Кодирующие и декодирующие устройства

4.7.1. Шифраторы и дешифраторы. Основными видами преобразова­ния информации являются шифрование и дешифрование (сжатие данных и обратное преобразование). Для реализации таких преоб­разований служат шифраторы и дешифраторы. Они представляют собой комбинационные устройства, поскольку состоят только из логических элементов, а элементов памяти не имеют. Шифраторы преобразуют код «1 из N» в двоичный код, а дешифраторы — двоичный код в код «1 из N». Число разрядов двоичного кода обыч­но меньше N, поэтому операцию шифрования можно считать сжатием данных. Иными словами, шифратор превращает сигнал 1 на одном из нескольких входных зажимов в выходную кодовую комбинацию. Поэтому для шифратора используется также назва­ние «кодер», а на его условном обозначении пишут буквы CD. Дешифратор превращает комбинацию из нулей и единиц на вхо­де в сигнал 1 только на одном единственном из нескольких вы­ходных зажимов. Поэтому для дешифратора используется также название «декодер», а на его условном обозначении пишут DC.

Как и для других комбинационных устройств, для шифраторов и дешифраторов связь между входными и выходными сигналами можно задать с помощью логических функций или таблиц истин­ности. Для синхронизации выходных сигналов этих преобразова­телей тактовыми импульсами используют дополнительные входы. В этом случае преобразователи называют стробируемыми. Строби­рование — это выделение сигнала в определенный момент време­ни. Наличие входов стробирования расширяет функциональные возможности шифраторов и дешифраторов.

Дешифраторы широко применяются в устройствах управления, вывода информации на цифровые индикаторы, в коммутаторах для распределения сигналов по различным цепям.

Различают полные и неполные дешифраторы. Число выходов у полного дешифратора N_BbIX = 2ⁿ, а у неполного N_Bblx < 2ⁿ, где п — число двоичных разрядов (число входов). На рис. 7.22, а приведено условное графическое обозначение полного стробируемого дешифратора «1 из 8», а табл. 1 представляет собой его таблицу истинности.

Существуют два способа стробирования дешифраторов: введением дополнительного входа в каждый элемент и блокированием всех элементов через одну из входных цепей.

С помощью дешифраторов в вычислительных устройствах могут быть реализованы различные логические функции, а также преобразование кода одного типа в код другого типа. В качестве примера приведена таблица истинности преобразователя двоично-десятичного кода в код «3 из 5» (табл. 2). Такой преобразователь имеет четыре входа (а при необходимости стробирования — пять) и пять выходов (v, w, х, у, z). В любой выходной кодовой комбинации (т.е. при любом входном сигнале) всегда будут три единицы и два нуля. Данный код способен выявить одиночную ошибку при передаче. Если из-за какой-то случайной причины (помехи) устройство, принимающее такой код, выявит наличие большего или меньшего числа единиц, то станет ясно, что вкралась ошибка. Существуют специальные коды, не только выявляющие ошибку, но и определяющие разряд, в котором она имеется.

Шифратор — это комбинационное устройство, преобразующее код «1 из N» в двоичный код. Полный шифратор имеет 2ⁿ входов и п выходов. Одно из основных применений шифратора — ввод дан­ных с клавиатуры, при котором нажатие на клавишу с десятич­ной цифрой должно приводить к передаче в устройство этой цифры в двоичном коде. При нажатии любой из десяти цифровых кла­виш единица появляется только на одном из десяти входов шиф­ратора Х₀, Х₁, …, Х₉. На выходе шифратора должен появиться двоичный код (у₀ у_х у₂ y₃) введенного десятичного числа. Из табли­цы истинности (табл. 3) видно, что в этом случае нужен преобразователь с десятью входами и четырьмя выходами, т.е. так на­зываемый шифратор «10 — 4».

На выходе у₀ единица должна появиться при нажатии лю­бой нечетной клавиши (Х₁, Х₃, Х₅, Х₇, Х₉), т.е. у₀ = Х₁ v Х₃ v Х₅ v Х₇ v Х₉. Состояние остальных выходов определяется следующими логи­ческими функциями:

y₁ = Х₂ v Х₃ v Х₆ v Х₇; у₂ = Х₄ v Х₅ v Х₆ v Х₇; у₃ = X₈ v Х₉.

Следовательно, для реализации указанного шифратора пона­добятся четыре логических элемента ИЛИ: пятивходовый, два че­тырехвходовых и двухвходовый.

4.7.2. Аналого-цифровые преобразователи. Аналого-цифровой преоб­разователь (АЦП) предназначен для автоматического преобразо­вания (измерения и кодирования) непрерывно изменяющихся во времени (т.е. аналоговых) величин в соответствующие значения числовых кодов. В данном случае под словом «цифра» понимается двоичный код. Когда говорят о цифровой звукозаписывающей и воспроизводящей аппаратуре или о цифровой телефонии, то под­разумевают, что непрерывно изменяющий­ся звуковой сигнал записывается или пере­дается оцифрованным, т.е. в виде двоичных (бинарных) кодов.

В зависимости от способа преобразования АЦП подразделяют на последовательные, параллельные и последовательно-параллельные. На рис. 3 показана схема АЦП последовательного типа.

По команде «Пуск» цифровой автомат ЦА вырабатывает последовательность двоичных чисел, которые поступают на вход цифро-аналогового преобразователя ЦАП, вырабатывающего напряжение U_ЦАП, соответствующее каждому входному двоичному сигна­лу. Это напряжение (непрерыв­но растущее, пока работает ЦА) подается на один из входов ком­паратора К, на другой вход ко­торого поступает входное напря­жение U_ВХ. Компаратор сравни­вает эти два напряжения и вы­дает сигнал при их равенстве. По этому сигналу ЦА останавлива­ется, а на его выходе фиксиру­ется двоичный код, соответству­ющий U_ВХ. Таким образом, пре­образование в последовательном АЦП происходит в ступенчатом режиме. Выходное значение отдельными шагами (тактами), т.е. последовательно, приближается к измеряемому значению. Поэтому последовательные АЦП на каж­дое преобразование аналогового сигнала затрачивают много вре­мени. Для повышения их быстродействия используется метод по­разрядного уравновешивания.

Роль цифрового автомата выполняет регистр Рг с датчиком тактовых импульсов ДТИ. Считывание выходного кода происходит по сигналу схемы готовности данных СГД, который подается при поступлении сигнала от компаратора К о равенстве входного на­пряжения U_BX и напряжения U_ЦАП. Работа компаратора синхрони­зирована импульсами ДТИ. Эти же импульсы последовательно переводят разряды регистра Рг в состояние 1. Перевод начинается со старшего разряда, а младшие остаются в состоянии 0. При этом ЦАП вырабатывает соответствующее напряжение, которое сравнивается в компараторе К с входным. Если U_ЦАП > U_BX, то по ко­манде компаратора старший разряд сбрасывается в состояние 0; если U_ЦАП < U_BX, то в старшем разряде остается 1. Затем в состоя­ние 1 переводится следующий по старшинству разряд Рг и снова производится сравнение напряжений U_ЦАП и U_BX. Цикл повторяет­ся до тех пор, пока не будет зафиксировано равенство указанных напряжений при переводе в состояние 1 какого-то из младших разрядов. После этого СГД подает сигнал о выдаче выходного кода. Число циклов сравнения в таком АЦП будет равно числу разря­дов выходного кода.

Наиболее быстродействующими являются АЦП параллельного типа. Преобразование аналогового сигнала в код в них осуществляется за один шаг, но такие АЦП требуют нескольких компара­торов. Входное напряжение одновременно сравнивается во всех компараторах с несколькими опорными напряжениями. Параллельные АЦП имеют большее число элементов, чем последова­тельные.

Рассмотрим работу параллельного трехразрядного АЦП (рис. 5). Тремя двоичными разрядами можно представить восемь чи­сел — от 0 до 7. Поэтому используются семь компараторов для сравнения входного напряжения с опорными напряжениями, получаемыми с помощью резисторного делителя. От каждого ком­паратора поступает сигнал 0, если входное напряжение меньше опорного, и 1 — в противном случае.

Преобразователь кода выдает двоичное трехразрядное число. Время преобразования параллельных АЦП может составлять несколько десятков наносекунд, что в сотни раз быстрее, чем у последовательных АЦП.

Аналого-цифровые преобразователи используются для преоб­разования звуковых аналоговых сигналов в цифровой телефонии, цифровой записи звукового сопровождения в компьютерных иг­рах, записи речи и музыки в цифровом формате и последующего воспроизведения аудио- и видеоинформации не только на соот­ветствующих цифровых проигрывателях, но и с помощью компь­ютеров.

Стандартный цифровой канал с пропускной способностью 64 Кбит/с разработан и уже широко используется прежде всего для передачи в реальном масштабе времени речи, т.е. аналоговых сигналов в полосе частот 0,3...3,4 кГц. Чтобы указанные сигналы преобразовать в цифровой поток со скоростью передачи инфор­мации по каналу связи 64 Кбит/с, осуществляют три операции: дискретизацию, квантование и кодирование. Такие же преобразо­вания используются и для компьютерной телефонии.

В цифровой телефонии достоинства цифрового сигнала про­явились особенно ярко. Сам метод преобразования аналогового сигнала получил название импульсно-кодовая модуляция (ИКМ). Аппаратура ИКМ позволяет по одной паре проводов передавать практически одновременно сотни и тысячи телефонных разгово­ров. При этом необходимо решать проблемы управления таким процессом передачи информации. Каждую семиразрядную ком­бинацию сопровождает восьмой импульс, используемый для уп­равления. Таким образом, скорость передачи сообщений в стандартном цифровом канале В =64 Кбит/с.

Для повышения точности аналого-цифрового преобразования телефонных сигналов используется неравномерное квантование.

В общем случае точность аналого-цифрового преобразования тем выше, чем меньше размер шагов квантования, поскольку расстояние между соседними уровнями и есть размер шага квантова­ния.

Для исходных сигналов малой величины относительная вели­чина ошибки очень велика. Например, исходный сигнал, равный половине напряжения первого уровня, после квантования будет передаваться как сигнал 1-го уровня, в результате чего относи­тельная ошибка составит 50%. Поэтому при аналого-цифровом преобразовании телефонного сигнала применяется неравномер­ное квантование.

В цифровых системах передачи (ДСП) применяются сегмент­ные неравномерные характеристики квантования, поскольку они достаточно просто реализуются на цифровой основе.

В цифровой телефонии используется понятие отношение «сиг­нал—шум квантования» (ОСШК). Величину ОСШК измеряют в децибелах (дБ). В системах ИКМ с равномерным квантованием кодовое пространство используется весьма неэффективно: для малого сигнала ОСШК составляет 26 дБ, а для сигнала с максимальной амплитудой — 56 дБ.

При неравномерном квантовании ОСШК одинаково для всех уровней сигналов. При неодинаковых размерах шагов квантования между кодовыми комбинациями и соответствующими им значени­ями амплитуд импульсов существует нелинейное соотношение.

Нелинейное преобразование аналогового сигнала в цифровой при неравномерном квантовании называют компрессированием, а обратное нелинейное преобразование на приемной стороне, при котором аналоговый сигнал восстанавливается из цифрового, на­зывают экспандированием. Процесс, при котором сначала осуще­ствляется компрессирование, а затем экспандирование сигнала, носит название компандирование.

По мере распространения компьютеров возникла необходимость быстрой передачи информации между ними. Сложнее всего ока­залось связать компьютеры, расположенные на большом расстоя­нии друг от друга. Прокладка специальных линий связи представ­лялась очень дорогой. В то же время уже существовала телефонная сеть, охватывающая весь земной шар. Однако телефонные каналы позволяют передавать только аналоговый сигнал, компьютер же работает только с дискретным (цифровым) сигналом.

Поэтому были разработаны специальные устройства, предназ­наченные для преобразования дискретных (цифровых) сигналов в аналоговую форму, передачи полученного сигнала по телефон­ной линии и приема аналогового сигнала из телефонной линии с последующим преобразованием его в цифровую форму для подачи в компьютер (рис. 6). Такое устройство получило название «модем». На рис. 6 показана общая схема со­единения компьютеров при помощи модема.

4.7.3. Цифроаналоговые преобразователи. Цифроаналоговый преобра­зователь (ЦАП) предназначен для автоматического преобразования (декодирования) входных величин, представленных число­выми кодами, в соответствующие им значения непрерывно изме­няющихся во времени (т.е. аналоговых) величин. Иными слова­ми, ЦАП выполняет обратное по сравнению с АЦП преобразова­ние. Выходные физические величины АЦП чаще всего представ­ляют собой электрические напряжения и токи, но могут быть также временными интервалами, угловыми перемещениями и т.п. В си­стеме автоматики с ЭВМ удобнее обрабатывать (преобразовывать и передавать) цифровой сигнал, но человеку (оператору) при­вычнее и удобнее воспринимать аналоговые сигналы, соответству­ющие значениям числовых кодов. С помощью АЦП информация вводится в ЭВМ, а с помощью ЦАП она выводится из ЭВМ для воздействия на управляемый объект и восприятия человеком.

В схемах ЦАП обычно используется представление двоичного числа, состоящего из нескольких разрядов, в виде суммы степе­ней числа 2. Каждый разряд (если в нем записана единица) пре­образуется в аналоговый сигнал, пропорциональный числу 2 в степени, равной номеру разряда, уменьшенному на единицу.

На рис. 7 показана простая схема ЦАП, основу которой со­ставляет резистивная матрица — набор резисторов, которые под­ключаются ко входу операционного усилителя ключами, управ­ляемыми соответствующими разрядами двоичного числа. В качестве ключей могут быть использованы триоды (например МДП-транзисторы). Если в данном разряде записана 1, то ключ замкнут, если 0 — разомкнут.

Операционный усилитель — это аналоговое устройство (в от­личие от всех других рассматриваемых в данной главе устройств, которые являются цифровыми, или дискретными). Необходимость в нем обусловлена тем, что в ЦАП выходной сигнал является аналоговым. И входной, и выходной сигналы операционного уси­лителя представляют собой напряжения постоянного (в смысле неизменной полярности) тока. Отношение выходного напряже­ния к входному называется коэффициентом передачи. Операцион­ный усилитель является основным элементом для построения ана­логовых вычислительных машин. Подсоединяя к нему определен­ным образом резисторы и конденсаторы, можно обеспечить раз­личные функциональные зависимости выходного сигнала от вход­ного. При использовании операционного усилителя в схеме ЦАП необходимо, чтобы такая зависимость была строго пропорцио­нальной.

Компараторы

Для сравнения двух сигналов используются компараторы (от англ/ compare — сравнить). Они позволяют дать ответы на вопро­сы, равны или не равны два сигнала; если не равны, то какой из этих сигналов больше. Для сравнения двух двоичных чисел ну­жен цифровой компаратор. Связь между сиг­налами на выходах и входах компаратора при сравнении одно­разрядных чисел а и b, которые могут быть равны 1 или 0. На соответствующем выходе появляется логическая 1, когда в ука­занном соотношении находятся сигналы на входах. Так, если а = 1, b = 1 (числа одинаковы), то функция, характеризующая равен­ство чисел, F_a=b = 1, а функции, характеризующие их неравен­ство, F_{a > b} = 0 и F_{a < b} = 0.

Поиск по сайту: