Información básica sobre señales digitales

En los circuitos digitales, dado que las señales digitales solo tienen dos estados: 0 y 1, su valor está determinado por el valor central. La parte inferior del valor central se especifica como 0 y la parte superior se especifica como. 1, por lo que incluso si se mezcla con otras señales de interferencia, siempre que el valor de la señal de interferencia no exceda el rango de valor mínimo, se puede reproducir la señal original. Incluso si el valor de la señal de interferencia excede el rango de valores de Gap y se produce un código de error, siempre que se utilice cierta tecnología de codificación, la señal de error se puede detectar y corregir fácilmente. Por lo tanto, en comparación con las señales analógicas, las señales digitales tienen una mayor capacidad antiinterferente durante la transmisión, una distancia de transmisión más larga y una amplitud de distorsión pequeña.

Las señales digitales no solo tienen una alta antiinterferencia durante el proceso de transmisión, sino que también se pueden comprimir para ocupar menos ancho de banda, lo que permite transmitir más y más señales digitales de audio, video y otras señales bajo el mismo ancho de banda. Señal. Además, las señales digitales pueden almacenarse en una memoria de semiconductores y utilizarse directamente para el procesamiento informático. Si diferentes formas de señales como audio, texto, vídeo y otros datos procesados ​​por teléfono, fax y televisión se convierten en pulsos digitales para su transmisión, también ayudará a formar una red de comunicación unificada y a realizar los servicios integrales que respeta la la sociedad actual y la industria de las telecomunicaciones. Proporcionando así a las personas servicios nuevos, más flexibles y más convenientes. Precisamente porque las señales digitales tienen las destacadas ventajas antes mencionadas, se han desarrollado rápidamente y se han utilizado ampliamente.

La conversión de una señal original a una señal digital generalmente implica tres procesos: muestreo, cuantificación y codificación. Muestreo significa tomar un valor de la señal original cada corto período de tiempo. Cuanto más corto es el intervalo de tiempo, más muestras se toman por unidad de tiempo, por lo que el valor tomado de un conjunto de muestras se acerca más a la señal original. El muestreo debe cuantificarse, del mismo modo que a menudo consideramos que las puntuaciones de 80 a 100 puntos son excelentes, de 60 a 79 puntos son aprobaciones y las puntuaciones por debajo de 60 son reprobables. La cuantificación significa que los valores se extraen de varias muestras. Utilice sólo uno de los valores que especificamos expresados ​​numéricamente. En la "cuantificación" de los resultados anteriores, cuantificamos las puntuaciones de 0 a 100 utilizando sólo tres niveles: "excelente", "aprobado" y "reprobado". El último paso es la codificación, que codifica los valores cuantificados en secuencias que constan de solo dos números: 0 y 1, y el generador de señal de pulso genera la señal digital correspondiente. Esto permite la transmisión mediante señales digitales.

Las ventajas de las señales digitales son, en primer lugar, su capacidad antiinterferencias especialmente fuerte. Puede utilizarse no sólo en la tecnología de la comunicación, sino también en la tecnología de procesamiento de información, como por ejemplo la popular alta fidelidad. audio, televisión de alta definición, VCD, DVD, máquinas láser, etc., todos utilizan tecnología de procesamiento de señales digitales. En segundo lugar, las computadoras electrónicas que utilizamos son todas digitales y las señales que procesan son señales inherentemente digitales. Al utilizar señales digitales en las comunicaciones, las computadoras se pueden combinar fácilmente con las comunicaciones y las ventajas de las computadoras en el procesamiento de información se pueden utilizar para servir a la industria de las comunicaciones. Por ejemplo, el cuadro de distribución digital controlado por programa utilizado en las comunicaciones telefónicas utiliza computadoras para reemplazar el trabajo del operador. No solo realiza el cableado de manera rápida y precisa, sino que también ocupa un área pequeña y tiene una alta eficiencia de trabajo. y equipos y hace que la calidad de las comunicaciones telefónicas salte. En tercer lugar, las señales digitales son fáciles de almacenar. Actualmente, los populares CD, discos MP3, VCD, discos de vídeo DVD y discos de computadora utilizan señales digitales para almacenar información. Además, la comunicación digital puede ser compatible con la transmisión de diversos tipos de información como teléfono, telégrafo, datos e imágenes, y puede transmitir teléfono, televisión por cable, multimedia y otra información en la misma línea. Las señales digitales también facilitan el cifrado y la corrección de errores, y tienen una gran confidencialidad y confiabilidad. Una señal digital es una señal en la que la variable independiente es discreta y la variable dependiente también es discreta. La variable independiente de esta señal está representada por un número entero y la variable dependiente está representada por un número finito. En las computadoras, el tamaño de las señales digitales generalmente se representa mediante números binarios con bits limitados. Por ejemplo, un número binario con una longitud de palabra de 2 bits puede representar los tamaños de 4 señales digitales, a saber, 00, 01, 10 y 11; la señal cambia en el rango de -1 a 1, estos 4 números binarios pueden representar 4 rangos numéricos, a saber, [-1, -0,5), [-0,5, 0), [0, 0,5) y [0,5, 1].

La diferencia entre señales digitales y señales en tiempo discreto es la variable dependiente. Una señal de tiempo discreta tiene una variable independiente discreta y una variable dependiente continua. La variable independiente está representada por un número entero y la variable dependiente está representada por un número correspondiente al tamaño de la cantidad física. La magnitud de una señal en tiempo discreto está representada por un número binario finito, es decir, una señal digital.

Para la señal de tiempo discreta x(n)=sin(0.3n), cuando la variable independiente n=6, la variable dependiente x(6)=sin(0.3×6)≈0.9738 si 2; Se utilizan bits. El binario se convierte en una señal digital, de acuerdo con [-1, -0.5), [-0.5, 0), [0, 0.5), [0.5, 1] ​​correspondiente a 00, 01, 10, 11. respectivamente, y 0.9738 es mejor usar números binarios 11 para representar.

Al aprender e investigar la teoría de señales digitales, es muy problemático usar números binarios para representar señales; por conveniencia, las personas generalmente consideran las señales de tiempo discreto como señales digitales en lugar de considerar las diferencias entre ellas. .

Debido a que las señales digitales están representadas por dos estados físicos de 0 y 1, su resistencia al material mismo y a la interferencia ambiental es mucho más fuerte que las señales analógicas en el procesamiento de señales con tecnología moderna, las señales digitales juegan un papel cada vez más importante; , y el procesamiento de señales casi complejo es inseparable de las señales digitales; en otras palabras, siempre que la solución al problema pueda expresarse en fórmulas matemáticas, se pueden utilizar computadoras para procesar señales digitales que representen cantidades físicas.

Características de las señales digitales: fuerte capacidad antiinterferencias, sin acumulación de ruido.

En las comunicaciones analógicas, para mejorar la relación señal-ruido, la señal de transmisión debe amplificarse y atenuarse en el tiempo durante el proceso de transmisión de la señal. El ruido se superpone inevitablemente a la señal durante la transmisión. proceso, y el ruido también se amplifica al mismo tiempo. A medida que aumenta la distancia de transmisión, se acumula más ruido, provocando una grave degradación en la calidad de la transmisión.

Para las comunicaciones digitales, dado que la amplitud de la señal digital está limitada a unos pocos valores discretos (normalmente dos amplitudes), aunque también se verá interferida por ruido durante el proceso de transmisión, cuando la señal- La relación ruido-ruido se deteriora cuando alcanza un cierto nivel, es decir, el método de regeneración de juicio se utiliza dentro de una distancia adecuada, la interferencia de ruido generada en este momento es la misma que la señal digital en el transmisor original, por lo que la transmisión de alta calidad se puede lograr a largas distancias.

Fácil de cifrar

La seguridad y la confidencialidad de la transmisión de información son cada vez más importantes. El cifrado de la comunicación digital es mucho más sencillo que el de la comunicación analógica. después de la conversión digital La señal resultante se puede cifrar y descifrar mediante operaciones lógicas digitales simples.

Fácil de almacenar, procesar e intercambiar

La forma de las señales de comunicación digital es la misma que el método de señal utilizado por las computadoras. Todos son códigos binarios, por lo que son fáciles de conectar en red. con computadoras y almacenamiento informático fácil de usar, procesar e intercambiar señales digitales y realizar la automatización y la inteligencia de la gestión y el mantenimiento de las redes de comunicación.

El equipo es fácil de integrar y miniaturizar

La comunicación digital adopta multiplexación por división de tiempo y no requiere grandes filtros. La mayoría de los circuitos del equipo son circuitos digitales y se pueden implementar a través de circuitos integrados de gran y ultra gran escala, por lo que son de tamaño pequeño y bajo consumo de energía.

Es fácil formar una red digital integrada y una red digital de servicio integrado

Utilizando la transmisión digital, el intercambio digital se puede realizar a través de equipos de conmutación digital controlados por programa para lograr la integración. de transmisión e intercambio. Además, los servicios telefónicos y diversos servicios no telefónicos también pueden digitalizarse para formar una red digital de servicios integrados.

El ancho de banda del canal ocupado es amplio

El ancho de banda de un teléfono analógico es de 4 kHz y el ancho de banda de un teléfono digital es de aproximadamente 64 kHz. Con el uso extensivo de canales de banda ancha (cables ópticos, microondas digitales) (un par de cables ópticos pueden abrir miles de líneas telefónicas) y el desarrollo de la tecnología de procesamiento de señales digitales (la velocidad digital de los teléfonos digitales se puede comprimir de 64 kb/s a 32 kb/s) o velocidades digitales incluso inferiores), el ancho de banda para la telefonía digital ya no es un gran problema.

Como se puede ver en la introducción anterior, la comunicación digital tiene muchas ventajas, por lo que todos los países están desarrollando activamente la comunicación digital. Las comunicaciones digitales de mi país se han desarrollado rápidamente y avanzan hacia la alta velocidad, la inteligencia, la banda ancha y la integración.

La forma de onda de la señal analógica cambia a medida que cambia la información. La característica de la señal analógica es que la amplitud es continua (continua significa que puede tomar innumerables valores dentro de un cierto rango de valores). Las señales analógicas, sus formas de onda de señal también son continuas en el tiempo, por lo que también son señales continuas. La señal muestreada de una señal analógica muestreada en un cierto intervalo de tiempo T sigue siendo una señal analógica porque su forma de onda es discreta en el tiempo, pero la amplitud de esta señal sigue siendo continua. Las señales de teléfono, fax y televisión son todas señales analógicas.

La señal muestreada es discreta en el tiempo, pero los radios no son discretos. Las señales de muestreo comunes incluyen pulso rectangular periódico y muestreo de pulso periódico. Las señales analógicas se definen en todo el eje del tiempo, con amplitud cero en la región "sin amplitud". Las señales de tiempo discreto solo se definen en momentos discretos y no en otros lugares, y la amplitud de cero es un concepto diferente. Las dos señales parecen muy similares en el eje del tiempo. De hecho, son dos señales fundamentalmente diferentes basadas en diferentes tipos de sistemas. Señal. Intuitivamente, se puede considerar que el eje horizontal de una señal de tiempo discreto ya no representa el tiempo. La señal de voz es una señal analógica que es continua no sólo en amplitud sino también en tiempo. Para digitalizar la señal de voz y realizar la multiplexación por división de tiempo, la señal de voz primero debe procesarse discretamente en el tiempo. Este proceso se denomina muestreo. El llamado muestreo consiste en extraer un valor de amplitud instantáneo (valor de muestreo) de la señal de voz en un cierto intervalo de tiempo T. La serie de valores de muestreo discretos en el tiempo obtenidos después del muestreo se denomina secuencia de valores de muestreo. La secuencia de valores muestreados es discreta en el tiempo y puede multiplexarse ​​por división de tiempo, o los valores muestreados pueden cuantificarse y codificarse en una señal digital binaria. La teoría y la práctica han demostrado que siempre que el intervalo de pulso de muestreo T ≤ 1/(2fm) (o f ≥ 2fm) (fm es la frecuencia más alta de la señal de voz), la secuencia de valores muestreados puede restaurar la señal de voz original sin distorsión. .

Por ejemplo, la banda de frecuencia de las señales telefónicas es 300~3400Hz, fm=3400Hz, entonces la frecuencia de muestreo fs≥2×3400=6800Hz. Por ejemplo, si se muestrea la señal telefónica de 300~3400Hz. a una frecuencia de muestreo de 6800 Hz, la frecuencia de muestreo es La secuencia final de valores de muestra se puede restaurar a la señal de voz original sin distorsión. La frecuencia de muestreo de la señal de voz suele ser de 8000 Hz. La frecuencia de muestreo de la señal de voz suele ser de 8000 Hz. El ancho de banda de vídeo es de 6MHz y la señal de luminancia se muestrea a 13,5MHz y la señal de crominancia a 6,75MHz según la recomendación CCIR601. La señal analógica muestreada se convierte en una señal de pulso discreta en el tiempo, pero la amplitud del pulso sigue siendo analógica y debe discretizarse antes de que finalmente pueda representarse digitalmente. Esto requiere redondear la amplitud al número entero más cercano, un proceso conocido como cuantificación. Hay dos formas de cuantificar. En la forma de cuantificación, el redondeo es simplemente redondear, es decir, todos los voltajes de entrada entre 0 y 1 voltios generan 0 voltios, todos los voltajes de entrada entre 1 y 2 voltios generan 1 voltio, y así sucesivamente. Cuando se utiliza este método de cuantificación, el voltaje de entrada siempre es mayor que el voltaje de salida, por lo que el error de cuantificación generado es siempre positivo y el error de cuantificación máximo es igual al intervalo Δ entre dos niveles de cuantificación adyacentes. El redondeo en el método de cuantificación se redondea hacia arriba, es decir, el voltaje de entrada entre 0 y 0,5 voltios se emite como 0 voltios, el voltaje de salida entre 0,5 y 1,5 voltios se emite como 1 voltio, etc. El error de cuantificación de este método de cuantificación es positivo o negativo, y el valor absoluto del error de cuantificación es Δ/2. Por lo tanto, se utiliza el método de redondeo para la cuantificación y el error es menor.

La señal real puede considerarse como la suma de la señal de salida cuantificada y el error de cuantificación, por lo que si solo se utiliza la señal de salida cuantificada para reemplazar la señal original, se producirá distorsión. En general, la distribución de probabilidad de la amplitud del error de cuantificación puede verse como una distribución uniforme entre -Δ/2 y Δ/2. Se puede ver que la potencia de distorsión de cuantificación es proporcional al cuadrado del intervalo mínimo de cuantificación. Cuanto menor sea el intervalo mínimo de cuantificación, menor será la distorsión. Cuanto menor sea el intervalo mínimo de cuantificación, más niveles de cuantificación se necesitarán para representar una señal analógica de una determinada amplitud y, por tanto, más complejo será el procesamiento y la transmisión. Por lo tanto, la cuantificación no sólo debe reducir el número de niveles de cuantificación tanto como sea posible, sino también hacer que la distorsión de la cuantificación pase desapercibida.

Generalmente, se utiliza un número binario para representar un cierto nivel de cuantificación y la amplitud de la señal original se restaura de acuerdo con este número binario después de la transmisión en el extremo receptor. El llamado número de bits de cuantificación se refiere al número de dígitos binarios necesarios para distinguir todos los niveles de cuantificación. Por ejemplo, si hay 8 niveles de cuantificación, entonces se pueden usar 3 bits binarios para distinguirlos, ya que la cuantificación de 8 niveles de cuantificación se denomina cuantificación de 3 bits. La cuantificación de 8 bits significa que solo hay un nivel de cuantificación.

Existe una diferencia esencial entre error de cuantificación y ruido. Esto se debe a que el error de cuantificación en un momento dado puede derivarse de la señal de entrada, mientras que no existe tal relación entre el ruido y la señal. El error de cuantificación es producto de una distorsión no lineal de orden superior. Sin embargo, la distorsión de cuantificación se comporta como ruido en la señal y tiene un espectro más amplio, por lo que también se denomina ruido de cuantificación y se mide mediante la relación señal-ruido.

El método de cuantificación anterior que utiliza niveles de cuantificación espaciados uniformemente se denomina cuantificación uniforme o cuantificación lineal. La desventaja de este método de cuantificación es que la relación señal-ruido de señales grandes es demasiado grande, mientras que la señal-. La relación ruido de señales pequeñas es demasiado pequeña. Si el ancho entre los niveles de cuantificación se vuelve más pequeño en el caso de señales pequeñas y más grande en el caso de señales grandes, la relación señal-ruido de señales pequeñas y grandes puede hacerse consistente. Esta disposición de niveles de cuantificación no uniforme se denomina cuantificación no uniforme o cuantificación no lineal. La mayoría de las señales de televisión digital utilizan una cuantificación no uniforme. Esto se debe a que la señal de video analógica debe corregirse y la corrección tiene características similares a la cuantificación no lineal, lo que puede reducir el impacto de los errores en las señales pequeñas.

Para la cuantificación no uniforme de señales de audio, también se utilizan métodos de compresión y expansión, es decir, la señal de entrada se comprime en el extremo transmisor y luego se cuantifica uniformemente, y luego se realiza el procesamiento de expansión correspondiente en el extremo receptor.

Las características de compresión y expansión de ley A 13x, fáciles de implementar, y las características de compresión y expansión de ley μ, 15x, se utilizan comúnmente a nivel internacional. Nuestro país estipula el uso del método A de 13 líneas de expansión de características.

Después de adoptar la función de compresión y expansión 13 veces, la relación señal-ruido de cuantificación de señales pequeñas se puede aumentar hasta 24 dB, lo que se logra a expensas de la relación señal-ruido de cuantificación. Relación de señales grandes (pérdida de 12 dB). La señal muestreada y cuantificada no es una señal digital. Debe convertirse en pulsos codificados digitales. Este proceso se llama codificación. El método de codificación más simple es la codificación binaria. Específicamente, se utiliza codificación binaria de n bits para representar el valor de muestra cuantificado. Cada número binario corresponde a un valor cuantificado, y luego se organizan y combinan para obtener un flujo de información digital compuesto por pulsos de valor binario. El proceso de codificación ocurre en el extremo receptor, donde los valores muestreados originales se pueden recombinar en función de la información recibida y luego pasar a través de un filtro de paso bajo para restaurar la señal original. La frecuencia de un tren de impulsos así compuesto es igual al producto de la frecuencia de muestreo por el número de bits de cuantificación, es decir, la velocidad digital a la que se transmite la señal digital. Obviamente, cuanto mayor sea la frecuencia de muestreo, mayores serán los bits de cuantificación, mayor será la velocidad digital y mayor será el ancho de banda de transmisión requerido

Además de la codificación binaria natural mencionada anteriormente, existen otras formas de codificación binaria. codificación, como el código Gray y la codificación binaria plegada, etc. La Tabla 2-1 muestra estas tres codificaciones binarias. Cada una de estas tres codificaciones tiene sus propias ventajas y desventajas: (1) La codificación binaria natural corresponde a números binarios uno a uno y es simple y fácil de usar. Cada bit tiene un tamaño determinado y está organizado. en orden desde el bit más alto hasta el bit más bajo. Compare tamaños directamente y realice operaciones aritméticas. Los códigos binarios naturales se pueden convertir directamente en señales analógicas mediante un convertidor de digital a analógico, pero en algunos casos, como la conversión de decimal 3 a 4, cada bit del código binario debe cambiar, por lo que el circuito digital producirá mucho. de ruido. Grandes pulsos de corriente de pico. (2) La codificación en escala de grises no tiene este inconveniente. Cuando convierte entre niveles adyacentes, solo hay un cambio original. La codificación en escala de grises no es codificación ponderada. Cada bit de codificación tiene un tamaño incierto y no puede comparar tamaños directamente y realizar operaciones aritméticas. , no se puede convertir directamente en una señal analógica. Debe someterse a una transformación de codificación antes de poder convertirse en un código binario natural. (3) El código binario plegado es simétrico hacia arriba y hacia abajo a lo largo del nivel central y es adecuado para representar señales bipolares con simetría positiva y negativa. Su bit más alto se utiliza para distinguir las amplitudes positivas y negativas de la señal. Los códigos plegables tienen una fuerte resistencia a errores.

Tabla 2-1 Niveles de cuantificación de varias codificaciones binarias

Niveles de cuantificación Codificación binaria natural Codificación gris Codificación binaria plegada

0000000011

1001001010

2010011001

3011010000

4100110100

5101111101

6110101110

7111100111

En teoría de la comunicación, la codificación se divide en dos categorías: codificación de fuente y codificación de canal. La denominada codificación de fuente se refiere a eliminar información redundante de la fuente de la señal para formar una señal adecuada para la transmisión. Para suprimir la interferencia del ruido del canal en la señal, a menudo es necesario recodificar la señal en una forma que no se confunda fácilmente con interferencia en el extremo receptor. Esto es lo que se denomina codificación de canal. Para hacer frente a la interferencia, debe llevar más tiempo transmitir algunas señales repetitivas redundantes, ocupando así más ancho de banda. Este es un principio básico en la teoría de la comunicación.