-4 содержит 9 строк и 260 однобайтовых столбцов. Добавлением слева еще одного столбца – маршрутного или трактового заголовка (Path Over Head – РОН) – этот контейнер преобразуется в виртуальный контейнер VC-4.

Наконец, чтобы поместить виртуальный контейнер VC-4 в модуль STM-1, его снабжают указателем (PTR), образуя таким образом административный блок AU-4 (Administrative Unit), а последний помещают непосредственно в модуль STM-1 вместе с секционным заголовком SOH (рисунок 5.17 и рисунок 5.18).

Синхронный транспортный модуль STM-1 можно загрузить и плезиохронными потоками со скоростями 2,048 Мбит/с. Такие потоки формируются аппаратурой ИКМ-30, они широко распространены в современных сетях. Для первоначальной "упаковки" используется контейнер С12. Цифровой сигнал размещается на определенных позициях этого контейнера. Путем добавления маршрутного, или транспортного, заголовка (РОН) образуется виртуальный контейнер VC-12. Виртуальные контейнеры формируются и расформировываются в точках окончаниях трактов .

Рисунок 5.17. Размещение контейнеров в модуле STM-1

В модуле STM-1 можно разместить 63 виртуальных контейнера VC-12. При этом поступают следующим образом. Виртуальный контейнер VC-12 снабжают указателем (PTR) и образуют тем самым транспортный блок TU-12 (Tributary Unit). Теперь цифровые потоки разных транспортных блоков можно объединять в цифровой поток 155,520 Мбит/с (рисунок 5.18). Сначала три транспортных блока TU-12 путем мультиплексирования объединяют в группу транспортных блоков TUG-2 (Tributary Unit Group), затем семь групп TUG-2 мультиплексируют в группы транспортных блоков TUG-3, а три группы TUG-3 объединяют вместе и помещают в виртуальный контейнер VC-4. Далее путь преобразований известен.

На рисунке 5.18 показан также способ размещения в STM-N, N=1,4,16 различных цифровых потоков от аппаратуры плезиохронной цифровой иерархии. Плезиохронные цифровые потоки всех уровней размещаются
в контейнерах С с использованием процедуры выравнивания скоростей (положительного, отрицательного и двухстороннего).

Наличие большого числа указателей (PTR) позволяет совершенно
четко определить местонахождение в модуле STM-N любого цифрового
потока со скоростями 2,048; 34,368 и 139,264 Мбит/с. Выпускаемые промышленностью мультиплексоры ввода-вывода (Add/Drop Multiplexer –
ADM) позволяют ответвлять и добавлять любые цифровые потоки.

Рисунок 5.18. Ввод плезиохронных цифровых потоков в синхронный транспортный модуль STM-N

Важной особенностью аппаратуры SDH является то, что в трактовых и сетевых заголовках помимо маршрутной информации создается много информации, позволяющей обеспечить наблюдение и управление всей сетью в целом, осуществлять дистанционные переключения в мультиплексорах по требованию клиентов, осуществлять контроль и диагностику, своевременно обнаруживать и устранять неисправности, реализовать эффективную эксплуатацию сети и сохранить высокое качество предоставляемых услуг.

Иерархии PDH и SDH взаимодействуют через процедуры мультиплексирования и демультиплексирования потоков PDH в системы SDH.

Основным отличием системы SDH от системы PDH является переход на новый принцип мультиплексирования. В системе SDH производится синхронное мультиплексирование/демультиплексирование, которое позволяет организовывать непосредственный доступ к каналам PDH, которые передаются в сети SDH. Это довольно важное и простое нововведение в технологии привело к тому, что в целом технология мультиплексирования в сети SDH намного сложнее, чем технология в сети PDH, усилились требования по синхронизации и параметрам качества среды передачи и системы передачи, а также увеличилось количество параметров, существенных для работы сети.

Контрольные вопросы:

1. Что такое цифровой сигнал?
2. Перечислите основные преимущества цифровой связи перед аналоговой?
3. Дайте понятие скорости передачи?
4. С какой частотой следует дискретизировать аналоговый сигнал?
5. Поясните суть квантования?
6. Как определить ошибку квантования сигнала?
7. Запишите число 859 в двоичной системе счисления.
8. Закодируйте положительный отсчёт 358 мА в симметричном восьмиразрядном коде. Чему равна ошибка квантования?
9. Дайте понятие плезиохронной цифровой иерархии?
10. Для чего необходимо согласование скоростей передачи различных потоков при их объединении в высокоскоростной поток? Как осуществляется согласование?
11. Принцип синхронной цифровой иерархии, её преимущества по сравнению с плезиохронной цифровой иерархией?
12. Для чего нужен указатель (PTR)?
13. Охарактеризуйте структуру синхронного транспортного модуля.
14. Как в STM-N размещаются три потока со скоростью 34,368 Мбит/с от аппаратуры плезиохронной цифровой иерархии ИКМ-480.

Введение

Глава 1. Равномерное квантование мгновенных значений сигнала

Глава 2. Неравномерное квантование мгновенных значений

Глава 3. Оптимальное квантование

Глава 4. Адаптивное квантование

4.1 Вводные замечания

4.2 Адаптация по входному сигналу

4.3 Адаптация по выходному сигналу

Глава 5. Теория разностного кодирования

Заключение

Список литературы

Введение

Методы рационального кодирования предназначены для сокращения избыточности сообщений в условиях априорной неопределенности относительно статистических характеристик сигналов . Т.е. в условиях, когда сигнал является нестационарным, что часто встречается на практике, или когда неизвестны статистические характеристики этого сигнала. Под рациональным кодированием понимают такое кодирование, при котором измерительная информация представленная в дискретной форме требует минимальное количество символов при заданной верности, т.е. отношении сигнал – шум квантования. Требование рационального кодирования сообщений обусловлены тем, обстоятельством, что в случае нерационального кодирования на первом этапе избыточность сохраняется и на последнем. В случае применения корректирующих (помехоустойчивых) кодов избыточность сообщений еще более возрастает. Процедуры рационального кодирования источника сообщений классифицируются по их возможности менять параметры или структуру кодирующего устройства для обеспечения сжатия данных. Классификация имеет вид (рисунок 1).

Рисунок 1

Фиксированная процедура имеет заданную структуру, которая остается неизменной при любых входных воздействиях. Это не позволяет оптимизировать процесс обработки данных при разных сообщениях на входах квантователя (можно оптимизировать для класса разных сообщений), но допускает простую аппаратную реализацию алгоритма. Пример фиксированной процедуры -

-квантователь.

Параметрическая адаптивная процедура чувствительна к статистике сообщений и изменяется в соответствии с выбранным критерием свои параметры. Примерами такой процедуры являются адаптивная и разностная ИКМ.

Непараметрическая адаптивная процедура сжатия данных с изменением структуры алгоритмов сообщений является наиболее перспективной с точки зрения эффективности кодирования источника нестационарных сообщений с изменяющимися статистическими характеристиками. В этом случае меняются не только параметры, но и структура алгоритма кодирования. К таким процедурам относят алгоритм адаптивно - разностной ИКМ с перестройкой структуры фильтра – предсказателя.

Глава 1. Равномерное квантование мгновенных значений сигнала

Предположим, что в результате дискретизации сигнала получается последовательность непрерывных величин

для передачи по цифровым каналам связи. Каждый отсчет необходимо проквантовать до конечного множества значений. Целесообразно разделять процесс представления последовательности множеством двоичных символов на два этапа: квантование, результатом которого является последовательность величин = и кодирование, когда последовательности величин ставится в соответствие кодовое слово , т.е. этот процесс можно представить в виде (рисунок 2).

Рисунок 2

Обычно для кодирования квантованных отсчетов используют двоичную последовательность. С помощью B-разрядного кодового слова можно представить

уровней квантования. Скорость передачи информации в этом случае: , (1)
- частота дискретизации, которая выбирается исходя из способа восстановления сигнала в приемнике, - число бит на отсчет сигнала. - const, то единственный путь уменьшения скорости передачи состоит в сокращении числа двоичных единиц на отсчет сигнала. Определим как зависит отношение сигнал – шум квантования от разрядности кодового слова .

Рассмотрим различные способы квантования сигнала. Пусть

(2)

и функция плотности вероятности сигнала симметрична. Тогда

. (3)

Для речевого сигнала с функцией плотности вероятностей (ФПВ) Лапласа только 0,55% отсчетов сигнала окажутся вне динамического диапазона:

. (4)

В случае равномерного квантования:

. (5)

Рассмотрим характеристики равномерного квантователя в случае восьми уровневого квантования.

Первый случай. Квантователь с усечением (рисунок 3) имеет одинаковое количество положительных и отрицательных уровней, но нет нулевого.

Рисунок 3

Второй случай. Квантователь с округлением (рисунок 4) имеет на один отрицательный уровень больше, но есть нулевой уровень.

Рисунок 4

Для квантователя с усечением при предположении, что первый разряд знаковый, квантованное значение равно:

, (6)

а для квантователя с округлением:

. (7) . (8)

Представим квантованный сигнал в виде:

(9) - ошибка или шум квантования, .

Для изучения эффектов квантования предполагают, что шум квантования обладает следующими статистическими свойствами:

1. Является стационарным белым шумом.

2. Некоррелирован со входным сигналом.

3. Распределение шума равномерное в пределах

.

Для этой статистической модели определим отношение сигнал – шум квантования:

, (10)

где M – оператор усреднения.

Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Дискрети зация, квантование, кодирование

Аналоговый сигнал

Любые способы технической регистрации и передачи информации, которые существовали в докомпьютерную эру и продолжают успешно функционировать, основаны на аналоговых технологиях. Эти устройства называются аналоговыми, потому что уровни оригинального сигнала, например звука, похожи на уровни электрического тока, с помощью которого сигнал передается (один сигнал «аналогичен» по форме другому). Если выразиться максимально обобщенно, то непрерывные значения одного сигнала задаются непрерывно изменяющейся физической величиной другого сигнала.

Поэтому аналоговую технологию отличает, прежде всего, непрерывный континуум информации (в процессе передачи нет дискретных элементов, нет разрывов, даже в моменты «тишины»). Примерно также непрерывно мы воспринимаем информацию с помощью органов зрения или слуха.

Передача звука состоит в том, что в микрофоне под влиянием колебаний воздуха мембрана колеблется и «трясет» пьезоэлемент, в котором механическое воздействие создает электрический потенциал. В цепи появляется ток, уровень которого соответствует уровню звука в данный момент. Таким образом, с помощью микрофона звуковые волны преобразовываются в электрические сигналы.

Когда сигнал достигает телефона, он вызывает колебание другой мембраны: она притягивается или отталкивается электромагнитами, тем самым создавая колебания воздуха, а следовательно, обеспечивая условия восприятия звука человеком. Характерно, что ухо человека воспринимает такой сигнал практически неотличимо от ситуации, если бы источник звука располагался в непосредственной близости.

В процессе преобразования естественного сигнала в электрический, а затем электрического снова в естественный, форма сигнала сохраняется аналогичной исходному.

Достоинством аналогового способа передачи информации является ее естественность и непрерывность, т.е. способность в данный момент максимально полно представлять непрерывный поток поступающей информации.

У аналогового принципа передачи информации есть существенные недостатки , из которых следует упомянуть два наиболее важных: способность к затуханию и чувствительность к помехам.

Затухание аналогового сигнала.

Когда сигнал передается по линии связи, он представляется в форме электрического тока. А поскольку в любых проводниках существует сопротивление, которое необходимо преодолевать, вследствие этого неизбежного процесса сигнал постепенно затухает. В результате через определенное расстояние на устройстве воспроизведения полезный сигнал заметно уменьшается или вовсе снижается до уровня шума.

Поэтому электрический сигнал требует регулярного усиления в пунктах, далеко отстоящих от уровня своего полного затухания.

Человеческий голос, также преодолевая сопротивление воздушной среды, не может распространяться бесконечно. Поэтому, если требуется передача сигнала голосом, то можно, например, выстроить цепочку людей на таком расстоянии друг от друга, которое бы обеспечивало «слышимость», исключающую ситуацию «испорченного телефона». Впрочем, голос - очень ненадежный источник сигнала, чаще используют зрительные сигналы: флажки, фонари, семафоры или светофоры. Примерно такая же идея положена в устройство телефонных линий. Когда вы говорите в трубку дома, и, скажем, в Самарканде вас прекрасно слышат, то это вовсе не потому, что вы так громко кричите. Понятно, что сигнал на пути в несколько сотен километров периодически усиливается, предотвращая естественное затухание.

Чу вствительность к помехам

Когда форма сигнала в каждый данный момент изменяется, всевозможные помехи (среди них наиболее характерны атмосферные или индустриальные - работа мощных станков или даже систем зажигания автомобилей, а также собственные шумы системы) в процессе передачи постоянно влияют на характер сигнала. В результате форма сигнала искажается, что препятствует «чистой» передаче.

Влияние помехи на условный синусоидальный сигнал, который в результате сложения совокупности частот изменяет свою идеальную форму, что, безусловно, придает «звучанию» иную (дополнительную) тембральную окраску.

Влияние помехи на передаваемый сигнал (а - полезный сигнал, b - излучение помехи, с - сумма колебаний, т.е. сигнал с помехой)

Если не очень по душе пример с абстрактными волнами, стоит представить, как влияют на различение звуков голоса порывы ветра или помехи в телефонной трубке.

Проблемы копирования. Причина потери качества .

Затухание и подверженность к помехам, помимо уже упомянутой необходимости усиливать сигнал, имеют еще одно весьма неприятное следствие. А именно, при каждом копировании аналоговой информации ее качество довольно резко ухудшается. Эффект накопления искажений, присущий всем аналоговым системам, ограничивает количество перезаписей, которые могут быть сделаны на аналоговом аудио - и видеомагнитофоне, буквально несколькими копиями.

Схема «оригинал - копия 1», «копия 1 - копия 2», «копия 2 - копия 3», «копия 3 - копия 4» и т.д. не работает после определенного, причем очень небольшого, числа этапов. При этом всем ясно, что каждая последующая копия по качеству заметно хуже предыдущей.

Поэтому в аналоговых системах копирование информации происходит по другой схеме: «оригинал - копия 1», «копия 1 - копия 2», «копия 1 - копия 3», «копия 1 - копия 4» и т.д. Тем самым обеспечивается следующее условие: между источником информации и конечным его потребителем должно быть как можно меньше промежуточных этапов, т.к. каждый из них неизбежно вносит свои помехи и погрешности.

Такой порядок, безусловно, сдерживает копирование и распространение информации «цепочным» способом. Причем следует заметить, что этот недостаток является принципиальным и, как говорится, «исправлению не подлежит».

Если отбросить очень сложные технические подробности, причина состоит в том, что исходное (эталонное) состояние передаваемой аналоговой информации не фиксируется. По линии связи распространяется такой сигнал, который реально существует в каждый данный момент. И усилители «поднимают» сигнал не до исходного уровня, а лишь увеличивают его в том виде, какой до них «дошел». Если, например, вместо полезного сигнала до усилителя докатился треск и шум, то он вынужден усиливать и их или только их.

Если передается, допустим, конкретный звуковой сигнал с определенной громкостью и если в момент воспроизведения уровень тока ниже, чем тот, при котором была произведена передача, то громкость результирующего сигнала сможет настолько снизиться, что тихие звуки совсем пропадут (хотя сигнал может и вовсе исчезнуть). При этом нет никакой практической возможности убедиться, что сигнал не соответствует исходному (может быть, и в самом деле передаваемые звуки должны быть тихими или в это время «передается» пауза). Разумеется, если бы была какая-либо техническая возможность в самом начале сохранить данные о том, какими должны быть передаваемые сигналы, а на входе в другое устройство можно было проверить, соответствуют ли они этой информации (идеальному сигналу), то только тогда можно гарантировать их абсолютно точное воспроизведение.

В этом заключается суть принципиального ограничения, которое невозможно каким-либо способом преодолеть. Передаваемая аналоговая информация представляет собой непрерывный континуум непрерывного сигнала. При этом сигнал в каждый данный момент ни с каким эталоном не сравнивается, а только соотносится (в нашем восприятии) с предыдущим уровнем сигнала.

Особенности аналоговых сигналов.

Аналоговый сигнал можно сравнить с мелодией - повышением и понижением голоса. Мелодия может сохраняться на более высоких или более низких тонах, если отношение тонов относительно друг друга будет соблюдаться. Поэтому перед выступлением камерные певцы, учитывая состояние своего голоса, договариваются с концертмейстером об уровне (тональности) исполнения. Аналоговый способ передачи информации обладает важными достоинствами: соответствием исходному сигналу, непрерывностью, отсутствием необходимости хранить информацию о сигнале. Но у аналогового способа существуют и не менее значительные недостатки: подверженность помехам и способность к затуханию.

Представление об аналоговых сигналах необходимо иметь хотя бы потому, что в объективной реальности это, видимо, единственный способ передачи какой бы то ни было информации. Все органы чувств человека имеют дело с аналоговыми сигналами. Любая информация, используемая в технических системах, также начинается и заканчивается аналоговым сигналом.

И даже те технические устройства, которые связывают обычную информацию с цифровыми технологиями, также требуют знания принципов аналоговой передачи и, следовательно, в дальнейшем преобразования их в цифровую форму. Изложенной выше информации достаточно для представления сущности аналоговых сигналов.

Цифровой сигнал

1. Импульсный сигнал. Преодоление затухания.

Другим принципом передачи и записи информации является импульсная форма сигнала. Эта форма получила такое название потому, что сигнал передается короткими одинаковыми импульсами тока. В каждый данный момент ток может иметь два уровня.

Справка . Слово «импульс» (от латинского слова «impulsus», что переводится как «удар» или «толчок») в отношении электрических сигналов означает кратковременное отклонение напряжения или силы тока от некоторого постоянного значения.

Такой способ передачи сигналов дает возможность преодолеть указанные выше недостатки аналогового сигнала.

2. Преодоление затухания

Стоит заметить (не касаясь технических подробностей), что значительный диапазон между двумя уровнями сигнала (или даже между наличием и отсутствием сигнала) создают условия, уменьшающие затухание и повышающие различение сигналов, например в случае общего понижения напряжения в сети.

В самом деле, довольно основательный запас «прочности» позволяет устройствам приема, передачи и воспроизведения легко «разобраться», какой из уровней в данный момент поступает в обработку. Кроме того, эти два уровня имеют заранее известные (стандартные) значения, которые не трудно проконтролировать и легко восстановить.

3. Возможность контроля сигнала

Если импульсный сигнал сравнивать с аналоговым сигналом (для которого характерно непрерывное и разнообразное изменение уровня тока), может сложиться впечатление полной скуки, поскольку по такому сигналу нельзя получить никакой даже приблизительной информации о сигнале: громкий он или тихий, быстрый или медленный, с повышающимся или понижающимся тоном и т.д. Однако не стоит делать опрометчивых выводов. У скучных импульсов есть одно весьма существенное преимущество: импульсы можно сосчитать! Поэтому такой вид называют еще импульсно-цифровым способом передачи информации. (Понятно, что при всех красотах аналоговые «извивы» сосчитать невозможно).

В начале посылки совокупности таких сигналов можно указать количество импульсов и, тем самым, проконтролировать достоверность передачи. Если в результате передачи их количество не совпадает, происходит повторная передача. И, следовательно, сигнал не может потеряться или измениться, т.к. всегда имеется возможность проверить исходное состояние.

Если же, например, на линии происходит сбой и в какой-либо период времени передача невозможна, то при ее восстановлении совокупность сигналов повторяется.

4. О граниченные возможности копирования.

Самые впечатляющие преимущества импульсного способа передачи связаны с копированием информации. Вспомним схему копирования аналоговой информации и сравним ее со схемой копирования при импульсном способе передачи информации, которая имеет следующий характер: «оригинал - копия 1», «копия 1 - копия 2», «копия 2 - копия 3», «копия 3 - копия 4»,…, «копия 999 - копия 1000» и так до бесконечности. В самом деле, любая копия, даже если она сотая, а может быть, и миллионная, абсолютно идентична оригиналу. Почему? Потому что копирование состоит в передаче относительно простых и (главное!) сосчитанных импульсов.

Впрочем, у этого потрясающего достоинства есть и неприятные последствия, т.к. оно представляет идеальную почву для пиратства и присвоения чужой интеллектуальной собственности.

5. Общая характеристика импульсного сигнала

Импульсный способ передачи информации интересен прежде всего тем, что обладает важными достоинствами:

ь устойчивостью к затуханию и помехам;

ь возможностью контроля передаваемого сигнала на его соответствие исходному сигналу.

Даже этих свойств достаточно, чтобы понять, почему импульсная природа взята в качестве основы компьютерных технологий.

Пример-метафора

Этап передачи между АЦП и ЦАП - это импульсно-цифровой этап, или короче цифровой. В самом деле, с помощью последовательности импульсов передаются некие числа, которые представляют собой не сигнал как таковой (например, звук или изображение), а только его шифрованную форму (коды). Проще говоря, любая информация, которая передается последовательностью совершенно одинаковых импульсов, не может быть «аналогичной» (совпадать по форме) исходной. Совокупность импульсов - это последовательность кодов.

На первый взгляд, усложнение схемы двумя дополнительными устройствами может показаться большим недостатком. На самом деле, в этом кроется колоссальное достоинство, которое всегда несет с собой унификация, особенно в технических системах и на производстве.

Стоит сравнить перевозку разнообразных предметов индивидуально и унифицировано. Одно дело - каждой вещи создавать свою особенную упаковку, совсем другое - предусмотреть один-два стандартных ящика, которые легко складировать, перемещать и учитывать. Особенно стоит обратить внимание на возможность «учета». В свое время мы об этом вспомним.

Компьютерные технологии не обладают органами чувств и мышлением, которыми природа снабдила человека. Для их функционирования требуется самый простой и однообразный вид сигнала, каковым является импульсный.

Импульсный сигнал характеризуется прежде всего тем, что одинаковые импульсы нетрудно сосчитать и передать их количество вместе с информационным сигналом. Это позволяет абсолютно достоверно осуществлять копирование информации.

Далее, каким образом происходит кодирование самых разных форм информации, откуда эти коды берутся, как мы их можем получать, доставлять и использовать, т.е. рассмотреть в предельно популярном виде основы кодирования.

Но прежде необходимо от технических вопросов передачи информации перейти к математическим основам кодирования.

6. Д искретизация аналогового сигнала.

Первое, на что стоит обратить внимание, это - изменение амплитуды вдоль одной оси. Можно условиться, что это ось времени (хотя в принципе это несущественно для абстрактного примера).

7. Разбиение на равные интервалы

В качестве первой операции необходимо разбить эту ось на определенные интервалы, возможно, это и будут интервалы по времени.

Цель такого разбиения проста - это единственный способ получения дискретных элементов, причем стоит обратить внимание, что применяется искусственный прием, который ранее мы определяли как «принудительная» дискретизация.

В самом деле, выбранные интервалы принципиально никак не учитывают содержание сигнала, а хладнокровно «режут по живому» - в этом суть процесса «принудительной» дискретизации.

В данном конкретном случае дискретизация является линейной, т.к. используется всего одна координата (одна линия, вдоль которой происходит разбиение на равные интервалы).

В общем случае интервалы могут быть и разными, но тогда придется ответить на два вопроса: во-первых, как попасть в нужные, смысловые точки, а во-вторых, как передать с каждым дискретным интервалом значения разных длительностей. Не стоит забывать, что все указанные действия ориентированы на техническую реализацию. А техника «склонна» выполнять механические и однозначные действия.

Полученные интервалы очень полезно каким-либо образом «пометить», например пронумеровать с помощью натурального ряда чисел: 0, 1, 2, 3 и т.д.

Можем ли мы считать, что процесс дискретизации закончен? Отнюдь нет. Ведь кривая аналогового сигнала, подвергнутая «принудительной дискретизации», нисколько не изменилась, получить какие бы то ни было элементы пока не удалось.

В самом деле, только количества «дискретов», на которое разделяется сигнал, явно недостаточно. Поскольку в этом случае (по количеству «дискретов») могут казаться равными все сигналы одинаковой длины, ведь они составляются из одинакового количества «дискретных интервалов», хотя внутри интервалов сигналы будут абсолютно разными.

сигнал аналоговый импульсный помеха

Размещено на Allbest.ru

Подобные документы

Принципы построения и структура взаимоувязанной сети связи. Понятие информации, сообщения, сигналов электросвязи. Типовые каналы передачи и их характеристики, принципы многоканальной передачи. Цифровые сигналы: дискретизация, квантование, кодирование.

дипломная работа , добавлен 17.05.2012


Разработка структурных схем передающего и приемного устройств многоканальной системы передачи информации с ИКМ; расчет основных временных и частотных параметров. Проект амплитудно-импульсного модулятора для преобразования аналогового сигнала в АИМ-сигнал.

курсовая работа , добавлен 20.07.2014


Формы представления информации, ее количественная оценка. Сущность и первичное кодирование дискретных сообщений. Совокупность технических средств, предназначенных для передачи информации. Система преобразования сообщения в сигнал на передаче и приеме.

реферат , добавлен 28.10.2011


Параметры цифровой системы передачи информации. Дискретизация сообщений по времени. Квантование отсчетов по уровню, их кодирование и погрешности. Формирование линейного сигнала, расчет спектра. Разработка структурной схемы многоканальной системы передачи.

курсовая работа , добавлен 19.04.2012


Спектр передаваемых сигналов. Дискретизация сообщений по времени. Квантование отсчётов по уровню и их кодирование, расчет его погрешностей. Формирование линейного сигнала, расчет его спектра. Разработка структурной схемы многоканальной системы передачи.

курсовая работа , добавлен 06.07.2014


Понятие сигнала, его взаимосвязь с информационным сообщением. Дискретизация, квантование и кодирование как основные операции, необходимые для преобразования любого аналогового сигнала в цифровую форму, сферы их применения и основные преимущества.

контрольная работа , добавлен 03.06.2009


Анализ структурной схемы системы передачи информации. Помехоустойчивое кодирование сигнала импульсно-кодовой модуляции. Характеристики сигнала цифровой модуляции. Восстановление формы непрерывного сигнала посредством цифро-аналогового преобразования.

курсовая работа , добавлен 14.11.2017


Обзор методов кодирования информации и построения системы ее передачи. Основные принципы кодово-импульсной модуляции. Временная дискретизация сигналов, амплитудное квантование. Возможные методы построения приемного устройства. Расчет структурной схемы.

дипломная работа , добавлен 22.09.2011


Дискретные системы связи. Дифференциальная импульсно-кодовая модуляция. Квантование по уровню и кодирование сигнала. Помехоустойчивость систем связи с импульсно-кодовой модуляцией. Скорость цифрового потока. Импульсный сигнал на входе интегратора.

реферат , добавлен 12.03.2011


Структурная схема сети передачи дискретной информации. Причины возникновения линейных и нелинейных искажений в СПДИ, нормирование АЧХ и ФЧХ. Тип переносчика, формы модуляции и спектры сигналов при передаче ДИ. ЕЭС прямоугольной и синусоидальной формы.

Высшего профессионального образования

Санкт-Петербургский Государственный технологический институт

(Технический университет)

Кафедра экономики и менеджмента

Курсовая работа по информатике

Задание№20

Подготовила:

Жадан Анна Игоревна

Группа 783

Проверил:

Табурчак Алексей Петрович

Санкт-Петербург

2009

Содержание

Сигналы; кодирование и квантование сигналов. Системы счисления.
Центральный процессор, системные шины.
Понятие системного программного обеспечения: назначение, возможности, структура; операционные системы.
Электронные презентации
Классификация и формы представления моделей
Операторы циклов и ветвления.
Основные понятия языков программирования. Развитие языков программирования.
Назначение и основы использования систем искусственного интеллекта; базы знаний, экспертные системы, искусственный интеллект
Компьютерные коммуникации и коммуникационное оборудование.
Информационная безопасность и ее составляющие.

Сигналы; кодирование и квантование сигналов. Системы счисления.

Сигнал (от лат. signum - знак) - знак, физический процесс (или явление), несущий информацию о каком-либо событии, состоянии объекта наблюдения либо передающий команды управления, указания, оповещения.
Сигнал является материальным носителем информации, которая передается от источника к потребителю.
Сигнал – это изменяющийся во времени физический процесс.
Такой процесс может содержать различные характеристики.
При взаимодействии сигнала с физическими телами возникают определенные изменения свойств этих тел, которые можно зарегистрировать.
Таким образом, будем считать, что данные – это зарегистрированные сигналы.
Характеристика, которая используется для представления данных, называется параметром сигнала.
Если параметр сигнала принимает ряд последовательных значений и их конечное число, сигнал называется дискретным.
Если параметр сигнала непрерывная функция, то сигнал называется непрерывным .
Квантование сигнала - преобразование сигнала в последовательность импульсов (квантование сигнала по времени) или в сигнал со ступенчатым изменением амплитуды (квантование сигнала по уровню), а также одновременно и по времени, и по уровню. Применяется при преобразовании непрерывной величины в код в вычислительных устройствах, цифровых измерительных приборах и др.
Данные, безусловно, несут в себе информацию, но они ей не тождественны. Для того чтобы данные стали информацией необходимо наличие методов пересчета одной величины в другую. Данные – диалектическая составная часть информации. В соответствии с методом регистрации данные могут храниться и транспортироваться на носителях различных видов.
Самым распространенным носителем данных в настоящее время является бумага. На бумаге данные регистрируются путем изменения оптических характеристик ее поверхности. В то же время изменение коэффициента отражения поверхности в определенном диапазоне длин волн используется в устройствах, осуществляющих запись лазерным лучом на пластмассовых носителях с отражающим покрытием (CD ROM). Магнитные ленты и магнитные диски, служащие в современных компьютерах главными носителями информации, используют изменение магнитных свойств тела. Свойства информации получаемой пользователем, тесно связаны со свойствами носителей данных, с которых эта информация будет получена. Любой носитель можно характеризовать параметром разрешающей способности , т.е. количеством данных записанных в принятой на носителе единице измерения, и динамическим диапазоном – логарифмическим отношением интенсивности амплитуд максимального и минимального регистрируемого сигнала. От этих свойств носителя зависят такие свойства информации, как полнота, доступность и достоверность. Задача преобразования данных с целью смены носителя относится к одной из важнейших задач информатики. В стоимости вычислительных систем устройства для ввода и вывода данных, работающие с носителями информации, составляют не меньше половины стоимости аппаратных средств.
Обуславливая диалектическое единство данных и методов в информационном процессе, определяют следующие понятия.
Динамический характер информации . Данные имеют статичный характер. Информация динамически меняется и существует только в момент времени взаимодействия данных и методов. Таким образом, информация существует только в момент протекания информационного процесса. Все остальное время она содержится в виде данных.
Требования адекватности методов. Одни и те же данные могут в момент потребления поставлять разную информацию, в зависимости от степени адекватности взаимодействующих с ними методов. Использование более адекватных методов даст более полную информацию.
Диалектический характер взаимодействия данных и методов. Данные являются объективными, это результат регистрации объективно существовавших сигналов, вызванных изменениями в материальных полях или телах. В тоже время методы являются субъективными. В основе искусственных методов лежит алгоритм, т.е. упорядоченная последовательность команд, составленная и подготовленная человеком (субъектом). В основе естественных методов лежат биологические свойства субъектов информационного процесса.
Таким образом, информация возникает и существует в момент диалектического взаимодействия объективных данных и субъективных методов.
Для автоматизации работы с данными, относящимися к различным типам и несущим в себе различную информацию очень важно унифицировать форму их представления. Для этого обычно используется прием кодирования.
Кодирование – это выражение данных одного типа через данные другого типа.
Естественные человеческие языки – это ничто иное, как системы кодирования понятий для выражения мыслей посредством речи.
В вычислительной технике работа ведется с числовой информацией. Остальная информация тексты, звуки, изображения и т.д. для обработки в вычислительной среде должна быть преобразована в числовую форму. При этом все числа в память компьютера записываются с использованием так называемого двоичного кодирования . Двоичное кодирование основано на представлении данных последовательностью всего двух знаков 0 и 1. Эти знаки называются двоичными цифрами, по-английски binary digit или сокращенно (bit) бит.
Двоичная система кодирования выбрана совсем не случайно. Она легко реализуется технически. Электронные схемы для обработки двоичных кодов должны находиться в одном из двух состояний «есть сигнал/ нет сигнала» или «высокое/ низкое» напряжение и т.д. Схему легко переключать из одного состояния в другое.
Бит – минимальная единица информации в вычислительной технике. Один двоичный разряд.
Группа из восьми бит называется байт и обеспечивает основу записи информации в память компьютера.
1024 байта = 1 килобайту (Кб)
1024 килобайта = 1мегабайту (Мб)
1024 мегабайта = 1 гигабайту (Гб)
Для правильного понимания, как представляется информации в памяти компьютера, рассмотрим различные системы счисления, используемые современными вычислительными средствами.
Система счисления - это совокупность правил наименования и изображения чисел с помощью набора знаков.
Системы счисления бывают позиционные и непозиционные .
Непозиционная система счисления – это система, где порядок цифры в числе определяется по установленному правилу. Например, непозиционной системой счисления является «римская» система.
Позиционной системой счисления , называется система - где порядок цифры в числе определяется рядом степени числа, которое является основанием данной системы счисления.
В общем виде целое число в позиционной системе счисления можно представить выражением:
N (m) = k 0 * m 0 + k 1 * m 1 +...k n-1 * m n-1 ,
где

N(m)- число в m-ой системе счисления;
m - разрядность системы (двоичная, восьмеричная, десятичная, шестнадцатеричная системы m = 2; m = 8; m = 10, m = 16);
n – количество разрядов в числе;
k – цифра в числе.

Рассмотрим, как записываются числа в позиционных системах счисления, используемых современной вычислительной техникой.
Десятичная система счисления. Основанием десятичной системы является ряд степени числа 10. Разрядность системы m = 10. В десятичной системе счисления 10 цифр (от 0 до 9). Возьмем, к примеру, десятичное число 1957. Число, состоит из четырех цифр - четырехзначное, т.е. n =4. Используя выше приведенную формулу, получим число в десятичной системе счисления.
N(10) = 7*10 0 + 5*10 1 + 9*10 2 + 1*10 3 = 1957
Двоичная система счисления. Основанием двоичной системы является ряд степени числа 2. Разрядность системы m = 2. В двоичной системе счисления 2 цифры (0 и 1). Возьмем, к примеру, двоичное число 100011В (В–идентификатор двоичной системы счисления). Число, состоит из шести цифр - шестизначное, т.е. n = 6. Используя выше приведенную формулу, получим десятичное число.
N(2) = 1*2 0 + 1*2 1 + 0*2 2 + 0*2 3 + 0*2 4 + 1*2 5 = 35,
т.е. двоичное число 100011В = десятичному числу 35.
Обратим внимание, что для записи чисел в позиционных системах счисления могут быть использованы одинаковые цифры. Так цифры 0 и 1 используются как десятичной, так и двоичной системой. Поэтому в записи чисел недесятичной системы счисления принято использовать буквы являющиеся идентификаторами систем счисления и позволяющие отличить числа одной системы счисления от другой.
Восьмеричная система счисления. Основанием восьмеричной системы является ряд степени числа 8. Разрядность системы m = 8. В восьмеричной системе счисления 8 цифр (от 0 до 7). Возьмем, к примеру, восьмеричное число 573Q (Q–идентификатор восьмеричной системы счисления). Число, состоит из трех цифр - трехзначное, т.е. n = 3. Используя выше приведенную формулу, получим десятичное число.
N(8) = 3*8 0 + 7*8 1 + 5*8 2 = 379,
т.е. восьмеричное число 573Q = десятичному числу 379.
Шестнадцатеричная система счисления. Основанием шестнадцатеричной системы является ряд степени числа 16. Разрядность системы m = 16. В шестнадцатеричной системе счисления 16 цифр (от 0 до F), первые десять цифр от 0 до 9 совпадают с цифрами десятичной системы, а затем идут цифры: A – цифра десять; B – цифра одиннадцать; C – цифра двенадцать; D – цифра тринадцать; E – цифра четырнадцать; F – цифра пятнадцать. Возьмем, к примеру, шестнадцатеричное число 1A7H (H–идентификатор шестнадцатеричной системы счисления). Число, состоит из трех цифр - трехзначное, т.е. n = 3. Используя выше приведенную формулу, получим десятичное число.
N(16) = 7*16 0 + 10*16 1 + 1*16 2 = 423,
т.е. шестнадцатеричное число 1A7H = десятичному числу 423.
Каждый раз, вычисляя число N(m) по приведенной выше формуле мы получаем число в десятичной системе. Таким образом, числа из 2-ой, 8-ой и 16-ой системы мы переводили в десятичную систему счисления.

Центральный процессор, системные шины.

Процессор , иначе, центральный процессор – Central Processing Unit (CPU) – это основной элемент компьютера, в современных компьютерах представляет собой сверхбольшую интегральную схему, реализованную на одном полупроводниковом кристалле. Процессор это программно управляемое устройство обработки информации, в котором производятся все вычисления.
Для современных процессоров характерно:

простота производства, что обеспечивается единой технологией производства;
низкая стоимость, так производство современных процессоров является массовым;
малые габариты, современный микропроцессор имеет площадь несколько квадратных сантиметров, размер одной стороны всего несколько миллиметров
высокая надежность;
малое потребление энергии.

Конструктивно процессор состоит из ячеек, похожих на ячейки оперативной памяти. Внутренние ячейки процессора называют регистрами . Важно также отметить, что данные, попавшие в некоторые регистры, рассматриваются не как данные, а как команды, управляющие обработкой данных в регистрах. Среди регистров процессора есть и такие, которые в зависимости от содержания способны модифицировать исполнение команд. Таким образом, управляя засылкой данных в разные регистры процессора, можно управлять обработкой данных. На этом и основано исполнение программ.
С остальными устройствами компьютера, и в первую очередь с оперативной памятью, процессор связан несколькими группами проводников, называемых шинами . Основных шин три.
Адресная шина. Комбинация из нолей и единиц в этой шине образует адрес, указывающий на одну из ячеек оперативной памяти. В процессоре эта шина связана с регистром, который называют «программный счетчик». Регистр «программный счетчик» всегда содержит адрес оперативной памяти, из которого считывается текущая, то есть выполняемая в данный момент процессором, команда.
Шина данных . По этой шине происходит копирование данных из оперативной памяти в регистры процессора для обработки, и после выполнения над ними необходимых действий, запись их обратно из процессора в оперативную память.
Шина команд . Для того чтобы процессор мог обрабатывать данные, ему нужны команды. Он должен знать, что следует делать с теми байтами, которые хранятся в его регистрах. Эти команды поступают в процессор тоже из оперативной памяти, в регистр процессора, который называют «регистр команд». Команды тоже представлены в виде байтов.
В процессе работы процессор обслуживает данные. Находящиеся в его регистрах, в поле оперативной памяти, а также данные, находящиеся во внешних портах процессора. Часть данных он интерпретирует непосредственно как данные, часть – как адресные данные, а часть – как команды. Совокупность всех возможных команд процессора, которые может выполнить процессор над данными, образует так называемую систему команд процессора. Процессоры, относящиеся к одному семейству, имеют близкие системы команд.
Таким образом, в процессе работы процессор выполняет следующие функции:

чтение и дешифрация команд из основной памяти;
чтение данных из оперативной памяти и регистров на адаптерах внешних устройств;
прием и обработку запросов и команд от адаптеров на обслуживание внешних устройств;
обработку данных и их запись в оперативную память и регистры адаптеров внешних устройств;
выработку управляющих сигналов для всех узлов и блоков персонального компьютера.

Часто различают процессоры CISC (Common Instruction Computer процессоры с полным набором команд) и RISC (Reduced Instruction Set Computer - процессоры с сокращенным набором команд).
Основные характеристики процессора.
Разрядность процессора. Это число двоичных разрядов, одновременно обрабатываемых при выполнении одной команды. В настоящее время в основном работают 64-разрядные процессоры. Очевидно, что чем больше разрядность, тем выше производительность процессора.
Производительность процессора определяется также скоростью выполнения команд программы. Поскольку время исполнения разных команд существенно варьируется, то для характеристики производительности процессора используют тактовую частоту.
Тактовая частота. В основе работы процессора лежит тактовый принцип, что и в обычных часах. Тактовый период – это время, за которое в процессоре, в одной ячейке памяти (бите) может произойти смена данных (т.е. ноль обратится в единицу или единица в ноль). Исполнение каждой команды занимает определенное количество тактов. В персональном компьютере тактовые импульсы задает одна из микросхем, входящая в микропроцессорный комплект (чипсет), расположенный на материнской плате. Чем выше частота тактов, поступающих на процессор, тем выше его производительность, но строгой зависимости нет.
Система команд. В составе команд современного процессора, как правило, присутствуют арифметические и логические команды над числами с фиксированной и плавающей запятой, а также дополнительные команды, реализующие обработку графических, видео- и аудиоданных. В предшествующих моделях для реализации таких команд нужно было создавать программу, включающую несколько десятков или сотен машинных команд. За счет этого соответствующие действия выполняются намного быстрее. Общее количество команд, реализуемых современным процессором, достигает нескольких сотен.
Наличие и характеристики кэш-памяти.
Кэш-память в процессорах используется для ускорения доступа к данным, размещенным в ОЗУ. Для того чтобы уменьшить количество обращений к оперативной памяти, внутри процессора создают буферную область – так называемую кэш-память. В общем случае кэш-память – это определенным способом организованная память - место, куда помещается информация, подготовленная для использования каким - либо устройством. (В данной ситуации это сверхоперативная память, но кэш может быть создан и другими микросхемами памяти, например кэш-память между оперативной памятью и жестким диском ускоряет обмен информацией между этими устройствами).
Когда процессору нужны данные, он сначала обращается в кэш-память, и только если там нужных данных нет, происходит его обращение в оперативную память. Принимая блок данных из оперативной памяти, процессор заносит его одновременно и в кэш-память.
Обычно используется кэш-память первого и второго уровня. Кэш-память первого уровня имеет меньший объем, чем кэш-память второго уровня, но она размещается непосредственно в процессоре и потому намного быстрее. Различия между процессорами Pentium и Celeron состоят главным образом в том, что у первых размеры кэш-памяти существенно больше. У процессоров серии Хеоп, предназначенных для серверов, кэш-память еще больше. С каждым новым поколением процессоров кэш-память увеличивается, и таким образом увеличивается производительность компьютера.
Параллельное исполнение команд.
Оно основано на том, что каждая команда исполняется процессором за несколько внутренних циклов работы. Поэтому, когда исполнение одной команды переходит к следующему циклу, процессор одновременно может начать обрабатывать другую команду. За счет организации конвейера команд скорость работы процессора намного возрастает. Но конвейер не всегда возможен. Поэтому активно развиваются научные исследования, связанные с оптимизацией построения конвейеров обработки команд.

Понятие системного программного обеспечения: назначение, возможности, структура; операционные системы.

Программное обеспечение ЭВМ - это совокупность программ, процедур и правил вместе со связанной с этими компонентами документацией, которая позволяет использовать ЭВМ для решения различных задач.
Необходимость в разработке программного обеспечения обуславливается следующими обстоятельствами:

обеспечить работоспособность ЭВМ, так как без программного обеспечения ЭВМ не может работать;
облегчить взаимодействие компьютера с пользователем;
сократить цикл от постановки задачи до получения результата ее решения на ЭВМ;
повысить эффективность использования ресурсов ЭВМ.

Между программами, как и между физическими узлами и блоками существует взаимосвязь – многие программы работают, опираясь на другие программы более низкого уровня, то есть мы можем говорить о межпрограммном интерфейсе. Возможность существования такого интерфейса тоже основана на существовании технических условий и протоколов взаимодействия, а на практике он обеспечивается распределением программного обеспечения на несколько взаимодействующих между собой уровней.
Уровни программного обеспечения представляют собой пирамидальную конструкцию, показанную на рисунке. Каждый следующий уровень опирается на программное обеспечение предшествующих уровней. Такая классификация удобна для всех этапов работы с вычислительной системой, начиная с установки программ до практической эксплуатации технического обслуживания. Каждый вышележащий уровень повышает функциональность всей системы в целом. Так, например, вычислительная система с программным обеспечением базового уровня не способна выполнять большинство функций, но позволяет установить системное программное обеспечение.
Базовый уровень программного обеспечения
Самый низкий уровень программного обеспечения представляет базовое программное обеспечение. Оно отвечает за взаимодействие с базовыми аппаратными средствами. Как правило, базовые программные средства непосредственно входят в состав базового оборудования, и хранится в специальных микросхемах, называемых постоянным запоминающим устройством (ПЗУ – Read Only Memory, ROM). Программы и данные записываются («прошиваются») в микросхемы ПЗУ на этапе производства или, в случае необходимости в перепрограммируемых постоянных запоминающих устройствах специальным способом, и не могут быть изменены в процессе работы вычислительной системы.
Системный уровень программного обеспечения
Этот уровень переходный. Программы, работающие на этом уровне, обеспечивают взаимодействие прочих программ компьютерной системы с программами базового уровня и непосредственно с аппаратным обеспечением, то есть выполняют «посреднические» функции.
От программного обеспечения этого уровня во многом зависят эксплуатационные показатели всей вычислительной системы в целом. Так, например, при подключении к вычислительной системе нового оборудования на системном уровне должна быть установлена программа, обеспечивающая для других программ взаимосвязь с этим оборудованием. Конкретные программы, отвечающие за взаимодействие с конкретными устройствами, называются драйверами устройств – они входят в состав программного обеспечения системного уровня.
Другой класс программ системного уровня отвечает за взаимодействие с пользователем. Именно благодаря им он получает возможность вводить данные в вычислительную систему, управлять ее работой и получать результат в удобной для себя форме. Эти программные средства называют средствами обеспечения пользовательского интерфейса. От них напрямую зависит удобство работы с компьютером и производительность труда на рабочем месте.
Совокупность программ системного уровня образует операционную систему компьютера. Если компьютер оснащен программным обеспечением системного уровня, то он уже подготовлен к установке программ более высоких уровней, к взаимодействию программных средств с оборудованием и, самое главное, к взаимодействию с пользователем. То есть наличие операционной системы – непременное условие для возможности практической работы человека с вычислительной системой.
Операционные системы
Операционная система - это комплекс специальных программ и правил, предназначенных для управления загрузкой, запуском и выполнением других пользовательских программ, а также для планирования и управления ресурсами вычислительной системы и процессами, использующими эти ресурсы при вычислениях.
Операционная система представляет собой комплекс системных и служебных программных средств. С одной стороны она опирается на базовое программное обеспечение компьютера, входящее в систему BIOS (базовую систему ввода-вывода), с другой стороны она сама является опорой для программного обеспечения более высоких уровней – прикладных и большинства служебных приложений.
Приложениями операционной системы принято называть программы, предназначенные для работы под управлением данной системы.
Основная функция всех операционных систем – посредническая. Она заключается в обеспечении нескольких видов интерфейса:

интерфейса между пользователем и программно-аппаратными средствами компьютера (пользовательский интерфейс);
интерфейса между программным и аппаратным обеспечением (аппаратно-программный интерфейс);
интерфейса между разными видами программного обеспечения (программный интерфейс).

Для одной аппаратной платформы, например, такой как IBM PC, существует несколько операционных систем. Различия между ними рассматривают в двух категориях: внутренние и внешние.
Внутренние различия характеризуются методами реализации основных функций.
Внешние различия определяются наличием и доступностью приложений данной системы, необходимых для удовлетворения технических требований, предъявляемых к конкретному рабочему месту.
Важно подчеркнуть, что операционная система – это именно комплекс программ, неоднородный по характеру и многоплановый по уровню. Этот комплекс программ динамичен по своему составу: из него можно удалять, а в него добавлять различные части. Та часть программ, которая взаимодействует с аппаратными средствами непосредственно и поэтому должна постоянно храниться в компьютере, составляет ядро операционной системы. В частности, программное обеспечение, входящее в состав ядра, отвечает за проверку работоспособности компьютера и выполнение элементарных (базовых) операций, связанных с работой монитора, клавиатуры, магнитных накопителей и т.п.
Операционная система образует автономную среду, не связанную ни с одним из языков программирования. Любая прикладная программа связана с операционной системой и может эксплуатироваться только на тех компьютерах, где имеется аналогичная системная среда (или должна быть обеспечена возможность конвертации – преобразования программ).
Базовая часть операционной системы хранится в микросхемах постоянного запоминающего устройства (ПЗУ). Остальные программы хранятся на внешнем запоминающем устройстве, к которому может быть обеспечен относительно быстрый доступ. Например, на жестком диске. Но программы операционной системы могут храниться и на (floppy) гибком диске или CD-диске, которые в этом случае называются системными. При включении компьютера эта часть операционной системы автоматически загружается с диска в оперативную память.
Использование компьютера на уровне машинного языка затруднительно. Программы операционной системы скрывают от программиста и пользователя все реалии аппаратуры и предоставляют возможность простого, удобного просмотра указанных им файлов, чтения или записи их. Операционная система предоставляет пользователю и программисту простой файловый интерфейс и, кроме того, выполняет всю работу, связанную с обработкой прерываний, управлением таймером и оперативной памятью, а также решает другие низкоуровневые проблемы. Таким образом, благодаря операционной системе, пользователь имеет дело с абстрактной, воображаемой машиной, которая гораздо проще и удобнее в обращении, чем реальная аппаратура, лежащая в основе вычислительной системы. С этой точки зрения операционная система предоставляет пользователю и программисту некую виртуальную машину, которую легче запрограммировать и с которой легче работать, чем непосредственно с аппаратурой, составляющей реальную машину. Для реализации этой функции операционная система поддерживает два интерфейса по уровню выше аппаратного.

Пользовательский интерфейс - командный язык для управления функционированием компьютера и набор сервисных услуг, освобождающих пользователя от выполнения рутинных операций.
Программный интерфейс - набор услуг, освобождающих программиста от выполнения рутинных операций.

Электронные презентации

Ещё несколько лет назад презентации, как правило, представляли собой доклад с иллюстрациями, выполненными на бумаге или плёнках, изображения на которых демонстрировались с помощью проекторов. При этом создание ярких и убедительных иллюстраций было весьма сложным занятием, и поэтому успех или неудача презентации напрямую зависели от художественных и артистических способностей докладчика.
С помощью программы Power Point создание презентации становится простым и увлекательным делом. Если презентация проводится для небольшой аудитории в 4 – 8 человек, то в этом случае достаточно иметь компьютер с обычным монитором.
Среди возможностей Power point по созданию презентации, представляет собой набор слайдов, можно отметить следующее:

Управление процессом проведения презентации, т.е. отображение слайдов, которые в нем имеются;
Управление переходами между слайдами, т.е определение порядка отображения слайдов презентации во время её показа;
Установка параметров внешнего вида, отображения и появления слайдов;
Работа с текстом, таблицами, графикой, звуком, видео, а также объектами Word, Excel, Internet.

Любая презентация имеет следующие основные свойства и характеристики:

Набор слайдов и их параметры;
Содержание слайдов, которое, помимо пользователя, может также создаваться с помощью имеющихся мастеров автосодержания;
Параметры рабочей области, т.е. ее размер, ориентация и т.д.;

Каждый слайд презентации имеет собственные свойства, которые влияют на его отображение во время показа презентации:

Размер слайда;
Шаблон оформления, т.е. параметры цветовой схемы, фона, шрифтов и т.д.;
Разметка слайда, которая включает большой размер стандартных примеров размещения информации на слайде: расположение заголовка, рисунков, таблиц, надписей и т.д.;
Эффект перехода, представляющий собой тот или иной режим появления и «исчезания» слайда – по нажатию кнопки мыши или автоматически через заданное время, с анимационными или звуковыми эффектами и т.д.

Разработчики исходили из предположения, что программа подготовки презентаций достаточно редко «снимается с полки» и должна быть поэтому предельно понятной для пользователя и простой в эксплуатации.
Для создания высокопрофессиональных видеоматериалов с помощью Power Point не обязательно быть художником. Поставляемые в комплекте с программой шаблоны дизайна обеспечивают высокое качество результата, а для полноценного пользования всех возможностей Power Point не требуется глубокие знания принципов работы компьютера. Подсказки программы обеспечивают выполнение всех необходимых шагов в нужной последовательности. Во многих случаях, когда перед пользователем возникает необходимость выбора некоторого варианта, на экране появляется мастер комплекса Power Point, который помогает принять верное решение. Образно говоря, единственное, на что неспособен Power Point, - так это вместо самого докладчика четко произнести слова доклада. Но и здесь программа окажет существенную помощь, ведь благодаря высокому качеству видеоматериала презентации можно обрести дополнительную уверенность в себе при выступлении перед аудиторией.
Специальные средства программы Power Point существенно упрощают создание презентации вне зависимости от потребностей пользователя, ради которых эта презентация создается.
Мастер автосодержания и шаблоны Power Point позволяют не только в минимальные сроки разработать конкретную презентацию, но и создать на будущее файл структуры стандартной презентации. Нужно просто выбрать тему и дизайн, а затем останется только наблюдать за тем, как Power Pint самостоятельно генерирует упорядоченную последовательность привлекательных, выполненных на высоком уровне слайдов.
Встроенные в Power Point связи с такими приложениями Office, как Graph или Organization Chart, а также собственный модуль построения таблиц помогают создать тщательно оформленные видеоматериалы, доступно представляющие числовую информацию, изобразить структуру некоторой организации или выполнить сравнительный анализ имеющихся предложений.
Демонстрационный модуль комплекса Power Point поддерживает множество достаточно сложных эффектов, таких как «ожившие» диаграммы, звук, музыкальное сопровождение, встроенные видеофрагменты и широко распространенные плавные переходы между слайдами. Кроме того, возможно интерактивное управление демонстрацией слайдов, когда оператор по ходу презентации получает возможность продемонстрировать дополнительные слайды, представляющие собой ответвления от основного сюжета, или вывести на экран скрытую до тех пор информацию, отвечая этим на вопросы аудитории.
Наборы легко модифицируемых фоновых рисунков и цветовых схем слайдов являются частью богатого арсенала выразительных средств Power Point. имеется возможность размещения фирменной эмблемы на заднем плане каждого слайда и выбора цветовой схемы, соответствующей цветам фирмы.
Power Point позволяет объединить внутри одной презентации текст, графики, числовые данные и диаграммы, сформированные другими приложениями Office (например, Word или Excel). Можно редактировать любой объект, не выходя из Power Point, при этом будут доступны все инструментальные средства породившего этот объект приложения – источника.
Мастер упаковки комплекса Power Point позволяет упаковать презентацию для записи на дискеты. С помощью инструмента Конференция можно продемонстрировать презентацию в локальной сети или в сети Internet. Инструменты Навигатор слайдов, Записная книжка, Хронометр позволяют осуществлять предварительный просмотр слайдов, делать заметки, читать свои записи и осуществлять контроль временных интервалов непосредственно в процессе проведения презентации.

Классификация и формы представления моделей

Модель – это новый объект (реальный, знаковый или воображаемый), который отражает некоторые стороны изучаемого объекта, процесса или явления, существенные с точки зрения цели моделирования.
Модель – это физический или информационный заменитель объекта, функционирование которого по определенным параметрам подобно функционированию реального объекта.
Модель представляет собой способ существования знаний. Любой учебный текст – это некоторая модель знаний об изучаемом объекте, сложившаяся в науке в настоящее время.
Сообщить знания, передать накопленный опыт можно, только «построив» информационную модель.
Классификаций моделей :
1) по области использования:
Учебные модели – используются при обучении;
Опытные – это уменьшенные или увеличенные копии проектируемого объекта. Используют для исследования и прогнозирования его будущих характеристик
Научно - технические - создаются для исследования процессов и явлений
Игровые – репетиция поведения объекта в различных условиях
Имитационные – отражение реальности в той или иной степени (это метод проб и ошибок)
2) по фактору времени:
Статические – модели, описывающие состояние системы в определенный момент времени (единовременный срез информации по данному объекту). Примеры моделей: классификация животных…., строение молекул, список посаженных деревьев, отчет об обследовании состояния зубов в школе и тд.
Динамические – модели, описывающие процессы изменения и развития системы (изменения объекта во времени). Примеры: описание движения тел, развития организмов, процесс химических реакций.

3) по отрасли знаний - это классификация по отрасли деятельности человека : Математические, биологические, химические, социальные, экономические, исторические и тд

Формы представления моделей.

Материальные – это предметные (физические) модели. Они всегда имеют реальное воплощение. Отражают внешнее свойство и внутреннее устройство исходных объектов, суть процессов и явлений объекта-оригинала. Это экспериментальный метод познания окружающей среды. Примеры : детские игрушки, скелет человека, чучело, макет солнечной системы, школьные пособия, физические и химические опыты
Абстрактные (нематериальные) – не имеют реального воплощения. Их основу составляет информация. это теоретический метод познания окружающей среды. По признаку реализации они бывают: мысленные и вербальные; информационные
Мысленные модели формируются в воображении человека в результате раздумий, умозаключений, иногда в виде некоторого образа. Это модель сопутствует сознательной деятельности человека.
Вербальные – мысленные модели выраженные в разговорной форме. Используется для передачи мыслей
Информационные модели – целенаправленно отобранная информация об объекте, которая отражает наиболее существенные для исследователя свойств этого объекта.

Типы информационных моделей:
Табличные – объекты и их свойства представлены в виде списка, а их значения размещаются в ячейках прямоугольной формы. Перечень однотипных объектов размещен в первом столбце (или строке), а значения их свойств размещаются в следующих столбцах (или строках)
Иерархические – объекты распределены по уровням. Каждый элемент высокого уровня состоит из элементов нижнего уровня, а элемент нижнего уровня может входить в состав только одного элемента более высокого уровня
Сетевые – применяют для отражения систем, в которых связи между элементами имеют сложную структуру
По степени формализации информационные модели бывают образно-знаковые и знаковые. Например:
Образно-знаковые модели:
Геометрические (рисунок, пиктограмма, чертеж, карта, план, объемное изображение)
Структурные (таблица, граф, схема, диаграмма)
Словесные (описание естественными языками)
Алгоритмические (нумерованный список, пошаговое перечисление, блок-схема)
Знаковые модели:
Математические – представлены матем.формулами, отображающими связь параметров
Специальные – представлены на спец. языках (ноты, хим.формулы)
и т.д.................

При использовании ЭВМ для обработки информации от различных устройств (объектов, процессов), в которых информация представлена непрерывными (аналоговыми) сигналами, требуется преобразовать аналоговый сигнал в цифровой - в число, пропорциональное амплитуде этого сигнала, и наоборот. В общем случае процедура аналого-цифрового преобразования состоит из трех этапов:

дискретизации;

квантования по уровню;

кодирования.

Под дискретизацией понимают преобразование функции непрерывного времени в функцию дискретного времени, а сам процесс дискретизации состоит в замене непрерывной функции её отдельными значениями в фиксированные моменты времени.

Дискретизация может быть равномерной и неравномерной. При неравномерной дискретизации длительность интервалов между отсчетами различна. Наиболее часто применяется равномерная дискретизации, при которой длительность интервала между отсчетами Т Д , постоянна. Период дискретизации Т Д непрерывного сигнала и(t) (рис. 1 а) выбирается в соответствии с теоремой Котельникова:

где F в - высшая частота в спектре частот сигнала и(t) (рис. 1 б)

Рис. 1.Процесс аналого-цифрового преобразования

Под квантованием понимают преобразование некоторой величины с непрерывной шкалой значений в величину, имеющую дискретную шкалу значений.

Для этого весь диапазон значений сигнала и(t), называемый шкалой делится на равные части – кванты, h – шаг квантования. Процесс квантования сводится к замене любого мгновенного значения одним из конечного множества разрешенных значений, называемых уровнями квантования.

Вид сигнала и(t) в результате совместного проведения операций дискретизации и квантования представлен на рис. 1 в). Дискретизированное значение сигнала и(t), находящееся между двумя уровнями квантования, отождествляется с ближайшим уровнем квантования. Это приводит к ошибкам квантования, которые всегда меньше шага квантования (кванта), т. е. чем меньше шаг квантования, тем меньше погрешность квантования, но больше уровней квантования.

Число уровней квантования на рис. 1 в) равно восьми. Обычно их значительно больше. Можно провести нумерацию уровней и выразить их в двоичной системе счисления. Для восьми уровней достаточно трех двоичных разрядов. Каждое дискретное значение сигнала представляется в этом случае двоичным кодом (табл. 1) в виде последовательности сигналов двух уровней.

Таблица 6.1

Наличие или отсутствие импульса на определенном месте интерпретируется единицей или нолем в соответствующем разряде двоичного числа. Цифровая форма представления сигнала и(t) показана на рис. 1 г). Импульсы старших разрядов расположены крайними справа.

Таким образом, в результате дискретизации, квантования и кодирования аналогового сигнала получаем последовательность n -разрядных кодовых комбинаций, которые следуют с периодом дискретизации Т л. При этом рациональное выполнение операций дискретизации и квантования приводит к значительному экономическому эффекту как за счет снижения затрат на хранение и обработку получаемой информации, так и вследствие сокращения времени обработки информации.