تبدیل آنالوگ به دیجیتال
Slide 1
Slide 2
تشریح پروتوکل مخابراتی مابین صفحه کلید یا کی بورد(AT) و PC در انتقال داده
تبادل اطلاعات بین کی بورد و کیس یک کامپیوتر را میتوان
نمونه ائی از یک سیستم باند پایه معرفی نمود.
این سیستم که اصطلاحا یک سیستم مخابراتی سریال سنکرون نامیده میشود.توسط یک کابل 5 پین کدهای اطلاعاتی متناظر با هر کلید را بهمراه سایر اطلاعات و همچنین ولتاژهای مربوط انتقال داده میشوند:
پین2: ارسال اطلاعات
پین1: پالس ساعت (سیگنالی با فرکانس 10-20kHz)
پین5:ولتاژ 5V
پین4: زمین
پس از فشردن هر کلید یک کد به PC ارسال و با رها کردن آن نیز یک کد بنام release-code نیز ارسال میگردد.
احتمالات حروف در مطبوعات انگلیسی
3
Slide 4
برخی کدهای صفحه کلید کامپیوتر
Slide 5
مثال: سیگنال ارسالی متناظر با حرف “A”کی بورد به PC
Slide 6
Coding
کد گذاری
کدینگ را میتوان دردو بخش کلی تعریف نمود:
کدینگ منبع: سیگنال خروجی منبع را تبدیل به دنباله بیتهای هم احتمالی را با تاکید برحداکثرسازی ظرفیت کانال انجام میشود.
کدینگ کانال: با هدف حفاظت پیام و تطبیق آن با کانال ارتباطی انجام میگیرد.
Slide 7
تبدیل هر سیگنال آنالوگ(صحبت یا هرپیام آنالوگ دیگر) به فرم دیجیتال بعنوان Waveform Coding نامیده میگردد، البته باید ذکر کنیم واژه کدینگ برای برخی عملیاتهای دیگری که بعنوان نمونه در زیر به یکی اشاره خواهد شد، اتلاق میگردد:
Source Coding خروجی آنالوگ یا دیجیتال یک منبع را به منظور مناسب سازی انتقال(نظیر MPEG یا JPEG) تغییر و تبدیل میگرداند.
کدینگ منبع Source Coding
Slide 8
تبدیل آنالوگ به دیجیتال Analogue / Digital Conversion
تبدیل آنالوگ به دیجیتال که عموما با نام
“PCM: Pulse Code Modulation”
نیز شناخته میشود از دو مرحله اساسی تشکیل میشود:
نمونه برداری یکنواخت(Regular) سیگنال ورودی
تبدیل نمونه ها به اعداد و شماره های گسسته
دقت هر مبدل A/D به تعداد بیتهای خروجی آن وابسته است، در 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]
Slide 9
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 دو کاناله استریو پس از کدینگ:
64kbits/s to 384 kbits/s.
Slide 10
کدینگ سیگنالهای تصویر Video Coding
استانداردهای تصویر دیجیتال:
HDTV,SDTV,LDTV,H263.1,…
MPEG 2,4
میزان نرخ بیت متعارف یک تصویرآنالوگ پس از کدینگ:
Up to 30Mbps
2.2.4 MPEG-4 Standard
Unlike MPEG-1/2, where the scope and technology were well defined when the project
started, MPEG-4 was born to answer the emerging needs of various new applications ranging
from interactive audiovisual services to remote monitoring and control [13]. Thus, the
MPEG-4 goal is to provide a flexible and extensible standard for the convergence of interactive
multimedia applications, which currently are not addressed by the existing standards.
To enable the content-based interactive functionality, the MPEG-4 video standard introduces
the concept of video object planes (VOPs). It is assumed that each frame of an input
video 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 source
format used for MPEG-1 and MPEG-2, the video input to be coded by the MPEG-4 verification
model is no longer considered a rectangular region. The input to be coded can be a
VOP image region of arbitrary shape, and the shape and location of the region can vary from
frame to frame. Successive VOPs belonging to the same physical object in a scene are referred
to as video objects (VOs), that is, a sequence of VOPs of possibly arbitrary shape and
position. The shape, motion, and texture information of the VOPs belonging to the same
VO is encoded and transmitted or coded into a separate video object layer (VOL). In
addition, 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 entire
original sequence. This allows the separate decoding of each VOP and the required flexible
manipulation of the video sequence. Notice that the video source input assumed for the
VOL structure either already exists in terms of separate entities (i.e., is generated with
chroma-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 functionalities
already provided by MPEG-1 and MPEG-2, including the provision to efficiently compress
standard rectangular sized image sequences at varying levels of input formats, frame rates
and bit rates. In addition, content-based functionality will be assisted.
11
Slide 12
مراحل اصلی فرآیندA/D و آفت هر کدام بقرار زیر خلاصه میگردد:
Nyquist Sampling (Aliasing)
Quantization (Quantization noise)
Coding
تبدیل آنالوگ به دیجیتال Analogue to Digital Conversion
Slide 13
فرآیند نمونه برداری Sampling Process
نمونه برداری Sampling
تبدیل یک سیگنال از حالت ”پیوسته زمان“ به گسسته زمان
ضرورت نمونه برداری :
در صورتی که پیام یک سیگنال آنالوگ باشد لازم است قبل از مدولاسیون دیجیتال یا PCM آنرا بسبب اینکه از بینهایت دامنه 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 لازم است
قبل از ”دمدولاسیون“ آنرا نمونه برداری
کنیم.
ساختار کلی یک انکدر سیگنالهای صوتی
Slide 14
فرآیند نمونه برداری (1)
Slide 15
قضیه نمونه برداری
هر سیگنال آنالوگ با پهنای باند W”Hz” هنگامیکه با نرخ حداقل 2W نمونه بر ثانیه نمونه برداری شود،آنگاه میتوان از روی نمونه ها کاملا بازیابی و توصیف گردد (ضابطه نمونه برداری نایکوئیستsampling criterion ).
فرکانس نمونه برداری Sampling frequency
فرآیند نمونه برداری (2)
fS=2 x Max Frequency of input Signal
حالت اول : نمونه برداری با فرکانس نمونه برداری کمتر از حد نایکوئیست
16
سیگنال نمونه برداری شده در زمان و فرکانس(1)
سیگنال نمونه برداری شده در زمان و فرکانس(2)
17
حالت دوم : نمونه برداری با فرکانس نمونه برداری بیشتر از حد نایکوئیست
Slide 18
چنانچه ضابطه نمونه برداری (یعنی fs>2W) مراعات نشود در حوزه فرکانس، تکرار طیفهای باند پایه دچار روی هم افتادگی( Overlapping ) شده و لذا در فرآیند بازیابی(Filtering) بسبب اینکه نمیتوانیم بصورت کاملا شارپ هارمونیکهای متناظر نمونه ها را جدا کنیم، لاجرم بخشی از اطلاعات طیف پیام(فرکانسهای بالائی طیف) دچار تغییر شده و به این عارضه aliasing گفته میشود.
عوارض نمونه برداری(1) Aliasing
Slide 19
عوارض نمونه برداری(2) Aliasing
Slide 20
کوانتیزاسیون Quantization
پس از نمونه برداری سیگنال بدست آمده نمونه هایی گسسته زمان و با دامنه های متنوع و باصطلاح 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 دامنه نمونه را بر اساس اینکه در چه محدوده خاصی قرار میگیرد یک ”حالتstate “ با تعداد بیت مشخصی نسبت میدهیم و بدین ترتیب نمونه ها به مجموعه محدودی تقلیل میآبند.
Slide 21
نمونه برداری سیگنالهای صوتی
شاخص های نمونه برداری سیگنالهای صوتی می توان بقرار زیر خلاصه نمود:
تعداد نمونه ها یا “sampling rate”
مقدار اطلاعات 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 وجود دارد:
استاندارد حرفه ای انتشار/پخش
اولین فرکانسی که در خطوط ارتباطی زمینی و تغذیه فرستنده های اف ام استفاده شد، 32kHz بود.
استاندارد دستگاههای خانگی
فرکانس 44.1kHz، هدف از این انتخاب آن بود که بتوان با استفاده از ویدئو تیپ های یوماتیک سیستم های NTSC و PAL و با استفاده از یک آداپتورPCM، صدای دیجیتال را که به سیگنالی شبیه ویدئو تبدیل شده، روی نوار ویدئو ضبط و پخش کرد.
استاندارد پخش و ضبط در رادیو- تلویزیون
48kHz
Slide 22
نمونه برداری سیگنالهای تصویر
برای ایجادسیگنالهای تصویر دیجیتال از فرکانس نمونه برداری چهار برابر فرکانس موج حامل رنگ استفاده میشود.
در این خصوص در NTSC برای تبدیل تصویر آنالوگ به دیجیتال استانداردی بنام SMPTE 244M تدوین گردید که مشخصات آن بقرار زیر است:
تعداد نمونه ها بر خط یا “sample per total line”: 910
فرکانس نمونه برداری:”4fSC=14.32818MHz”
شیوه کوانتیزیشن: Uniformly quantized
رزولیشن کوانتیزیشن: 8-10 bits/Syample48kHz
در PAL استاندارد ITU-601:
Slide 23
مشخصات سیگنال آنالوگ صدا:
W=4 kHz
فرکانس نمونه برداری حداقل:
fs≥2W=8 kHz (8000 samples/sec)
مشخصات کوانتایزر:
بمنظور حفظ کیفیت صدا پس از آشکارسازی از یک انکدر حداقل 8 بیتی باید استفاده کنیم که در اینصورت تعداد سطوح کوانتایزر برابر 256 بدست خواهد آمد.
L=28=256 levels
نرخ بیت خروجی:
چون نرخ خروجی سمپلر 8000 نمونه در ثانیه بوده و هر نمونه حاوی8بیت میباشد لذا نرخ بیت خروجی نهایی 64000بیت بر ثانیه(یا 8000بایت بر ثانیه) بدست میآید.
مثال1: نحوه دیجیتایز نمودن یک سیگنال صوتی
Slide 24
مشخصات سیگنال صدای خام(آنالوگ):
استریوی دو کاناله
فرکانس نمونه برداری
44.1 kHz
مشخصات کوانتایزر
”تعداد بیت اختصاص داده شده به هر نمونه: 16 bits“
نرخ بیت نهایی CD بهنگام Read یا write
21644,100 = 1.4 Mbits/s
حجم نهایی یک CD صوتی شامل یک ساعت صدای استریوی دیجیتال شده
(1.43,600 )/8= 635 MB (Mega byte)
مثال2: مشخصات سیگنال موسیقی دیجیتال با کیفیت CD
Slide 25
سیستم باند پایه صوتی دیجیتال PCM
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 ذاتاً دیجیتال از متدهای دیگری استفاده میشود).
بخش فرستنده: ابتدا سیگنال پیام آنالوگ توسط واحد A/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.
بخش گیرنده: شکل موج پالسی حامل بیت پس از دریافت و قدری تقویت و پالایش ”بمنظور استخراج بیتهای محموله با هدف بازسازی (بازیابیreconstruction) سیگنال پیام آنالوگ“ به واحد D/A تزریق تا در نهایت نمونه تقریبی آنچه در فرستنده تحویل سیستم شده در گیرنده دریافت گردد.
ویژگی های سیستم PCM: دراین سیستم انتقال باندپایه بوده و از هیچ کاریری بهره نمیبرد؛ سیستمهای تلفن داخلی، مدم ها،بخش صدای دیجیتال کامپیوترها ،CD و برخی VCD ها ازین تکنیک بمنظور انتقال صدا بهره میبرند.
Slide 26
مشخصات فیلتر ورودی: توسط فیلتر سیگنال ورودی به بالاترین فرکانس حاوی انرژی صاحب اطلاعات: W(Hz) برش داده میشود(حفاظت در برابر aliasing)
مشخصات واحد A/D :
نمونه بردار: با فرکانس حداقل دو برابر W (fs≥2W)عمل نمونه برداری از سیگنال ورودی را انجام میدهد.
کوانتایزر: نمونه ها ی دریافتی را در L سطح دسته بندی و رند میکند(L: تعداد سطوح تصمیم گیری)
انکدر: هر نمونه که در یک محدوده سطوح تصمیم گیری قرار بگیرند توسط یک کد باینری log2L بیتی معرفی میشود.
مشخصات واحد P. 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.
ساختاریک سیستم نمونه فرستنده PCM (1)
Slide 27
تبدیل دنباله بیت به شکل موج الکتریکی:
سیستم PCM 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.
ساختاریک سیستم نمونه فرستنده PCM (2)
Slide 28
بخش بازسازی(تولید مجدد): شکل موج نویزی و دفرمه شده دریافتی پس از کاهش نویز بشکل مربعی(نظیر آنچه در فرستنده پس ازLine Coder داشتیم) بازسازی میشود.
دتکتور:دنباله بیت متناظر را از روی شکل موج تولید میکند.
دیکدر:نمونه های متناظر را از دنباله بیت بازیابی میکند.
فیلتر بازیاب (Reconstruction Filter): شکل موج آنالوگ اصلی را از روی نمونه ها ایجاد میکند.
ساختاریک سیستم نمونه گیرنده PCM
Slide 29
پهنای باند یک سیستم PCM آن به دو عامل بستگی دارد:
نرخ بیت نهایی سیستم: Rb ، 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.
با توجه باینکه افزایش نرخ بیت سبب وقوع تغییرات شدید زمانی و نهایتا تغییرات شدید زمانی(Low Bit Interval) نیز وقوع مولفه های فرکانس بالا را در پی دارد افزایش پهنای باند نتیجه میگردد.
شکل موج انتخابی PCM:
Rectangular Waveform: BT≥Rb/2
Sinusoidal Waveform: BT=Rb/2
B
عوامل تاثیرگذار بر پهنای باند سیستم PCM
Slide 30
مزیتها
مدارات دیجیتال ارزان قیمت(در مقایسه با سایر فرمهای دیجیتال دیگر)
قابلیت بکارگیری برای تمامی انواع منابع سیگنال آنالوگ و نیز استفاده از TDM
قابلیت استفاده در ارتباطات راه دور با استفاده ازتکرار کنند ه با تضمین صحت انجام عملیات بازیابی (regeneration)
عملکرد نویز عالی در مقایسه با سیستمهای آنالوگ متداول
بر خورداری ازانتقال ایمن
معایب
نیاز به پهنای باند بالا
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 مدولاسیون پیشرفته اشاره کرد.
سادگی بالای سیستم
ارزیابی سیستم PCM
Slide 31
یک سیستم PCM تلفنی با استفاده از یک A/D 8بیتی و با فرکانس 8kHz یک سیگنال صوتی را دیجیتایز میکند؛ مطلوبست ”نرخ بیت“ و ”دوره بیت bit duration“.
مثال
Slide 32
نمونه ائی از کاربرد یک سیستم PCM