ΠΛΗ21 Κεφάλαιο 1. ΠΛΗ21 Ψηφιακά Συστήματα: Τόμος Α Κεφάλαιο: 1 Εισαγωγή

Transcript

1 Ψηφιακά Συστήματα: Τόμος Α Κεφάλαιο: 1 Εισαγωγή

2 Στόχοι του κεφαλαίου είναι να γνωρίσουμε: Τι είναι τα Αναλογικά κ τι τα Ψηφιακά Μεγέθη Τι είναι Σήμα, Αναλογικό Σήμα, Ψηφιακό Σήμα Τι είναι Δυαδικό Σήμα Τι είναι Σήμα με Ν στάθμες Τι είναι Παράλληλη κ τι Σειριακή Μετάδοση Πώς γίνεται η μετατροπή Αναλογικού σε Ψηφιακό Σήμα Δειγματοληψία, Κβαντοποίηση, Κωδικοποίηση Πώς γίνεται η ψηφιακή επεξεργασία Αναλογικού Σήματος

3 Τί είναι Αναλογικά κ Ψηφιακά Μεγέθη. Αναλογικά είναι τα μεγέθη που μπορούν να πάρουν συνεχείς τιμές (θεωρητικά άπειρες τιμές), άρα οι τιμές που μπορούν να πάρουν είναι πραγματικοί αριθμοί και κάθε τιμή του μεγέθους αντιστοιχεί σε μια πληροφορία. Π.χ. : όλα τα μεγάθη της κλασικής φυσικής, θερμοκρασία, πίεση, ταχύτητα, ένταση ηλεκτρικού ρεύματος κ.α Ψηφιακά έιναι τα μεγέθη που οι καταστάσεις τους παίρνουν διακριτές τιμές Π.χ. Φωτεινοί σηματοδότες, (πράσινο, κόκκινο, πορτοκαλί), Ηλεκτρικοί Διακόπτες (ανοικτός, κλειστός) κ.α

4 Αναλογικά κ Ψηφιακά Μεγέθη

5 Τι είναι Σήμα Για να μεταδοθεί η πληροφορία, πρέπει να εγγραφεί με μορφή σήματος σε κάποιο φυσικό μέσο. Ως σήμα ορίζεται ένα φυσικό μέγεθος το οποίο μεταβάλλεται σε σχέση με το χρόνο ή το χώρο ή, με οποιαδήποτε άλλη ανεξάρτητη μεταβλητή ή μεταβλητές. Παραδείγματα σημάτων: το σήμα ομιλίας, που αντιστοιχεί στις μεταβολές της ακουστικής πίεσης του αέρα σε σχέση με το χρόνο και προέρχεται από τις ταλαντώσεις των φωνητικών χορδών. Άλλα παραδείγματα σημάτων είναι η θερμοκρασία, η εικόνα της τηλεόρασης (διαμόρφωση ηλεκτρομαγνητικών κυμάτων), τα σεισμικά σήματα, τα ιατρικά σήματα (όπως το καρδιογράφημα), επίσης ο δείκτης του ποσοστού ανεργίας ανά μήνα κ.λπ.

6

7

8 ΑΝΑΛΟΓΙΚΟ ΣΗΜΑ ΨΗΦΙΑΚΟ ΣΗΜΑ Το αναλογικό σήμα παίρνει συνεχείς τιμές με τον χρόνο, ενώ το ψηφιακό παίρνει διακριτές τιμές με τον χρόνο

9 ΔΥΑΔΙΚΟ ΣΗΜΑ. ΤΕΤΡΑΔΙΚΟ ΣΗΜΑ Το δυαδικό σήμα έχει δύο στάθμες που συμβολίζουμε με 1 κ 0. Αντίστοιχα μπορούμε να έχουμε σήμα με 4 στάθμες( τετραδικό)

10 Ν- ΑΔΙΚΟ ΣΗΜΑ Ν- ΑΔΙΚΟ ΣΗΜΑ είναι το σήμα που έχει Ν στάθμες. Αν η μέγιστη μεταβολή του πλάτους ενός σήματος είναι Ε και το πλήθος των σταθμών είναι Ν, τότε η απόσταση μιας στάθμης από τη γειτονική της είναι δ=ε/ν Λόγω περιορισμών που μας θέτει ο θόρυβος κ επειδή η διαχείριση ενός σήματος με πολλές στάθμες δεν είναι εύκολη, διότι έχει απαιτήσεις ως προς τον εξοπλισμό, οι ψηφιακές τιμές κωδικοποιούνται με δυαδικά σήματα, δηλαδή τις καταστάσεις 1 κ 0. Άρα: τα ψηφιακά σήματα κωδικοποιούνται με 1 κ 0.

11 Άσκηση Πόσα bit ακούν για την αναπαράσταση των καταστάσεών ενός συστήματος: Με 30 διακριτές καταστάσεις. Με 246 διακριτές κατστάσεις

12 ΜΕΤΑΦΟΡΑ Ν ΨΗΦΙΑΚΩΝ ΣΗΜΑΤΩΝ Α) Παράλληλη Β) Σειριακή A) ΠΑΡΑΛΛΗΛΗ Μεταφορά Ν Ψηφιακών Σημάτων N πηγές Ν γραμμές μεταφοράς Ν ανιχνευτές στάθμης Η μεταφορά όλων των σημάτων γίνεται ταυτόχρονα κατά τη χρονική στιγμή t

13 ΜΕΤΑΦΟΡΑ Ν ΨΗΦΙΑΚΩΝ ΣΗΜΑΤΩΝ Α) Παράλληλη Β) Σειριακή A) ΣΕΙΡΙΑΚΗ Μεταφορά Ν Ψηφιακών Σημάτων 1 πηγή 1 γραμμή μεταφοράς 1 ανιχνευτής στάθμης Τα σήματα Σ1, Σ2, Σ3, Σν στέλνονται σε διαδοχικές στιγμές t, t, t,. t & ανιχνεύονται ν - παραλαμβάνονται με τη σειρά, κατά τις χρονικές στιγμές t 1+δ, t 2+δ, t ν+δ

14 ΜΕΤΑΦΟΡΑ Ν ΨΗΦΙΑΚΩΝ ΣΗΜΑΤΩΝ Σύγκριση Παράλληλης - Σειριακής Α) ΠΑΡΑΛΛΗΛΗ Μεγαλύτερη ταχύτητα, αφού τα σήματα στέλνονται ταυτόχρονα Ν-πλάσιο εξοπλισμό (ακριβότερη) Β) ΣΕΙΡΙΑΚΗ Μικρότερη ταχύτητα Μικρότερος εξοπλισμός (φθηνότερη) Σε μεγάλες αποστάσεις η σειριακή είναι ασφαλέστερη μέθοδος, διότι οι καθυστερήσεις είναι ομοιόμορφες για όλα τα σήματα (αφού περνούν από την ίδια γραμμή - συγχρονισμός), ενώ με την παράλληλη οι καθυστερήσεις μεταξύ των γραμμών μπορεί κ να διαφέρουν, οπότε χάνεται ο συγχρονισμός

15 ΜΕΤΑΦΟΡΑ Ν ΨΗΦΙΑΚΩΝ ΣΗΜΑΤΩΝ Σύγκριση Παράλληλης - Σειριακής

16 Αναλογικό Σήμα σε Ψηφιακό Analog to Dogital (A/D) Δειγματοληψία (Sampling): Η καταγραφή τιμών του σήματος για πεπερασμένες το πλήθος, τακτικές χρονικές στιγμές Δείγμα τιμών Κβαντοποίηση (Quantization): Η διαίρεση του πλάτους του σήματος σε παράθυρα με μικρότερο πλάτος κ αντιστοίχιση κάθε τιμής από το δείγμα τιμών στην τιμή πλάτους του αντίστοιχου παράθυρου Σφάλμα ψηφιοποίησης Κωδικοποίηση (Coding): Η μετατροπή της ακολουθίας των επιπέδων πλάτους του κβαντιστή σε δυαδικές κωδικολέξεις- συνδυασμούς 0 κ 1 bit

17 ΜΕΤΑΤΡΟΠΗ ΑΝΑΛΟΓΙΚΟΥ ΣΗΜΑΤΟΣ ΣΕ ΨΗΦΙΑΚΟ ΔΕΙΓΜΑΤΟΛΗΨΙΑ Δειγματοληψία (sampling) είναι η μετατροπή ενός συνεχούς σήματος σε διακριτό. Ένα συνηθισμένο παράδειγμα δειγματοληψίας είναι η μετατροπή ενός ηχητικού σήματος (συνεχές σήμα) σε μια σειρά από δείγματα (που ονομάζεται σήμα διακριτού χρόνου). Το δείγμα συνήθως αναφέρεται σε μια τιμή του συνεχούς σήματος σε μια συγκεκριμένη χρονική στιγμή. Ο δειγματολήπης είναι ένα σύστημα, το οποίο εξάγει δείγματα (σε ίσα χρονικά διαστήματα) από ένα συνεχές σήμα. Ένας θεωρητικός ιδανικός δειγματολήπης δημιουργεί δείγματα τα οποία αντιστοιχούν στην στιγμιαία τιμή του συνεχούς σήματος Σχεδιάγραμμα δειγματοληψίας σήματος. Το συνεχές σήμα αναπαριστάται από την πράσινη γραμμή ενώ τα διακριτά δείγματα (αποτέλεσμα δειγματοληψίας) με το μπλε χρώμα. στα επιθυμητά χρονικά σημεία.

18 ΜΕΤΑΤΡΟΠΗ ΑΝΑΛΟΓΙΚΟΥ ΣΗΜΑΤΟΣ ΣΕ ΨΗΦΙΑΚΟ - ΔΕΙΓΜΑΤΟΛΗΨΙΑ Δειγματοληψία (Sampling): Η καταγραφή τιμών του σήματος για πεπερασμένες το πλήθος, τακτικές χρονικές στιγμές Δείγμα τιμών Αναλογικό σήμα - Θερμοκρασία Δειγματοληψία

19 ΜΕΤΑΤΡΟΠΗ ΑΝΑΛΟΓΙΚΟΥ ΣΗΜΑΤΟΣ ΣΕ ΨΗΦΙΑΚΟ ΔΕΙΓΜΑΤΟΛΗΨΙΑ (Sampling) Αναλογικό σήμα - Θερμοκρασία Δειγματοληψία

20 ΜΕΤΑΤΡΟΠΗ ΑΝΑΛΟΓΙΚΟΥ ΣΗΜΑΤΟΣ ΣΕ ΨΗΦΙΑΚΟ ΚΒΑΝΤΟΠΟΙΗΣΗ (Quantization) Κβαντοποίηση (Quantization): Χωρίζουμε την κλίμακα θερμοκρασίας σε μικρότερα παράθυρα, π.χ ανά βαθμό Κελσίου, αριθμούμε τα παράθυρα και αντιστοιχούμε κάθε τιμή του δείγματος στο αντίστοιχο παράθυρο 2,3,3,3,2,1,1,1 Σφάλμα ψηφιοποίησης = εύρος παραθύρου. Αν διαρέσω σε διπλάσιο αριθμό παραθύρων το σφάλμα ψηφιοποίησης θα υποδιπλασιαστεί

21 ΜΕΤΑΤΡΟΠΗ ΑΝΑΛΟΓΙΚΟΥ ΣΗΜΑΤΟΣ ΣΕ ΨΗΦΙΑΚΟ ΚΒΑΝΤΟΠΟΙΗΣΗ (Quantization)

22

23 Μετατροπέας Αναλογικού σε Ψηφιακό Σήμα /Analog to Digital Converter Δειγματοληψία Κβαντοποίηση Κωδικοποίηση

24 Σύγκριση Αναλογικού Ψηφιακού Σήματος

25 Ψηφιακή Επεξεργασία Αναλογικού Σήματος