Аналоговый и цифровой методы обработки информации

Обработка информации может выполняться двумя методами:

1. аналоговым, при котором участвующие в обработке величины представляются в аналоговой форме (уровнями тока, напряжения и т.д.);

2. цифровым, при котором величины представляются в цифровой форме в виде цифрового кода, и обработка сводится к последовательности действий (операций) над числами (кодом).

Отсюда вся измерительная и обрабатывающая аппаратура делится на два вида: аналоговую (используется аналоговый метод) и цифровую (используется цифровой метод). В цифровой аппаратуре основным устройством, в котором непосредственно выполняется обработка, является вычислительное (процессорное) устройство.

В аналоговой аппаратуре обработка информации заключается в преобразовании между токами и напряжениями вида:

,

выполняемых индуктивными, емкостными и резистивными элементами, в изменениях масштаба U₂=kU₁, а также в нелинейных преобразователях U₂=f(U₁). Особенностью является то, что каждый элемент аналогового устройства в каждый момент времени находится в состоянии активного выполнения характерных для него операций. То есть в системе имеет место параллельное выполнение операций во всех элементах устройства.

Например, для аналоговой интегрирующей RC цепи (рис. 82) на выходе формируется напряжение U(t), являющееся решением следующего дифференциального уравнения:

.

Рис. 82. Аналоговая интегрирующая RC цепь

Для реализации цифрового метода необходимо решать данное уравнение в численном виде. Особенность такого решения заключается в том, что оно может быть получено для дискретных моментов времени (например, следующих с интервалом Т).

Интервал Т называют шагом интегрирования, тогда решения уравнения, получаемые для моментов времени, следующих с интервалом Т обозначают:

Для численного метода производная в уравнении представляется на дискретной сетке:

.

Подставив производные в уравнение, получим:

, (*)

где – константы.

Выражение (*) описывает разностную форму исходного дифференциального уравнения (разложение уравнения на дискретной сетке). Это выражение рекуррентно, то есть по известным значениям U_C(nT), e(nT) вычисляется U_C(nT+T), далее по значению U_C(nT+T) определяется U_C(nT+2T) и т.д.

В результате получаем дискретные решения уравнения (рис. 83).

Рис. 83. Результаты воздействия e(t) на RC цепь, полученные аналоговым (а) и дискретным (цифровым) (б) методами

Вычисление по рекуррентному выражению (*) удобно проводить с применением ЭВМ, где для получения одного значения выходной величины требуется последовательное выполнение большого числа операций (в аналоговом методе он выполняется параллельно). Число требуемых операций снижает быстродействие. Кроме того, если цифровой метод реализовывать в приборе, то возникает необходимость в большом количестве относительно сложных узлов (резисторов, сумматора, множительного устройства и т.д.).

Достоинства цифровых методов обработки: возможность обеспечения любой точности обработки; высокая помехозащищенность; высокая стабильность характеристик обработки, возможность выполнения таких видов обработки, которые аналоговыми методами невыполнимы.

Преобразование сигналов и аналоговой формы в цифровую состоит из следующих операций:

1. дискретизация;

2. квантование;

3. кодирование.

В процессе дискретизации из непрерывного сигнала X(t) берутся отсчеты (мгновенные значения), которые следуют через временной интервал Т.

По теореме Котельникова, если сигнал имеет ограниченный спектр, то есть все его частоты не выше некоторой частоты F_max, то для восстановления аналогового сигнала из последовательности его дискретных значений тактовый интервал Т должен выбираться из условия /

При квантовании весь возможный интервал сигнала разбивается на уровни (кванты). Полученные при дискретизации отсчеты заменяются ближайшими к ним уровнями квантования, которым приписаны определенные кодовые комбинации. Пример представлен на рис. 84.

Рис. 84. Пример дискретного квантованного сигнала (коды условны)

Данные операции осуществляются аналого-цифровыми преобразователями (АЦП).

Дата добавления: 2014-01-06