تبدیل آنالوگ به دیجیتال

تبدیل آنالوگ به دیجیتال

بخش دوم

Slide 1Autor:Seyed Mohammad Reza Razavizadeh

تشریح پروتوکل مخابراتی مابین صفحه کلید یا در انتقال داده PC و (AT)کی بورد

تبادل اطالعات بین کی بورد و کیس یک کامپیوتر را میتوان نمونه ائی از یک سیستم باند پایه معرفی نمود.

این سیستم که اصطالحا یک سیستم مخابراتی سریال سنکرون نامیده پین کدهای اطالعاتی متناظر با هر کلید را 5میشود.توسط یک کابل

بهمراه سایر اطالعات و همچنین ولتاژهای مربوط انتقال داده میشوند:

: ارسال اطالعات2پین(20kHz-10: پالس ساعت )سیگنالی با فرکانس 1پین5V:ولتاژ 5پین: زمین4پین

ارسال و با رها کردن آن نیز یک PCپس از فشردن هر کلید یک کد به Autor:Seyed Mohammad Reza Razavizadeh نیز ارسال میگردد.release-codeکد بنام

احتماالت حروف در مطبوعات انگلیسی

حرف احتمال حرف احتمال حرف احتمال

A 0.0642 E 0.1031 I 0.0575

B 0.0127 F 0.0208 J 0.0008

C 0.0218 G 0.0152 K 0.0049

D 0.0317 H 0.0467 L 0.0321

M 0.0198 Q 0.0008 U 0.0228

N 0.0574 R 0.0484 V 0.0083

O 0.0632 S 0.0514 W 0.0175

P 0.0152 T 0.0796 X 0.0013

Y 0.0164 Z 0.0005 blank 0.1859

3Autor:Seyed Mohammad Reza Razavizadeh

برخی کدهای صفحه کلید کامپیوتر

Autor:Seyed Mohammad Reza Razavizadeh

PCکی بورد به ”A“سیگنال ارسالی متناظر با حرف مثال:


Coding کد گذاری کدینگ را میتوان دردو بخش کلی تعریف

نمود:

سیگنال خروجی منبع را تبدیل به کدینگ منبع: •دنباله بیتهای هم احتمالی را با تاکید

برحداکثرسازی ظرفیت کانال انجام میشود.

با هدف حفاظت پیام و تطبیق آن کدینگ کانال: • با کانال ارتباطی انجام میگیرد.


تبدیل هر سیگنال آنالوگ)صحبت یا هرپیام آنالوگ دیگر( نامیده Waveform Codingبه فرم دیجیتال بعنوان

میگردد، البته باید ذکر کنیم واژه کدینگ برای برخی عملیاتهای دیگری که بعنوان نمونه در زیر به یکی

اشاره خواهد شد، اتالق میگردد:

–Source Coding خروجی آنالوگ یا دیجیتال یکمنبع را به منظور مناسب سازی

( تغییر و تبدیل JPEG یا MPEGانتقال)نظیر میگرداند.

Source Codingکدینگ منبع


Analogue / Digitalتبدیل آنالوگ به دیجیتال Conversion

تبدیل آنالوگ به دیجیتال که عموما با نام• “PCM: Pulse Code Modulation”

نیز شناخته میشود از دو مرحله اساسی تشکیل میشود:

سیگنال ورودی(Regular)نمونه برداری یکنواخت–تبدیل نمونه ها به اعداد و شماره های گسسته–

به تعداد بیتهای خروجی آن وابسته است، در A/Dدقت هر مبدل زیر مقدار معمول بیت خروجی برخی انکدرهای متداول ارایه

شده است:• Speech 8 bit

• Music HiFi 16/18, even 24 bit

• [Video 8 bit x 3 colours to give 24 bit]


کدینگ سیگنالهای صوتی Audio Coding

استانداردهای صدای دیجیتال: MPEG: Layers I, II, and III (MP3); AAC.

used in DAB, DVD

Dolby AC3, Dolby Digital, Dolby Surround.

میزان نرخ بیت متعارف یک صدای آنالوگ دوکاناله استریو پس از کدینگ:

64kbits/s to 384 kbits/s.


کدینگ سیگنالهای تصویر Video Coding

استانداردهای تصویر دیجیتال: HDTV,SDTV,LDTV,H263.1,… MPEG 2,4

میزان نرخ بیت متعارف یک تصویرآنالوگ پس ازکدینگ:

Up to 30Mbps


2.2.4 MPEG-4 StandardUnlike MPEG-1/2, where the scope and technology were well defined when the projectstarted, MPEG-4 was born to answer the emerging needs of various new applications rangingfrom interactive audiovisual services to remote monitoring and control [13]. Thus, theMPEG-4 goal is to provide a flexible and extensible standard for the convergence of interactivemultimedia applications, which currently are not addressed by the existing standards.To enable the content-based interactive functionality, the MPEG-4 video standard introducesthe concept of video object planes (VOPs). It is assumed that each frame of an inputvideo sequence is segmented into a number of arbitrarily shaped image regions (e.g., VOPs),where each of the regions may possibly cover particular image or video content of interest(i.e., describing physical objects or content within scenes). In contrast to the video sourceformat used for MPEG-1 and MPEG-2, the video input to be coded by the MPEG-4 verificationmodel is no longer considered a rectangular region. The input to be coded can be aVOP image region of arbitrary shape, and the shape and location of the region can vary fromframe to frame. Successive VOPs belonging to the same physical object in a scene are referredto as video objects (VOs), that is, a sequence of VOPs of possibly arbitrary shape andposition. The shape, motion, and texture information of the VOPs belonging to the sameVO is encoded and transmitted or coded into a separate video object layer (VOL). Inaddition, the bit stream must include the relevant information to identify each of the VOLs,and how the various VOLs are composed at the receiver in order to reconstruct the entireoriginal sequence. This allows the separate decoding of each VOP and the required flexiblemanipulation of the video sequence. Notice that the video source input assumed for theVOL structure either already exists in terms of separate entities (i.e., is generated withchroma-key technology) or is generated by means of on-line or off-line segmentation algorithms.It is expected that MPEG-4 video coding will eventually support all the functionalitiesalready provided by MPEG-1 and MPEG-2, including the provision to efficiently compressstandard rectangular sized image sequences at varying levels of input formats, frame ratesand bit rates. In addition, content-based functionality will be assisted.


و آفت هر کدام بقرار A/Dمراحل اصلی فرآیندزیر خالصه میگردد:

– Nyquist Sampling (Aliasing)

– Quantization (Quantization noise)

– Coding

Analogue to Digital Conversionتبدیل آنالوگ به دیجیتال


فرآیند نمونه برداری Sampling Process

نمونه برداریSamplingتبدیل یک سیگنال از حالت ”پیوسته زمان“ به گسسته زمان

: ضرورت نمونه برداری در صورتی که پیام یک سیگنال آنالوگ باشد الزم است قبل از

آنرا بسبب اینکه از بینهایت دامنه PCMمدوالسیون دیجیتال یا شمارش ناپذیر تشکیل شده به تعداد شمارش پذیری نمونه

برداری کنیم. بهنگام دریافت یک سیگنال دیجیتال نیز

بسبب عملکرد کانالهای انتقال همیشه با یک

سیگنال آنالوگ مواجهیم، لذا الزم است

قبل از ”دمدوالسیون“ آنرا نمونه برداری

کنیم.ساختار کلی یک انکدر سیگنالهای صوتی


فرآیند نمونه (1برداری )


قضیه نمونه برداری هر سیگنال آنالوگ با پهنای باندW”Hz” هنگامیکه

نمونه بر ثانیه نمونه برداری 2Wبا نرخ حداقل شود،آنگاه میتوان از روی نمونه ها کامال بازیابی

sampling)ضابطه نمونه برداری نایکوئیستو توصیف گردد criterion (.

فرکانس نمونه برداریSampling frequency

(2فرآیند نمونه برداری )

fS=2 x Max Frequency of input Signal


: نمونه برداری با فرکانس نمونه برداری کمتر حالت اول از حد نایکوئیست


سیگنال نمونه برداری شده در زمان و (1فرکانس)

STB

2

سیگنال نمونه برداری شده در زمان و (2فرکانس)


: نمونه برداری با فرکانس نمونه برداری حالت دومبیشتر از حد نایکوئیست

STB

2

( fs>2Wچنانچه ضابطه نمونه برداری )یعنی –مراعات نشود در حوزه فرکانس، تکرار طیفهای

(Overlapping) باند پایه دچار روی هم افتادگی بسبب اینکه (Filtering)شده و لذا در فرآیند بازیابی

نمیتوانیم بصورت کامال شارپ هارمونیکهای متناظر نمونه ها را جدا کنیم، الجرم بخشی از اطالعات طیف پیام)فرکانسهای باالئی طیف(

گفته aliasingدچار تغییر شده و به این عارضه میشود.

( 1عوارض نمونه برداری) Aliasing


( 2عوارض نمونه برداری) Aliasing


Quantizationکوانتیزاسیون

پس از نمونه برداری سیگنال بدست آمده نمونه هایی گسستهزمان و با دامنه های متنوع و باصطالح پیوسته میباشند، در

چنین وضعیتی نمیتوان با تعداد بیت محدود و معینی نمونه ها را تعریف نمود.

طی فرآیندی که ”کوانتیزاسیون“ نامیده میشود به هر دامنهنمونه را بر اساس اینکه در چه محدوده خاصی قرار میگیرد

“ با تعداد بیت مشخصی نسبت میدهیم و stateیک ”حالتبدین ترتیب نمونه ها به مجموعه محدودی تقلیل میآبند.

Quantization


http://en.wikipedia.org/wiki/Image:Digital.signal.png

نمونه برداری سیگنالهای صوتینمونه برداری سیگنالهای صوتی

شاخص های نمونه برداری سیگنالهای صوتی می شاخص های نمونه برداری سیگنالهای صوتی می توان بقرار زیر خالصه نمود:توان بقرار زیر خالصه نمود:

تعداد نمونه ها یا“sampling rate” مقدار اطالعات در هر نمونه“bit depth”تعداد کانالهایی که باید نمونه برداری شوند“Mono or Stereo”

در حال حاضر سه فرکانس نمونه برداری استاندارد در عمل در حال حاضر سه فرکانس نمونه برداری استاندارد در عمل وجود دارد:وجود دارد:

استاندارد حرفه ای انتشار/پخشاستاندارد حرفه ای انتشار/پخشاولین فرکانسی که در خطوط ارتباطی زمینی و تغذیه فرستنده اولین فرکانسی که در خطوط ارتباطی زمینی و تغذیه فرستنده

بود. بود.32kHz32kHzهای اف ام استفاده شد، های اف ام استفاده شد،

استاندارد دستگاههای خانگیاستاندارد دستگاههای خانگی، هدف از این انتخاب آن بود که بتوان با استفاده ، هدف از این انتخاب آن بود که بتوان با استفاده 44.1kHz44.1kHzفرکانس فرکانس

و با استفاده و با استفاده PALPAL و و NTSCNTSCاز ویدئو تیپ های یوماتیک سیستم های از ویدئو تیپ های یوماتیک سیستم های ، صدای دیجیتال را که به سیگنالی شبیه ویدئو ، صدای دیجیتال را که به سیگنالی شبیه ویدئو PCMPCMاز یک آداپتوراز یک آداپتور

تبدیل شده، روی نوار ویدئو ضبط و پخش کرد.تبدیل شده، روی نوار ویدئو ضبط و پخش کرد.

استاندارد پخش و ضبط در رادیو- تلویزیون استاندارد پخش و ضبط در رادیو- تلویزیون

48kHz48kHzAutor:Seyed Mohammad Reza Razavizadeh

نمونه برداری سیگنالهای تصویرنمونه برداری سیگنالهای تصویر

برای ایجادسیگنالهای تصویر دیجیتال از فرکانس نمونه برداری برای ایجادسیگنالهای تصویر دیجیتال از فرکانس نمونه برداری چهار برابر فرکانس موج حامل رنگ استفاده میشود.چهار برابر فرکانس موج حامل رنگ استفاده میشود.

برای تبدیل تصویر آنالوگ به دیجیتال برای تبدیل تصویر آنالوگ به دیجیتال NTSCNTSCدر این خصوص در در این خصوص در تدوین گردید که مشخصات آن تدوین گردید که مشخصات آن SMPTE 244MSMPTE 244Mاستانداردی بنام استانداردی بنام بقرار زیر است:بقرار زیر است:

تعداد نمونه ها بر خط یا“sample per total line”: 910 :4”فرکانس نمونه برداریfSC=14.32818MHz” :شیوه کوانتیزیشنUniformly quantized

:10-8رزولیشن کوانتیزیشن bits/Syample48kHz48kHz

::ITU-601ITU-601 استاندارد استاندارد PALPALدر در


مشخصات سیگنال آنالوگ صداW=4 kHz

:فرکانس نمونه برداری حداقلfs≥2W=8 kHz (8000 samples/sec)

:مشخصات کوانتایزربمنظور حفظ کیفیت صدا پس از آشکارسازی از یک انکدر

بیتی باید استفاده کنیم که در اینصورت تعداد 8حداقل بدست خواهد آمد.256سطوح کوانتایزر برابر

L=28=256 levels

:نرخ بیت خروجی نمونه در ثانیه بوده و هر 8000چون نرخ خروجی سمپلر

بیت میباشد لذا نرخ بیت خروجی نهایی 8نمونه حاویبایت بر ثانیه( بدست میآید.8000بیت بر ثانیه)یا 64000

نحوه دیجیتایز نمودن یک سیگنال : 1مثالصوتی


)مشخصات سیگنال صدای خام)آنالوگ

استریوی دو کاناله

فرکانس نمونه برداری

44.1 kHzمشخصات کوانتایزر

“bits 16”تعداد بیت اختصاص داده شده به هر نمونه:

نرخ بیت نهاییCD بهنگام Read یا write21644,100 = 1.4 Mbits/s

حجم نهایی یکCD صوتی شامل یک ساعت صدای استریوی دیجیتال شده

(1.43,600 )/8= 635 MB (Mega byte)

مشخصات سیگنال موسیقی دیجیتال با : 2مثالCD کیفیت


PCMسیستم باند پایه صوتی دیجیتال

PCM (Pulse Code Modulation)این شیوه گرچه یک روش قدیمی(primitive) بوده لیکن هنوز

نیز بطور وسیعی در ارسال و دریافت سیگنالهای آنالوگ استفاده میشود)برای داده های ذاتا� دیجیتال از متدهای

دیگری استفاده میشود(.

:ابتدا سیگنال پیام آنالوگ توسط واحد بخش فرستندهA/D به دنباله باینری تبدیل و در مرحله بعد این دنباله بیت

(sequence) شکل موج پالسی را مدوله و بر روی کانال انتقال ارسال میکند.

:شکل موج پالسی حامل بیت پس از دریافت و بخش گیرندهقدری تقویت و پاالیش ”بمنظور استخراج بیتهای محموله با

( سیگنال پیام آنالوگ“ reconstructionهدف بازسازی )بازیابی تزریق تا در نهایت نمونه تقریبی آنچه در D/Aبه واحد

فرستنده تحویل سیستم شده در گیرنده دریافت گردد. ویژگی های سیستمPCM : دراین سیستم انتقال باندپایه

بوده و از هیچ کاریری بهره نمیبرد؛ سیستمهای تلفن و برخی CDداخلی، مدم ها،بخش صدای دیجیتال کامپیوترها ،

VCD .ها ازین تکنیک بمنظور انتقال صدا بهره میبرند


توسط فیلتر سیگنال ورودی به مشخصات فیلتر ورودی برش W(Hz)باالترین فرکانس حاوی انرژی صاحب اطالعات:

(aliasingداده میشود)حفاظت در برابر مشخصات واحدA/D:

:با فرکانس حداقل دو برابر نمونه بردارW (fs≥2W) عمل نمونهبرداری از سیگنال ورودی را انجام میدهد.

:نمونه ها ی دریافتی را در کوانتایزرL سطح دسته بندی و رند : تعداد سطوح تصمیم گیری(Lمیکند)

:هر نمونه که در یک محدوده سطوح تصمیم گیری قرار انکدر بیتی معرفی میشود.log2Lبگیرند توسط یک کد باینری

مشخصات واحدP. to Serial چون پورت:A/D ؛ بیتی است، ولی کانال انتقال یک بعدی است لذا این واحد بیتهای همزمان را پشت سرهم پس از بافرینگ و برای رسیدن به یک نرخ بیت

.یکنواخت بسوی کانال روانه میسازند

PCMساختاریک سیستم نمونه فرستنده (1)

Sampler Quantizer EncoderLow Pass

Filter

Parallel to serial Conv.

A/D Converter

01000111001Message


تبدیل دنباله بیت به شکل موج الکتریکی: سیستمPCM با بهره گیری از شیوه Line Coding دنباله بیت

تحویلی از مبدل پارالل به سریال را به یکی از شکل موجهای پایه دیجیتال، که مرکب از تعدادی پالس است،

تبدیل میکند.

PCMساختاریک سیستم نمونه فرستنده (2)

Line Coding

Channel

PCM Sequence: bn

PCM Waveform

Receiver


)شکل موج نویزی و دفرمه شده بخش بازسازی)تولید مجدددریافتی پس از کاهش نویز بشکل مربعی)نظیر آنچه در فرستنده

داشتیم( بازسازی میشود. Line Coderپس از:دنباله بیت متناظر را از روی شکل موج تولید میکند.دتکتور:نمونه های متناظر را از دنباله بیت بازیابی میکند.دیکدر فیلتر بازیاب(Reconstruction Filter) : شکل موج آنالوگ اصلی را از

روی نمونه ها ایجاد میکند.

PCMساختاریک سیستم نمونه گیرنده

Detector DecoderReconstruction

FilterRegeneration

Circuit

D/A Converter

01000111001

PCM Waveform


آن به دو عامل بستگی دارد:PCMپهنای باند یک سیستم :نرخ بیت نهایی سیستمRb .که البته این نرخ بیت به دو مولفه زیر بستگی دارد ،

فرکانس نمونه برداری که خود مستقیما تابع پهنای باند سیگنال آنالوگ ورودی میباشد.•تعداد سطوح کوانتایزر، که هرچه بیشتر باشند بطور لگاریتمی نرخ بیت افزایش میآبد.•

نیز (Low Bit Interval)با توجه باینکه افزایش نرخ بیت سبب وقوع تغییرات شدید زمانی و نهایتا تغییرات شدید زمانیوقوع مولفه های فرکانس باال را در پی دارد افزایش پهنای باند نتیجه میگردد.

شکل موج انتخابیPCM :

•Rectangular Waveform: BT≥Rb/2

•Sinusoidal Waveform: BT=Rb/2

B

عوامل تاثیرگذار بر پهنای باند سیستم PCM


مزیتهامدارات دیجیتال ارزان قیمت)در مقایسه با سایر فرمهای –

دیجیتال دیگر(قابلیت بکارگیری برای تمامی انواع منابع سیگنال آنالوگ و –

TDMنیز استفاده از قابلیت استفاده در ارتباطات راه دور با استفاده ازتکرار –

(regeneration)کنند ه با تضمین صحت انجام عملیات بازیابی عملکرد نویز عالی در مقایسه با سیستمهای آنالوگ متداول–بر خورداری ازانتقال ایمن–

معایبنیاز به پهنای باند باال–

بعنوان راههای مقابله با این عیب، میتوان به استفاده از •کانالهای پهن باند نظیر فیبر،روشهای فشرده سازی منبع و نیز

بکارگیری از شیوه های مدوالسیون پیشرفته اشاره کرد.سادگی باالی سیستم–

PCMارزیابی سیستم


بیتی و با A/D 8 تلفنی با استفاده از یک PCMیک سیستم – یک سیگنال صوتی را دیجیتایز میکند؛ مطلوبست 8kHzفرکانس

“.bit duration”نرخ بیت“ و ”دوره بیت

مثال


PCMنمونه ائی از کاربرد یک سیستم


تبدیل آنالوگ به دیجیتال

Documents