Иллюстрированный самоучитель по цифровой графике
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.
Основной характеристикой такого принципа является прерывистая природа сигнала. Можно представить передачу сигнала в виде графика, какой использовался для отображения аналогового сигнала (уровень тока и время «откладываются» по осям графика). В этом случае график отображает всего два состояния: «есть ток» (уровень, близкий к максимальному) и «нет тока» (уровень, близкий к нулевому) (рис. 3.3). Нет никаких иных вариантов, кроме чередования импульсов.
Рис. 3.3. Схема импульсного сигнала
Определение
Импульсный способ передачи информации – это способ, у которого передача происходит не непрерывно, а только в отдельные моменты времени, в промежутках между ними сигнал отсутствует или его воздействие пренебрежимо мало.
Такой способ передачи сигналов дает возможность преодолеть указанные выше недостатки аналогового сигнала.
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.
Важная мысль
Импульсный способ, конечно, не отменяет физически неизбежного затухания, однако передача всего двух очень «контрастных» уровней сигнала позволяет различать их даже при сильной степени затухания.
Пример-метафора
Подобный прием используют в знаках дорожного движения, сводя изображение к двум максимально контрастным цветам (черное изображение на желтом фоне) для того, чтобы обеспечить различимость на самой большой дистанции. Если бы использовалось аналоговое изображение, например тоновая фотография даже великолепного качества, то достаточно уверенное восприятие было бы возможно только с близкого расстояния.
Источник
Импульсные способы передачи информации.
Современная автоматика широко использует напряжения и токи имеющие импульсный характер:
* многие производственные процессы имеют импульсный характер: пуск и остановка агрегатов, изменение скорости и торможение, сброс нагрузки, срабатывание защиты и т.д.
* большинство технологических процессов разбивается на ряд операций (тактов), и их чередование так же обуславливает импульсный характер работы устройств.
* передача информации в вид импульсов, разделенных паузами, позволяет уменьшать мощность, потребляемую от источника питания, при сохранении достаточной мощности импульса. Это особенно важно при использовании источников питания ограниченной мощности (батареи, аккумуляторы), например, на подвижных объектах.
* передача информации в виде импульсов позволяет значительно разгрузить каналы связи. Так, например, информацию о температуре сталеплавильной печи нет необходимости передавать непрерывно, т.к. температура меняется сравнительно медленно.
* передача информации в импульсной форме позволяет значительно повысить помехоустойчивость, точность и надежность электронных устройств. При подаче непрерывных сигналов точность снижается из- за существования дрейфа нуля усилителей.
Существует много способов передачи непрерывного сигнала импульсными методами.
 |
При осуществлении амплитудно- импульсной модуляции (АИМ) амплитуда импульсов пропорциональна входному сигналу. При таком способе передачи информации вредное влияние дрейфа нуля усилителей сохраняется.
При использовании широтно- импульсной модуляции (ШИМ) амплитуда и частота повторения импульсов постоянны, но ширина импульса tи пропорциональна текущему значению входного сигнала.
При частотно- импульсной модуляции (ЧИМ) входной сигнал определяет частоту следования импульсов, которые имеют постоянную длительность и амплитуду.
При ШИМ и ЧИМ дрейф нуля усилителей не влияет на точность передачи входного сигнала, которая в данном случае зависит только от точности фиксации временного положения импульсов.
Наибольшую точность и помехоустойчивость обеспечивают число- импульсные методы: информация передается в виде числа, которому соответствует определенный набор импульсов (код), при этом существенно только наличие или отсутствие импульса.
Импульсы прямоугольной формы наиболее часто применяются в электронной технике.
Вообще, импульс- это кратковременное отклонение напряжения или тока от некоторого исходного уровня, называемого основанием импульса.
Исходный уровень основания может иметь разные значения- нулевое, положительное или отрицательное. Длительность паузы (время между смежными импульсами) должно быть достаточным для возврата электрической цепи, находящейся под импульсным воздействием, в исходное состояние, при котором цепь находилась непосредственно перед началом очередного импульсного воздействия.
 |
Импульс имеет следующие характерные параметры:
* амплитуда Uмах или Iмах,
* полная Ти и активная Тиа длительности импульсов,
* длительность фронта tф и среза tс,
* период следования Т или частота повторения f.
Дополнительными параметрами являются:
n крутизна фронта или среза,
n скважность импульса.
Активная длительность импульса Тиа соответствует интервалу времени на уровне половины амплитуды сигнала.
Крутизна фронта представляет собой отношение Sф=Uмах/tф, а крутизна среза Sс=Uмах/tс.
Скважность импульса s представляет собой отношение периода Т к длительности импульса tи, т.о. s всегда больше 1.
Частота повторения импульсов является величиной, обратной периоду f=1/Т.
По форме импульсы бывают прямоугольными, треугольными, трапецеидальными, зкспоненциальными и т.д. В автоматике наибольшее распространение получили прямоугольные импульсы. Прямоугольный импульс определяют как импульс с бесконечно большой крутизной, состоящий из двух перепадов: положительного и отрицательного.
По полярности различают импульсы положительные, отрицательные и двухсторонние. В ряде случаев полярность импульсов условна, что зависит от уровня их основания.
Дата добавления: 2015-02-13 ; просмотров: 1675 ; ЗАКАЗАТЬ НАПИСАНИЕ РАБОТЫ
Источник
Импульсный способ передачи это
7. ФИЗИЧЕСКИЙ УРОВЕНЬ ПЕРЕДАЧИ ДАННЫХ
7.2. Методы передачи дискретных данных
При передаче дискретных данных по каналам связи применяются два основных типа физического кодирования — на основе синусоидального несущего сигнала и на основе последовательности прямоугольных импульсов. Первый способ часто называется также модуляцией или аналоговой модуляцией, подчеркивая тот факт, что кодирование осуществляется за счет изменения параметров аналогового сигнала. Второй способ называют цифровым кодированием. Эти способы отличаются шириной спектра результирующего сигнала и сложностью аппаратуры, необходимой для их реализации.
При использовании прямоугольных импульсов спектр результирующего сигнала получается весьма широким. Применение синусоиды приводит к более узкому спектру при той же скорости передачи информации. Однако для реализации модуляции требуется более сложная и дорогая аппаратура, чем для реализации прямоугольных импульсов.
В настоящее время все чаще данные, изначально имеющие аналоговую форму — речь, телевизионное изображение, — передаются по каналам связи в дискретном виде, то есть в виде последовательности единиц и нулей. Процесс представления аналоговой информации в дискретной форме называется дискретной модуляцией.
Аналоговая модуляция применяется для передачи дискретных данных по каналам с узкой полосой частот – канал тональной частоты (общественные телефонные сети). Этот канал передает частоты в диапазоне от 300 до 3400 Гц, таким образом, его полоса пропускания равна 3100 Гц.
Устройство, которое выполняет функции модуляции несущей синусоиды на передающей стороне и демодуляции на приемной стороне, носит название модем ( модулятор-демодулятор).
Аналоговая модуляция является таким способом физического кодирования, при котором информация кодируется изменением амплитуды, частоты или фазы синусоидального сигнала несущей частоты (рис. 27).
При амплитудной модуляции (рис. 27, б) для логической единицы выбирается один уровень амплитуды синусоиды несущей частоты, а для логического нуля — другой. Этот способ редко используется в чистом виде на практике из-за низкой помехоустойчивости, но часто применяется в сочетании с другим видом модуляции — фазовой модуляцией.
При частотной модуляции (рис. 27, в) значения 0 и 1 исходных данных передаются синусоидами с различной частотой – f0 и f1,. Этот способ модуляции не требует сложных схем в модемах и обычно применяется в низкоскоростных модемах, работающих на скоростях 300 или 1200 бит/ с .
При фазовой модуляции (рис. 27, г ) значения данных 0 и 1 соответствуют сигналам одинаковой частоты, но с различной фазой, например 0 и 180 градусов или 0, 90, 180, и 270 градусов.
В скоростных модемах часто используются комбинированные методы модуляции, как правило, амплитудная в сочетании с фазовой.
Рис. 27. Различные типы модуляции
Спектр результирующего модулированного сигнала зависит от типа и скорости модуляции.
Для потенциального кодирования спектр непосредственно получается из формул Фурье для периодической функции. Если дискретные данные передаются с битовой скоростью N бит/с, то спектр состоит из постоянной составляющей нулевой частоты и бесконечного ряда гармоник с частотами f0, 3f0, 5f0, 7f0, . , где f0 = N/2. Амплитуды этих гармоник убывают достаточно медленно — с коэффициентами 1/3, 1/5, 1/7, . от амплитуды гармоники f0 (рис. 28, а). В результате спектр потенциального кода требует для качественной передачи широкую полосу пропускания. Кроме того, нужно учесть, что реально спектр сигнала постоянно меняется в зависимости от характера данных. Поэтому спектр результирующего сигнала потенциального кода при передаче произвольных данных занимает полосу от некоторой величины, близкой к 0 Гц, до примерно 7f0 ( гармониками с частотами выше 7f0 можно пренебречь из-за их малого вклада в результирующий сигнал). Для канала тональной частоты верхняя граница при потенциальном кодировании достигается для скорости передачи данных в 971 бит/ с . В результате потенциальные коды на каналах тональной частоты никогда не используются.
При амплитудной модуляции спектр состоит из синусоиды несущей частоты f с и двух боковых гармоник: ( fс + f m ) и ( f c – f m ), где f m – частота изменения информационного параметра синусоиды, которая совпадает со скоростью передачи данных при использовании двух уровней амплитуды (рис. 28, б). Частота f m определяет пропускную способность линии при данном способе кодирования. При небольшой частоте модуляции ширина спектра сигнала будет также небольшой (равной 2f m ), поэтому сигналы не будут искажаться линией, если ее полоса пропускания будет больше или равна 2f m . Для канала тональной частоты такой способ модуляции приемлем при скорости передачи данных не больше 3100/2=1550 бит/с. Если же для представления данных используются 4 уровня амплитуды, то пропускная способность канала повышается до 3100 бит/ с .
Рис. 28. Спектры сигналов при потенциальном кодировании
и амплитудной модуляции
При фазовой и частотной модуляции спектр сигнала получается более сложным, чем при амплитудной модуляции, так как боковых гармоник здесь образуется более двух, но они также симметрично расположены относительно основной несущей частоты, а их амплитуды быстро убывают. Поэтому эти виды модуляции также хорошо подходят для передачи данных по каналу тональной частоты.
При цифровом кодировании дискретной информации применяют потенциальные и импульсные коды. В потенциальных кодах для представления логических единиц и нулей используется только значение потенциала сигнала, а его перепады во внимание не принимаются. Импульсные коды позволяют представить двоичные данные либо импульсами определенной полярности, либо частью импульса — перепадом потенциала определенного направления.
При использовании прямоугольных импульсов для передачи дискретной информации необходимо выбрать такой способ кодирования, который одновременно достигал бы нескольких целей:
· имел при одной и той же битовой скорости наименьшую ширину спектра результирующего сигнала;
· обеспечивал синхронизацию между передатчиком и приемником;
· обладал способностью распознавать ошибки;
· обладал низкой стоимостью реализации.
Более узкий спектр сигналов позволяет на одной и той же линии добиваться более высокой скорости передачи данных. Часто к спектру сигнала предъявляется требование отсутствия постоянной составляющей.
Синхронизация передатчика и приемника нужна для того, чтобы приемник точно знал, в какой момент времени необходимо считывать новую информацию с линии связи. Эта проблема в сетях решается сложнее, чем при обмене данными между близко расположенными устройствами, например, между блоками внутри компьютера или же между компьютером и принтером. Поэтому в сетях применяются так называемые самосинхронизирующиеся коды, сигналы которых несут для передатчика указания о том, в какой момент времени нужно осуществлять распознавание очередного бита (или нескольких бит). Любой резкий перепад сигнала — так называемый фронт — может служить хорошим указанием для синхронизации приемника с передатчиком.
При использовании синусоид в качестве несущего сигнала результирующий код обладает свойством самосинхронизации, так как изменение амплитуды несущей частоты дает возможность приемнику определить момент появления входного кода.
Требования, предъявляемые к методам кодирования, являются взаимно противоречивыми, поэтому каждый из рассматриваемых ниже популярных методов цифрового кодирования обладает своими преимуществами и своими недостатками по сравнению с другими.
На рис. 29, а показан метод потенциального кодирования, называемый также кодированием без возвращения к нулю ( Non Return to Zero , NRZ). Последнее название отражает то обстоятельство, что при передаче последовательности единиц сигнал не возвращается к нулю в течение такта. Метод NRZ прост в реализации, обладает хорошей распознаваемостью ошибок (из-за двух резко отличающихся потенциалов), но не обладает свойством самосинхронизации. При передаче длинной последовательности единиц или нулей сигнал на линии не изменяется, поэтому приемник лишен возможности определять по входному сигналу моменты времени, когда нужно считывать данные. Даже при наличии высокоточного тактового генератора приемник может ошибиться с моментом съема данных, так как частоты двух генераторов никогда не бывают полностью идентичными. Поэтому при высоких скоростях обмена данными и длинных последовательностях единиц или нулей небольшое рассогласование тактовых частот может привести к ошибке в целый такт и, соответственно, считыванию некорректного значения бита.
Другим серьезным недостатком метода NRZ является наличие низкочастотной составляющей, которая приближается к нулю при передаче длинных последовательностей единиц или нулей. Из-за этого многие каналы связи, не обеспечивающие прямого гальванического соединения между приемником и источником, этот вид кодирования не поддерживают. В результате в чистом виде код NRZ в сетях не используется. Тем не менее используются его различные модификации, в которых устраняют как плохую самосинхронизацию кода NRZ, так и наличие постоянной составляющей. Привлекательность кода NRZ, из-за которой имеет смысл заняться его улучшением, состоит в достаточно низкой частоте основной гармоники f0, которая равна N/2 Гц. У других методов кодирования, например манчестерского, основная гармоника имеет более высокую частоту.
Рис. 29. Способы дискретного кодирования данных
Одной из модификаций метода NRZ является метод биполярного кодирования с альтернативной инверсией ( Bipolar Alternate Mark Inversion , AMI). В этом методе (рис. 29, б) используются три уровня потенциала — отрицательный, нулевой и положительный. Для кодирования логического нуля используется нулевой потенциал, а логическая единица кодируется либо положительным потенциалом, либо отрицательным, при этом потенциал каждой новой единицы противоположен потенциалу предыдущей.
Код AMI частично ликвидирует проблемы постоянной составляющей и отсутствия самосинхронизации, присущие коду NRZ. Это происходит при передаче длинных последовательностей единиц. В этих случаях сигнал на линии представляет собой последовательность разнополярных импульсов с тем же спектром, что и у кода NRZ, передающего чередующиеся нули и единицы, то есть без постоянной составляющей и с основной гармоникой N/2 Гц (где N — битовая скорость передачи данных). Длинные же последовательности нулей также опасны для кода AMI, как и для кода NRZ — сигнал вырождается в постоянный потенциал нулевой амплитуды. Поэтому код AMI требует дальнейшего улучшения.
В целом, для различных комбинаций бит на линии использование кода AMI приводит к более узкому спектру сигнала, чем для кода NRZ, а значит, и к более высокой пропускной способности линии. Например, при передаче чередующихся единиц и нулей основная гармоника f0 имеет частоту N/4 Гц. Код AMI предоставляет также некоторые возможности по распознаванию ошибочных сигналов. Так, нарушение строгого чередования полярности сигналов говорит о ложном импульсе или исчезновении с линии корректного импульса. Такой сигнал называется запрещенным сигналом ( signal violation ).
В коде AMI используются не два, а три уровня сигнала на линии. Дополнительный уровень требует увеличения мощности передатчика примерно на З дБ для обеспечения той же достоверности приема бит на линии, что является общим недостатком кодов с несколькими состояниями сигнала по сравнению с кодами, которые различают только два состояния.
Существует код, похожий на AMI, но только с двумя уровнями сигнала. При передаче нуля он передает потенциал, который был установлен в предыдущем такте (то есть не меняет его), а при передаче единицы потенциал инвертируется на противоположный. Этот код называется потенциальным кодом с инверсией при единице ( Not Return to Zero with ones Inverted , NRZI ) . Этот код удобен в тех случаях, когда использование третьего уровня сигнала весьма нежелательно, например, в оптических кабелях, где устойчиво распознаются два состояния сигнала — свет и тень.
Кроме потенциальных кодов в сетях используются и импульсные коды, когда данные представлены полным импульсом или же его частью — фронтом. Наиболее простым случаем такого подхода является биполярный импульсный код, в котором единица представлена импульсом одной полярности, а ноль — другой (рис. 29, в). Каждый импульс длится половину такта. Такой код обладает отличными самосинхронизирующими свойствами, но постоянная составляющая может присутствовать, например, при передаче длинной последовательности единиц или нулей. Кроме того, спектр у него шире, чем у потенциальных кодов. Так, при передаче всех нулей или единиц частота основной гармоники кода будет равна N Гц, что в два раза выше основной гармоники кода NRZ и в четыре раза выше основной гармоники кода AMI при передаче чередующихся единиц и нулей. Из-за слишком широкого спектра биполярный импульсный код используется редко.
В локальных сетях до недавнего времени самым распространенным методом кодирования был так называемый манчестерский код (рис. 29, г ). Он применяется в технологиях Ethernet и Token Ring .
В манчестерском коде для кодирования единиц и нулей используется перепад потенциала, то есть фронт импульса. При манчестерском кодировании каждый такт делится на две части. Информация кодируется перепадами потенциала, происходящими в середине каждого такта. Единица кодируется перепадом от низкого уровня сигнала к высокому , а ноль — обратным перепадом. В начале каждого такта может происходить служебный перепад сигнала, если нужно представить несколько единиц или нулей подряд. Так как сигнал изменяется, по крайней мере, один раз за такт передачи одного бита данных, то манчестерский код обладает хорошими самосинхронизирующими свойствами. Полоса пропускания манчестерского кода уже, чем у биполярного импульсного. У него также нет постоянной составляющей, а основная гармоника в худшем случае (при передаче последовательности единиц или нулей) имеет частоту N Гц, а в лучшем (при передаче чередующихся единиц и нулей) она равна N/2 Гц, как и у кодов AMI или NRZ. В среднем ширина полосы манчестерского кода в полтора раза уже, чем у биполярного импульсного кода, а основная гармоника колеблется вблизи значения 3N/4. Манчестерский код имеет еще одно преимущество перед биполярным импульсным кодом. В последнем для передачи данных используются три уровня сигнала, а в манчестерском — два.
На рис. 29, д показан потенциальный код с четырьмя уровнями сигнала для кодирования данных. Это код 2В1Q, название которого отражает его суть — каждые два бита (2В) передаются за один такт сигналом, имеющим четыре состояния (1Q). Паре бит 00 соответствует потенциал -2,5 В , паре бит 01 соответствует потенциал -0,833 В, паре 11 — потенциал +0,833 В, а паре 10 — потенциал +2,5 В. При этом способе кодирования требуются дополнительные меры по борьбе с длинными последовательностями одинаковых пар бит, так как при этом сигнал превращается в постоянную составляющую. При случайном чередовании бит спектр сигнала в два раза уже, чем у кода NRZ, так как при той же битовой скорости длительность такта увеличивается в два раза. Таким образом, с помощью кода 2В1Q можно по одной и той же линии передавать данные в два раза быстрее, чем с помощью кода AMI или NRZI. Однако для его реализации мощность передатчика должна быть выше, чтобы четыре уровня четко различались приемником на фоне помех.
Источник
