Импульсные и цифровые сигналы

 

Электрическим импульсом называют отклонение напряжения или тока от первоначального значения в течение короткого промежутка времени. В соответствии с рисунком 4 изображены простейшие разнополярные импульсы прямоугольной и трапецеидальной форм. Повторяющиеся импульсы образуют последовательность импульсов.

Рисунок 4

Если мгновенные значения последовательности импульсов повторяются через равные интервалы времени, то они образуют периодическую последовательность импульсов в соответствии с рисунком 5.

Рисунок 5

Из-за влияния нелинейных и реактивных сопротивлений форма импульса искажается, т.е. затягивается время нарастания, скашивается вершина, появляются выбросы в соответствии с рисунком 6.

Рисунок 6

В результате становится неоднозначной длительность импульса, которая зависит от уровня напряжения (или тока), при котором она определяется. Для устранения неоднозначности в описании импульсов условились использовать параметры, смысл которых поясняется в соответствии с рисунком 6:

- U _М — амплитуда импульса;

- U — скос (завал) вершины;

- t _Ф — длительность фронта, равная времени нарастания импульса от 0,1 U _М до 0,9 U _М;

- t _С — длительность среза, равная времени уменьшения импульса от 0,9 U _М до 0,1 U _М;

- t _И —длительность импульса, измеряемая на уровне 0,1 U _М (в вычислительной технике длительность импульса часто определяют и на уровне 0,5 U _М);

- Т — период повторения импульса;

- Q = T / t _И — скважность импульса.

Из последовательности импульсных сигналов можно составить сообщение, отображающее как дискретную, так и аналоговую информации. Например, в виде последовательности импульсов с десятью дискретными значениями амплитуд можно отобразить любое десятичное число (абсолютно точно) или суточный ход температуры (приближенно).

 

Кодирование информации

 

Представление сообщений в виде комбинации из небольшого числа исходных знаков (точка, тире и пауза в коде Морзе) называется кодированием информации. Число разных символов (знаки, элементы, сигналы), используемых при кодировании, называется основанием кода, а число элементов, образующих кодовую комбинацию, — значностью кода. Код, все комбинации которого имеют одинаковую значность, называется равномерным.

Например:

- телеграфный код Морзе имеет основание, равное трем (точка,
тире, пауза), и является неравномерным, так как при кодировании букв и цифр образуются комбинации различной
длины;

- почтовый адресный код на конвертах писем имеет основание, равное десяти (цифры от 0 до 9), и является равномерным,
так как при кодировании любого почтового отделения всегда
используется только шестизначная комбинация.

Как видно из примеров, кодирование позволяет представить различные сообщения в стандартной форме, имеющей некоторые свойства чисел. В самом деле, кодированный сигнал, так же как и число, дискретен и составляется из ограниченного набора элементов. Поэтому кодированные сигналы принято называть цифро выми сигналами.

Наиболее простым является код с основанием, равным двум, например цифры 0 и 1 в двоичной позиционной системе счисления, состояния «включен» и «выключен» в термостате с биметаллическим регулятором и т. д. При этом различным символам кода могут соответствовать импульсы с разной амплитудой. Обычно символу 1 соответствует положительный импульс напряжения, а символу 0 — отрицательный (или отсутствие) импульса в соответствии с рисунком 7.

Рисунок 7

В двоичных символах можно закодировать и передать любую информацию. Кодированное сообщение, состоящее из нескольких символов, может быть представлено в последовательной или параллельной форме. При последовательном представлении импульсы сообщения формируются поочередно в одной цепи в соответствии с рисунком 8, а при параллельном—одновременно в разных цепях в соответствии с рисунком 9.

Рисунок 8

Рисунок 9

Из всех видов электрических сигналов отдают предпочтение цифровым сигналам. Происходит это из-за необходимости обеспечить чрезвычайно высокую надежность современных автоматических систем. Ведь от их безаварийной работы зависят благосостояние, здоровье, а то и жизнь миллионов людей, занятых на производстве, пользующихся общественным транспортом, да и просто живущих рядом с предприятиями.

Среди разных типов элементов, из которых можно собирать автоматические устройства и большие системы, наилучшими эксплуатационными параметрами и наибольшей надежностью обладают цифровые элементы, т. е. элементарные устройства, работающие с цифровыми сигналами.

Повышенная помехоустойчивость цифровых сигналов и цифровых устройств объясняется дискретностью уровней цифровых сигналов. В любой электрической цепи под действием внешних и внутренних причин возникают всевозможные помехи. Поэтому выходной сигнал будет определяться не только известной функциональной зависимостью от входного сигнала, но еще и непредсказуемыми случайными помехами. В сложных аналоговых системах даже незначительные отклонения в отдельных элементах могут привести к накоплению погрешностей, что явится причиной неустойчивой работы всей системы. Случайный характер отклонения сигнала в аналоговой системе не позволяет при передаче искаженного сигнала от одного элемента к другому определить уровень ошибки и отделить ее от полезного сигнала. Каждый следующий элемент, реагирующий на «ошибочный» сигнал, добавит к нему свою ошибку, и искажение сигнала растет от входа к выходу системы, подобно снежному кому.

В устройствах, работающих с дискретными сигналами, накопление погрешностей можно предотвратить.

Возмем шаг квантования А больше удвоенного значения максимально возможного случайного отклонения сигнала а, возникающего из-за внешних или внутренних помех: А > 2а. Квантованный сигнал с помехой (n * А ± а) с выхода первого элемента подадим на вход следующего. Если второй элемент также производит квантование, то для сигнала, искаженного даже максимальной помехой, ближайший уровень квантования останется прежним (n * А). Иначе говоря, искаженный сигнал на каждом этапе сравнивается с набором n разрешенных эталонов и заменяется на ближайший по уровню эталонный сигнал. Чем меньше будет эталонов и чем сильнее они будут отличаться друг от друга, тем проще будет создать техническое устройство, реализующее операцию сравнения, и тем менее вероятна будет ошибка при сравнении реального сигнала и эталона. Поэтому с позиций помехоустойчивости и простоты технической реализации наиболее выгодными должны являться двухуровневые (двоичные) цифровые сигналы и устройства, которые работают только с единичными (высокими) и нулевыми (низкими) уровнями напряжения.