Устройство, которое на стороне передатчика обеспечивает преобразование компьютерного цифрового сигнала в

Обновлено: 21.11.2024

Цифровой сигнал. Цифровой сигнал – это сигнал, представляющий данные в виде последовательности дискретных значений. в любой момент времени он может принимать только одно из конечного числа значений.

Аналоговый сигнал. Аналоговый сигнал – это любой непрерывный сигнал, для которого свойство сигнала, изменяющееся во времени, является представлением некоторой другой изменяющейся во времени величины, т. е. аналогично другому изменяющемуся во времени сигналу.

Для аналого-цифрового преобразования можно использовать следующие методы:

а. ИМПУЛЬСНАЯ КОДОВАЯ МОДУЛЯЦИЯ:

Выборка
Квантование
Кодировка

Фильтр нижних частот:
Фильтр нижних частот устраняет высокочастотные компоненты, присутствующие во входном аналоговом сигнале, чтобы гарантировать, что входной сигнал на сэмплер свободен от нежелательных частотных компонентов. сигнал сообщения.

Сэмплирование. Первым шагом в PCM является сэмплирование. Выборка — это процесс измерения амплитуды непрерывного сигнала в дискретные моменты времени с преобразованием непрерывного сигнала в дискретный. Существует три метода выборки:

(i) Идеальная выборка: при идеальной выборке, также известной как мгновенная выборка, отбираются импульсы аналогового сигнала. Это идеальный метод выборки, и его нелегко реализовать.

(ii) Естественная выборка: Естественная выборка — это практичный метод выборки, при котором импульсы имеют конечную ширину, равную T. Результатом является последовательность выборок, сохраняющих форму аналогового сигнала.

(iii) Отбор проб с плоской вершины: по сравнению с естественным отбором проб можно легко получить отбор проб с плоской вершины. В этом методе семплирования верхняя часть сэмплов остается постоянной за счет использования схемы. Это наиболее распространенный метод выборки.

Мы предполагаем, что сигнал имеет амплитуду между Vmax и Vmin
Мы делим его на L зон, каждая из которых имеет высоту d, где
d= (Vmax-Vmin)/ L

б. ДЕЛЬТА МОДУЛЯЦИЯ:

Поскольку PCM — очень сложный метод, были разработаны другие методы для уменьшения сложности PCM. Самый простой — дельта-модуляция. Дельта-модуляция находит изменение по сравнению с предыдущим значением.

Модулятор. Модулятор используется на стороне отправителя для создания потока битов из аналогового сигнала. Процесс регистрирует небольшое положительное изменение, называемое дельта. Если дельта положительна, процесс записывает 1, иначе процесс записывает 0. Модулятор создает второй сигнал, напоминающий лестницу. Затем входной сигнал сравнивается с этим постепенно создаваемым лестничным сигналом.

Если входной аналоговый сигнал выше, чем последнее значение лестничного сигнала, увеличьте дельту на 1, и бит в цифровых данных будет равен 1.
Если входной аналоговый сигнал ниже последнего значения лестничного сигнала, уменьшите дельту на 1, а бит в цифровых данных будет равен 0.

в. АДАПТИВНАЯ ДЕЛЬТА-МОДУЛЯЦИЯ:

Производительность дельта-модулятора может быть значительно улучшена, если сделать размер шага модулятора изменяющимся во времени. Больший размер шага необходим, когда сообщение имеет крутой наклон модулирующего сигнала, и меньший размер шага необходим, когда сообщение имеет небольшой наклон. Размер адаптируется в соответствии с уровнем входного сигнала. Этот метод известен как адаптивная дельта-модуляция (ADM).

Соберите от двух до пяти измерений с помощью системы измерения расстояния. В левой колонке поместите истинные расстояния, определенные вашими глазами, смотрящими на курсор и линейку. В правой колонке поместите измеренные расстояния, определенные вашей системой. Когда вы введете как минимум два набора данных, нажмите кнопку "Рассчитать".

Истинные ценности | Измеренные значения | Ошибки

Количество наборов данных
Максимальная ошибка
Средняя ошибка

Lab8_Demo

Демонстрация окончательного решения Лаборатории 8

14.7. Контроллер роботизированного автомобиля, EE319K/EE319H, учащиеся могут пропустить раздел 14.7

Цель состоит в том, чтобы автономно управлять автомобилем-роботом по дороге. Автономное вождение — сложная задача, и мы значительно упростили ее и будем использовать эту простую задачу для иллюстрации компонентов системы управления. Каждая система управления имеет реальные параметры, которыми она хочет управлять. Эти параметры называются переменными состояния.В нашей системе мы хотим ехать по середине дороги, поэтому переменными состояния будут расстояние до левой стороны дороги и расстояние до правой стороны дороги, как показано на рис. 14.7. Когда мы будем посреди дороги, эти два расстояния будут равны. Итак, давайте определим Error как:

Ошибка = D_слева – D_справа

Если Error равно нулю, мы находимся в середине пути, поэтому контроллер попытается обнулить параметр Error.

Рисунок 14.7. Физическая схема автономного робота в том виде, в каком он движется по дороге.

Видео 14.6а. ИК-датчик для автомобиля-робота

Dслева = 241814/слева

Направо = 241814/ Направо

На рис. 14.8 показана точность этой системы сбора данных, где расчетное расстояние с использованием приведенного выше уравнения отображается в зависимости от истинного расстояния.

Рисунок 14.8. Точность измерения датчика расстояния Sharp GP2Y0A21YK0F, используемого для измерения расстояния до стены.

Далее нам нужно расширить робота, созданного в примере 12.2. Сначала мы создадим два драйвера двигателей и подключим по одному к каждому колесу, как показано на рис. 14.9. Будет два выхода PWM: PA6 управляет правым двигателем, прикрепленным к правому колесу, а PA5 управляет левым двигателем, прикрепленным к левому колесу. Двигатели классифицируются как приводы, потому что они воздействуют на мир силой. Как и в примере 12.2, мы напишем программное обеспечение для создания двух выходов ШИМ, чтобы мы могли независимо регулировать мощность каждого двигателя. Если трение постоянно, сопротивление двигателя R будет фиксированным, а мощность будет

Мощность = (8,4 2 /R)*H/(H+L)

При создании ШИМ период (H+L) фиксирован, а рабочий цикл изменяется путем изменения H. Таким образом, мы видим, что контроллер робота изменяет H, это оказывает линейное влияние на мощность, подаваемую на двигатель.

Рисунок 14.9. Схема автомобиля-робота. Один двигатель соединен с другим по схеме, противоположной проводу, потому что для движения вперед один двигатель должен вращаться по часовой стрелке, а другой - против часовой стрелки.

Токи могут варьироваться от 500 мА до 1 А, поэтому используются транзисторы Дарлингтона TIP120, поскольку они могут потреблять ток до 3 А, см. спецификацию. Обратите внимание на темные черные линии на рис. 14.9; эти линии обозначают пути этих больших потоков. Обратите внимание также, что токи не проходят внутрь или наружу LaunchPad. На рис. 14.10 показан автомобиль-робот. Два ИК-датчика расположены спереди под углом примерно 45 градусов.

Рисунок 14.10. Фотография автомобиля-робота.

Видео 14.7 . Демонстрация автономного робота

На рис. 14.11 показан контур обратной связи системы управления. Переменные состояния: D_left и D_right. Два датчика создают напряжения, которые зависят от этих двух переменных состояния. АЦП производит выборку этих двух напряжений, а программное обеспечение вычисляет оценки Dleft и Dright. Ошибка — это разница между Dleft и Dright. Правый двигатель работает с постоянным рабочим циклом 40%, в то время как рабочий цикл левого двигателя регулируется в попытке проехать по середине дороги. Мы ограничим рабочий цикл левого двигателя от 30% до 50%, чтобы он не перекомпенсировался и не вращался по кругу. Если робот находится ближе к левой стене ( Dleft Dright ) ошибка будет отрицательной и больше мощности будет приложено к левому двигателю, поворачивая его вправо. И наоборот, если робот находится ближе к правой стене ( Dleft > Dright ), ошибка будет положительной и на левый мотор будет поступать меньшая мощность, поворачивая его влево. Как только робот окажется посреди дороги, ошибка будет равна нулю, а мощность не изменится. Этот алгоритм управления можно записать в виде набора простых уравнений. Число «200» — это коэффициент усиления контроллера, который определяется методом проб и ошибок, когда робот находится на дороге. Если медленно реагирует, то увеличиваем усиление. Если он реагирует слишком быстро, мы уменьшаем усиление.

Ошибка = Dleft - Dright

LeftH = LeftH – 200*Ошибка;

if(LeftH > 50*800) LeftH=50*800; // не более 50%

LeftL = 80000 - LeftH; // постоянный период

Наблюдение: В области систем управления популярным подходом является ПИД-управление, что означает пропорциональную интегральную производную. Приведенный выше простой алгоритм фактически реализует интегральный член ПИД-регулятора. Кроме того, два оператора if в управляющем программном обеспечении реализуют функцию, называемую защитой от сброса.

Эти уравнения контроллера выполняются в SysTick ISR, поэтому контроллер работает с периодической скоростью.

Рисунок 14.11. Блок-схема замкнутого контура, используемого в машине-роботе.

Видео 14.6b . Система управления роботом

двоичные сигналы, цифровая связь, информационные технологии

Автомобиль выезжает из туннеля Сион-Маунт-Кармель в Национальном парке Сион, штат Юта. Предоставлено: Викисклад.

Наконец-то лето! Вы и ваша семья находитесь в путешествии по пересеченной местности. У вас включено радио, и вы все подпеваете своей любимой песне. Вы проезжаете тоннель, и музыка останавливается. Если вы слушаете местную радиостанцию, музыка станет статической, но если вы слушаете спутниковое радио, музыка полностью замолкнет. Радио, будь то спутник или эфир, передается в виде сигнала, который интерпретируется вашим устройством. Если вы слушаете спутниковое радио, сигнал будет цифровым, а если вы слушаете вещание или «эфирное» радио, то сигнал будет аналоговым. В следующих упражнениях мы больше узнаем об особенностях цифровых и аналоговых сигналов, моделируя, как эти два типа сигналов передаются и используются для хранения информации.

Аналоговый или обычный Цифровые сигналы

Цифровые и аналоговые сигналы передаются посредством электромагнитных волн. Изменения частоты и амплитуды создают музыку, которую вы слушаете, или изображения, которые вы видите на экране. Аналоговые сигналы состоят из непрерывных волн, которые могут иметь любые значения частоты и амплитуды. Эти волны бывают гладкими и изогнутыми. С другой стороны, цифровые сигналы состоят из точных значений единиц и нулей. Цифровые волны имеют ступенчатый вид.

Аналоговые сигналы подвержены искажениям, поскольку даже небольшие ошибки в амплитуде или частоте волны изменят исходный сигнал. Цифровые сигналы являются более надежной формой передачи информации, поскольку ошибка в значении амплитуды или частоты должна быть очень большой, чтобы вызвать переход к другому значению.

Аналоговый	цифровой
Сигналы состоят из бесконечного числа возможных значений.	Сигналы состоят только из двух возможных значений: 0 или 1.
Звуковые сигналы могут плавно изменяться по громкости и высоте.	Сигнал переходит от одного значения к другому.

Эти два типа сигналов используются для связи и отправки информации в различных формах, таких как радиопередача, текстовые сообщения, телефонные звонки, потоковое видео и видеоигры. Они также могут использоваться для хранения информации и данных. Хранилище данных используется крупными компаниями, такими как банки, для хранения записей. Частные лица также используют хранилище данных в личных целях, например для хранения файлов, фотографий, результатов игр и многого другого.

Узнайте больше о возможностях хранения данных в серии статей Science Friday, File Not Found .

Призраки в барабанах

Интерьер ленточной библиотеки StorageTek в NERSC. Предоставлено: Викисклад.

Упражнение 1: Моделирование сигнала связи

В этом упражнении учащиеся будут моделировать отправку аналоговых и цифровых сигналов, как в детской игре «телефон», но в форме копирования серии рисунков. Это упражнение моделирует ключевые различия между цифровыми и аналоговыми сигналами в их разрешении и точности сигнала. Учащиеся выполнят две симуляции: одну, имитирующую многократную передачу аналогового сигнала, и одну, имитирующую многократную передачу цифрового сигнала.

Аналоговые изображения состоят из закругленных линий, чтобы показать, что аналоговые волны могут иметь бесконечные значения.

Цифровые изображения состоят из прямых линий, которые следуют сеткам на раздаточном материале, показывая, как цифровые сигналы состоят из квантованных значений.

Материалы

— Черная ручка или маркер с тонким наконечником (учащимся не разрешается несколько попыток воссоздать изображение)

— Одна копия каждого из 5 цифровых и 5 аналоговых пришельцев на таблицу (по одному типу пришельцев на человека) со страниц чертежей моделирования сигналов связи

Настройка учителя

Разбейтесь на группы по пять человек вокруг стола. (Пять – это количество инопланетян, представленное в наборе, а также предоставляет учащимся оптимальные возможности для рисования заданных инопланетян.)

Моделирование сигнала связи Указания для учащихся

Мы собираемся смоделировать обмен сообщениями во времени и на расстоянии. Это задание требует передачи бумаги от человека к человеку, чтобы каждый человек воспроизвел на ней рисунок, а затем передал его следующему человеку за вашим столом. Передача бумаги и воспроизведение рисунка имитируют время и пространство, по которым распространяются сигналы. В первой части задания мы будем моделировать аналоговые сигналы. Во второй части мы будем моделировать цифровые технологии.

Разрежьте бумагу по пунктирной линии и склейте две половинки встык.
В сетке справа от инопланетянина используйте ручку или маркер, чтобы максимально перерисовать изображение инопланетянина. Вам не разрешается стирать или исправлять свой рисунок. Вам будет дано две минуты, чтобы завершить рисунок.

Вопросы об активности

(Заполнить после аналогового и цифрового раундов)

Разверните свои рисунки инопланетян и посмотрите на изображения, нарисованные во время игры.

– Сравните исходное изображение с окончательным рисунком. Определите и опишите сходства и различия между двумя изображениями.

– Наблюдайте за развитием рисунков во время занятия. Определите и опишите, что изменилось во время каждого рисунка.

Примечание для учителя. В ходе аналогового моделирования учащиеся увидят, как крошечные изменения (искажения/шумы) в каждой копии изображения (сигнала) приводят к значительным искажениям конечного изображения после многократной передачи.

Сравнение аналогового и цифрового раундов

Сравните изображения из заданий 1-го и 2-го раундов.

– Какой раунд привел к более точному финальному жеребьевке? Подтвердите свой выбор доказательствами из упражнения.

Примечание для учителя. В моделировании цифрового раунда изображения инопланетян состоят из прямых линий, которые следуют сеткам на раздаточном материале, показывая, как цифровые сигналы состоят из квантованных или ограниченного числа значений. Когда учащиеся сравнивают изображения, переданные ими с помощью аналоговых и цифровых «сигналов», они заметят, что в изображении, переданном в цифровом виде, даже после многократной передачи мало искажений, в отличие от того, что они наблюдали, когда передавали изображение с помощью аналогового сигнала.

Предотвращение «цифрового темного века»

Задание 2. Сортировка цифровых и аналоговых сигналов

В этом упражнении учащиеся познакомятся с характеристиками цифровых и аналоговых сигналов и применят свои характеристики для выбора цифрового или аналогового хранилища для конкретного примера.

Материалы

Настройка учителя

Разбейте учащихся на группы по три человека.
Подготовьте и перемешайте набор карточек для каждой группы.
Поделитесь критерием CER со студентами.

Указания для учащихся

Рассортируйте изображения и утверждения по двум категориям: цифровые сигналы и аналоговые сигналы.
Используйте отсортированные изображения и утверждения, чтобы направлять свои мысли при заполнении письменной подсказки.

Подсказка о написании

Какой тип сигнала вы бы предложили для записи очень подробной песни исчезающей птицы? Подтвердите свой выбор доказательствами из вашей карты. Используйте критерий «утверждения-доказательства-обоснование» (CER), чтобы помочь вам в написании.

Совместная программа преподавателей Science Friday 2019

Действие 3: Двоичное преобразование

В этом упражнении мы будем использовать двоичное кодирование для представления путей через ряд «высоких» и «низких» вариантов выбора, которые представляют, какой путь выбрать на логической карте. Учащиеся будут действовать как цифро-аналоговые преобразователи для декодирования двоичных импульсов и создания изображения путем преобразования импульсов в цветные пиксели.

Музыка, передаваемая в ваш автомобиль по спутниковому радио, и информация, хранящаяся в библиотеках данных, представляют собой цифровые сигналы, использующие двоичную систему. В двоичной системе есть только две цифры, 1 и 0. Значение или значение этих цифр может варьироваться. Например, они могут обозначать «истина» и «ложь», «включено» и «выключено» или «высокое» и «низкое».

На этом рисунке показано, как можно использовать двоичное кодирование для представления путей с помощью ряда «высоких» и «низких» вариантов. Следование двоичному коду укажет путь к логической карте и поможет найти нужные цвета.

«1» указывает на «высокий» путь, а «0» — на «низкий» путь. С помощью этой карты, называемой «картой логических ворот», двоичная последовательность 0 и 1 может указывать, когда «идти вверх» или «идти вниз», передавая путь на карте для «кодирования» для цвета. Например, используя приведенную выше логическую карту, 010 будет означать, что «0» идет вниз, «1» идет вверх, «0» идет вниз. Это будет кодировать зеленый цвет.

Теперь вы попробуете

Используйте эту таблицу, чтобы определить, какой цвет будет кодироваться числом 111?

Если вы закончили черным цветом, вы его получили!

Цифровые сигналы передаются на компьютеры в виде электронных сигналов, посылаемых в виде импульсов. Цифровое устройство интерпретирует напряжение каждого импульса как 0 или 1. На изображении ниже показан пример оцифрованной волны.

Используя этот график, где красные линии в верхней части представляют собой «1», а красные линии в нижней части представляют «0», вы можете видеть, что вся красная линия представляет собой последовательность единиц и нулей. вверху графика: 11001110111011.

Если бы нам нужно было использовать каждую группу из трех чисел, чтобы найти соответствующий цвет в таблице выше, мы бы использовали:

110 — розовый
011 — синий
101 — красный

Пояснения к пикселям

Большинство электронных устройств, таких как смартфоны, компьютеры и телевизоры, используют технологию жидкокристаллических дисплеев (ЖК-дисплеев). Экран состоит из миллионов крошечных кусочков, называемых пикселями. Электронное устройство получает закодированную информацию в виде цифровых сигналов и использует электричество для управления цветом пикселей. Каждый крошечный пиксель просто меняет один цвет на другой в зависимости от электрического сигнала, но, поскольку пиксели настолько малы, что ваш глаз улавливает движение на общем изображении. Удивительным примером этого в природе являются чешуйки или «пиксели» на изображении крыла бабочки ниже и в этом классном видео.

Сложные узоры на крыльях мотылька состоят из отдельных клеток, которые выражают разные цвета. Предоставлено: Викисклад.

Как работает задание?

Каждому учащемуся назначается цифровой волновой график, как показано на рисунке ниже. Используя карту логических элементов, учащиеся будут декодировать сигнал в цвета пикселей для части мозаики.

Чтобы создать собственный мозаичный шедевр в классе, четыре класса дополняют панель большой фрески Post-it.

Фреска, созданная четырьмя классами, представляет собой сцену океана. Фото: Андреа ЛаРоса

Материалы

— Бумага формата Legal, разрезанная пополам по длине для этикеток с сеткой

— Восемь досок для плакатов размером 22×28 дюймов (рекомендуется использовать по две на класс):

— 2 стикера Post-it размером 2 дюйма:

— Примечание для преподавателей: из приведенных выше наборов получится полная мозаика с правильными цветами (154 стикера Post-it на плакат). Если стикеры Post-it недоступны, учащиеся могут раскрасить сетку маркерами.

Подготовка

Распечатайте бинарные последовательности учащихся и таблицы назначения сетки. Разрежьте эти листы по пунктирным линиям и дайте каждому учащемуся заданную последовательность и соответствующую таблицу сетки. Ваша установка должна выглядеть так:

Процедура для учащихся

Расшифровка: вы расшифруете 10-12 квадратов на сетке. Ниже приведен пример графа двоичной последовательности. Красная линия представляет собой цифровое представление сигнала. Используйте назначенный вам график сигнала и логическую карту, чтобы декодировать двоичную последовательность и цвет в таблице сетки. Прежде чем переходить к построению мозаики, уточните свои ответы у учителя.

Конструкция: получите количество и цвета стикеров для вашего участка мозаики. Поместите свои стикеры на соответствующие квадраты в сетке плакатной доски.

Совет учителю: создайте заранее размеченную доску для плакатов, чтобы помочь учащимся создать мозаику. Фото: Андреа ЛаРоса

Добавьте стикеры на сетку плаката в правильном порядке. При этом думайте о каждом квадрате на сетке как о пикселе, а о выборе цвета — как о результате обработки двоичного кода для получения правильного цвета!

— Что сделал ваш класс?

— Как вы думаете, можно ли создать руководство по двоичному коду для создания росписи?

Занятие 4: Моделирование сигнала и отражение двоичного преобразования

Материалы

Настройка учителя

Поделитесь с учащимися раздаточным материалом «Имитация сигнала и отражение двоичного преобразования» и критерием CER.

Подсказка о написании

— Используйте следующие таблицы, чтобы определить, какой тип сигнала, цифровой или аналоговый, является более надежным способом кодирования и передачи информации. Предоставьте три доказательства, подтверждающие ваше утверждение, основанные на ваших выводах, полученных в ходе обучения по моделированию сигналов и бинарному преобразованию.

Истинные ценности | Измеренные значения | Ошибки

Количество наборов данных
Максимальная ошибка
Средняя ошибка

Lab8_Demo

Демонстрация окончательного решения Лаборатории 8

14.7. Контроллер роботизированного автомобиля, EE319K/EE319H, учащиеся могут пропустить раздел 14.7

Цель состоит в том, чтобы автономно управлять автомобилем-роботом по дороге. Автономное вождение — сложная задача, и мы значительно упростили ее и будем использовать эту простую задачу для иллюстрации компонентов системы управления. Каждая система управления имеет реальные параметры, которыми она хочет управлять. Эти параметры называются переменными состояния. В нашей системе мы хотим ехать по середине дороги, поэтому переменными состояния будут расстояние до левой стороны дороги и расстояние до правой стороны дороги, как показано на рис. 14.7. Когда мы будем посреди дороги, эти два расстояния будут равны. Итак, давайте определим Error как:

Ошибка = D_слева – D_справа

Если Error равно нулю, мы находимся в середине пути, поэтому контроллер попытается обнулить параметр Error.

Рисунок 14.7. Физическая схема автономного робота в том виде, в каком он движется по дороге.

Видео 14.6а. ИК-датчик для автомобиля-робота

Dслева = 241814/слева

Направо = 241814/ Направо

Мощность = (8,4 2 /R)*H/(H+L)

Рисунок 14.10. Фотография автомобиля-робота.

Видео 14.7 . Демонстрация автономного робота

Ошибка = Dleft - Dright

LeftH = LeftH – 200*Ошибка;

if(LeftH > 50*800) LeftH=50*800; // не более 50%

LeftL = 80000 - LeftH; // постоянный период

Эти уравнения контроллера выполняются в SysTick ISR, поэтому контроллер работает с периодической скоростью.

Рисунок 14.11. Блок-схема замкнутого контура, используемого в машине-роботе.

Видео 14.6b . Система управления роботом

Читайте также: