Материал: Методы сбора и обработки цифровых сигналов

Методы сбора и обработки цифровых сигналов

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РЕСПУБЛИКИ БЕЛАРУСЬ

Учреждение образования

«Гомельский государственный университет

имени Франциска Скорины»

Физический факультет

Кафедра оптики

КУРСОВАЯ РАБОТА НА ТЕМУ:

«методы сбора и обработки цифровых сигналов»

Исполнитель

студент группы Ф-34пр Миранович Д.В.

Научный руководитель

старший преподаватель Барсуков С.Д.

ГОМЕЛЬ 2015

Реферат

Курсовая работа 34 страницы, 12 рисунков, 2 таблицы, 13 формул, 14 источников.

Ключевые слова: аналоговый сигнал, цифровой сигнал, двоичный код, аналого-цифровой преобразователь, цифро-аналоговый преобразователь, система сбора данных, комплекс передачи информации, дискретизация сигнала, квантование сигнала, дискретное преобразование Фурье.

Цель работы: Изучить понятие цифрового сигнала, его виды и классификации. Познакомиться с методами сбора цифровых сигналов, понятием интерфейса измерительных систем. Исследовать обработку цифровых сигналов. Привести примеры цифровых автоматизированных систем сбора и обработки информации.

Практическая значимость: современные информационно-измерительные системы можно рассматривать как специализированные вычислительные системы, предназначенные для сбора и обработки данных, а также анализа и представления зарегистрированной информации с применением методов автоматизации. Примерами областей, где автоматизация процедур сбора и обработки данных актуальна и широко применяется могут служить гидрофизика, акустика, медицина. Важнейшей задачей является обеспечение научных исследований современными и эффективными аппаратными, алгоритмическими и программными средствами сбора, обработки и анализа данных.

Во многих областях науки наблюдается тенденция повысить степень автоматизации проведения эксперимента, улучшить эффективность обработки данных с помощью цифровых методов обработки сигналов, сократить временные затраты на анализ и систематизацию полученной информации. Все чаще необходимо проводить эксперименты в реальном времени с использованием многоканальных входных потоков данных, что, естественно, предъявляет жесткие требования к производительности вычислительной системы. Для решения таких задач актуальна разработка эффективных алгоритмов обработки сигналов с использованием ресурсов процессоров цифровой обработки сигналов в составе информационно-измерительных комплексов.

В данной работе будут изучены основные составляющие аналого-цифровой последовательности преобразования. Рассмотрены принципы работы, типы и виды данных элементов. Представлены некоторые способы обработки полученного сигнала.

Содержание

Введение

. Сигнал. Его виды и представления

.1 Позиционные системы счисления

. Система сбора данных. Ее виды и типы

.Аналого-цифровые преобразователи

.1 Основные характеристики АЦП

.2 Типы АЦП2

. Цифро-аналоговые преобразователи.

.1 Наиболее общие типы электронных ЦАП

.2 Характеристики ЦАП

. Системы передачи данных. Режимы и принципы обмена, способы соединения. Метод приема-передачи

6. Квантование сигнала, его виды. Типы преобразования и обработки сигнала

6.1 Виды квантования

.2 Обработка цифровых сигналов

.2.1 Преобразования Фурье (ДПФ, БПФ)

.2.2 Передискретизация. Ее применение на практике

.2.3 Свёртка. Ее виды. Расчет

.2.4Спектральный анализ. Спектральная плотность мощности. Автокорреляция. Оконные функции

.2.5 Цифровые фильтры. Их виды. Применение

7. Цифровые автоматизированные системы сбора и обработки информации

Заключение

Список используемой литературы

Введение

Современный этап развития электроники характеризуется появлением микропроцессорных сверхбольших интегральных схем, цифровых сигнальных процессоров, программируемых логических интегральных схем, позволяющих решать задачи обработки сигналов при высоких технико-экономических показателях. Аналоговые технологии стали устаревать и не соответствовать всем требованиям микропроцессорного мира. Цифровая электроника преобразила системы сбора, обработки и передачи информации, но осталась немыслима без аналоговых технологий.

Цифровая обработка информации необходима при контроле состояния сложных объектов, которые могут быть как техническими, так и биологическими. Для получения целостной картины о состоянии объекта контроля, все измерения необходимо проводить одновременно, что достигается применением многоканальных цифровых измерительных систем построенных про принципу временного разделения каналов.

Вместе с цифровыми сигналами стали существовать такие ключевые понятия как: Аналого-цифровые преобразователи (АЦП), обратные им, Цифро-аналоговые преобразователи (ЦАП), Преобразования Фурье (ДПФ, БПФ) и двоичный код. Начали свое существование компьютеры, мобильные телефоны, цифровое телевидение и др. детища электроники. Скорости и качества передачи информационных сигналов во много раз превзошли существующих значений.

В настоящее время развитие компьютерных технологий практически невозможно без использования различных интерфейсов (узлы, порты, разъемы), которые обеспечивают согласованность действий оборудования компьютеров, простоту использования и нормальную работу компьютера. В результате чего, интерфейсы активно развиваются и совершенствуются, увеличивая свои функциональные возможности.

.       
Сигнал. Его виды и представления

Вся информация передается в виде сигналов. Сигнал есть физический процесс, несущий в себе информацию. Сигнал может быть звуковым, световым, в виде почтового отправления и др. Наиболее распространен сигнал в электрической форме в виде зависимости напряжения от времени U(t). По своей природе все сигналы являются аналоговыми, будь то сигнал постоянного или переменного тока, цифровой или импульсный. Тем не менее, принято делать различие между аналоговыми и цифровыми сигналами.

Аналоговый сигнал - сигнал данных, у которого каждый из представляющих параметров описывается функцией времени и непрерывным множеством возможных значений. Такие сигналы описываются непрерывными функциями времени, поэтому аналоговый сигнал иногда называют непрерывным сигналом.

Цифровым сигналом называется двухуровневый сигнал, у которого каждый из представляющих параметров описывается функцией дискретного времени и конечным множеством возможных значений определённым образом обработанный и преобразованный в цифры. Обычно эти цифровые сигналы связаны с реальными аналоговыми сигналами, но иногда между ними и нет связи. В качестве примера можно привести передачу данных в локальных вычислительных сетях (LAN) или в других высокоскоростных сетях.

Рисунок 1 - Различия сигналов

Цифровой сигнал использует всю полосу пропускания кабеля. Полоса пропускания - это разница между максимальной и минимальной частотой, которая может быть передана по кабелю. Каждое устройство в таких сетях посылает данные в обоих направлениях, а некоторые могут одновременно принимать и передавать. Узкополосные системы передают данные в виде цифрового сигнала одной частоты.[5]

Дискретный цифровой сигнал сложнее передавать на большие расстояния, чем аналоговый сигнал, поэтому его предварительно модулируют на стороне передатчика, и демодулируют на стороне приёмника информации. Использование в цифровых системах алгоритмов проверки и восстановления цифровой информации позволяет существенно увеличить надёжность передачи информации.

Следует иметь в виду, что реальный цифровой сигнал по своей физической природе является аналоговым. Из-за шумов и изменения параметров линий передачи он имеет флуктуации по амплитуде, фазе / частоте поляризации. Но этот аналоговый сигнал (импульсный и дискретный) наделяется свойствами числа. В результате для его обработки становится возможным использование численных методов (компьютерная обработка).

.1 Позиционные системы счисления

цифровой сигнал квантование передача

Для понимания систем счисления и принципа передачи цифровых сигналов необходимо коснуться некоторых понятий:

Код - двоичное число, а также метод представления двоичных чисел;

Разрядность кода - количество двоичных разрядов кода (2¹⁰ = 1 024, 2²⁰ = 1 048 576; 2³⁰ = 1 073 741 824);

Бит - один разряд двоичного числа (от англ. binary digit);

Байт - восемь двоичных разрядов (битов) - принимает 2⁸ значений: от 0 до 255;

Слово - код, состоящий из нескольких байтов (чаще всего 2 байта - 16 разрядов, 4 байта - 32 разряда, 8 байт - 64 разряда);

Любой цифровой сигнал состоит из так называемого «двоичного кода».

Двоичная система счисления - позиционная система счисления с основанием 2. Благодаря непосредственной реализации в цифровых электронных схемах на логических вентилях, двоичная система используется практически во всех современных компьютерах и прочих вычислительных электронных устройствах. Здесь, за единицы информации используются логический 0 (ноль), и логическая 1 (единица). В цифровых электронных микросхемах за единицы логической 1 и 0, принимают определенный уровень электрического напряжения в вольтах. Так, к примеру, логическая единица будет означать 4,5 вольта, а за логический ноль 0,5 вольт. Естественно для каждого типа цифровых микросхем, значения величины напряжений логического нуля и единицы, разные.

В двоичной системе счисления числа записываются, как уже стало понятно, с помощью двух символов (0 и 1). Чтобы не путать, в какой системе счисления записано число, его снабжают указателем справа внизу. Например, число в десятичной системе 510, в двоичной 1012. Иногда двоичное число обозначают префиксом 0b или символом & (амперсанд), например 0b101 или соответственно &101.

В двоичной системе счисления (как и в других системах счисления, кроме десятичной) знаки читаются по одному. Например, число 101₂ произносится «один ноль один».[8]

Наглядно посмотреть, как преобразуются числа разных систем счислений можно в таблице ниже:

Таблица 1 - Примеры преобразований в 2-ичной системе

Другим примером позиционной системы счисления является Шестнадцатеричная система счисления (шестнадцатеричные числа) -позиционная система счисления по целочисленному основанию 16.

Обычно в качестве шестнадцатеричных цифр используются десятичные цифры от 0 до 9 и латинские буквы от A до F для обозначения цифр от 10₁₀ до 15₁₀, то есть (0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, A, B, C, D, E, F).

Такая система широко используется в низкоуровневом программировании и компьютерной документации, поскольку в современных компьютерах минимальной единицей памяти является 8-битный байт, значения которого удобно записывать двумя шестнадцатеричными цифрами. Такое использование началось с системы IBM/360, где вся документация использовала шестнадцатеричную систему, в то время как в документации других компьютерных систем того времени (даже с 8-битными символами, как, например, PDP-11 или БЭСМ-6) использовали восьмеричную систему.

На рисунке 3 видно, с помощью каких преобразований длинный двоичный код конструируется в удобное для работы 16-ричное представление.

Рисунок 3 - Перевод 2-ичного кода в 16-ричный

Как десятичные числа отображаются в шестнадцатеричном счислении представлено в таблице 2:

Таблица 2 - Примеры преобразований в 16-ричной системе

2.      Система сбора данных. Ее виды и типы

Прежде чем сигнал, а он же информация, поступит на компьютер, он должен пройти первичную обработку, так называемую, подготовку перед передачей. Сбором, первичной обработкой, хранением и последующей передачей занимается отдельная система.

Система сбора данных (ССД) представляет собой набор аппаратных и программных средств, предназначенный для работы с персональным компьютером, либо специализированной ЭВМ и осуществляющий автоматизированный сбор информации о значении физических параметров в заданных точках объекта исследования, первичную обработку, хранение и передачу данных.

По способу сопряжения с компьютером системы сбора данных можно разделить на:

·              ССД на основе встраиваемых плат сбора данных со стандартным системным интерфейсом (наиболее распространен интерфейс PCI).

·              ССД на основе модулей сбора данных с внешним интерфейсом (RS-232, RS-485, USB).

·              ССД, выполненные в виде крейтов (магистрально-модульные ССД - КАМАК, VXI).

Группы цифровых измерительных приборов (ЦИП) или интеллектуальных датчиков. Для их организации применяются интерфейсы: GPIB (IEEE-488), 1-wire, CAN, HART.

По способу получения информации ССД делятся на:

·              сканирующие,

·              мультиплексные (мультиплексорные, иногда говорят «многоточечные»),

·              параллельные,

·              мультиплицированные.

Последний тип ССД практически не используется в силу своего исключительно низкого быстродействия. Единственное достоинство ССД этого типа - относительная простота - полностью нивелируется современными технологиями изготовления интегральных схем.

Сканирующий принцип построения ССД используется там, где надо измерить поле распределения параметров: тепловизор, аппарат УЗИ, томограф используют для получения первичной информации именно ССД сканирующего типа.