Кодирование измерительных сигналов

В цифровых приборах измерительные сигналы выражаются и преобразуются в цифровых кодах. Цифровой код– это последовательность электрических импульсов. Импульсы цифрового кода имеют регламентированные значения амплитуды, крутизны фронта, длительности и так далее.

В общем случае кодированием называется отображение состояния одной физической системы с помощью состояния некоторой другой. Так как состояние системы можно отобразить некоторым набором знаков, то кодирование есть установление соответствия между двумя совокупностями знаков.

В цифровых приборах применяют в основном коды: двоичный, восьмеричный, шестнадцатеричный, двоично-десятичный и т.д.

Применение цифровых кодов облегчает обработку измерительной информации, выработку обобщенных характеристик результатов измерения (определение математических ожиданий, дисперсий, корреляционных функций и др.) и воспроизведение информации.

В цифровых кодах используются различные системы счисления, характеризуемые основанием R, дающим название коду, например, в двоичном коде R=2, в десятичном R=10 и т.д.

Запись числа в любой позиционной системе счисления можно представить в виде:

,

где a_i- принимает значения от 0 до R-1. В двоичной системе a_i принимает значения 0 или 1; в десятичной 0, 1, 2,…, 8, 9.

Пусть N=932;

R=10;

.

Частое использование двоичной системы в цифровой технике обусловлено тем, что для ее реализации необходимы элементы с двумя устойчивыми состояниями.

Каждое число характеризуется количеством разрядов n. Например число 4096 в десятичной системе имеет 4 разряда, а в двоичной 4096=2¹²=100000000000- двенадцать разрядов.

Для написания чисел в различных системах используют обычную десятичную символику. Если количества знаков не хватает, то вводят дополнительные обозначения. Например, при записи шестнадцатеричных чисел используют буквы А, В, С, …

Для представления чисел, принадлежащих различным системам счисления в виде электрических сигналов удобны комбинированные двоично-кодированные системы счисления, например, двоично-десятичные.

Такие системы позволяют использовать преимущества двоичного счисления при выполнении арифметических и логических операций, и наглядность отображения информации при десятичном счислении.

В двоично-десятичной системе каждое a_i=0…9 представляется четырехразрядным двоичным кодом. Так как четырехразрядный двоичный код позволяет представить 16 различных цифр, а для десятичной системы счисления необходимо всего десять значений, то возникает избыточность, которая используется для повышения надежности кодирования измерительной информации.

Несколько разрядов кода образуют число (или слово). Для двоичного кода наиболее часто применяют восьмиэлементную кодовую комбинацию, которую называют байт.

Различают последовательное и параллельное представления кодов в виде электрических сигналов. При последовательном представлении код передается по одному каналу последовательно, разряд за разрядом, обычно начиная с младших разрядов.

После окончания передачи каждой кодовой комбинации, характеризующей число, передается другая. Комбинации отделяются друг от друга либо паузой, либо специальным разделительным импульсом, либо для каждой комбинации выделяется свой интервал времени (цикл). В этом случае числа могут располагаться вплотную друг к другу (без пауз или разделительных импульсов).

При параллельной передаче кода используют столько шин, сколько разрядов в коде. При этом импульсы напряжения во все разряды подаются одновременно. Обычно число разрядов кода и число шин выбирают кратным 8, то есть байту.

Параллельная передача кода обеспечивает в n число раз (число разрядов) большую информационную скорость, чем последовательная. Однако она требует увеличения числа шин, приемной и передающей, согласующей аппаратуры.

Преобразование кодов из последовательного в параллельный и обратно осуществляется с помощью специальных схем, построенных на базе регистров и счетчиков.

Передача и работа с кодами может осуществляться в статическом потенциальном (асинхронном) и динамическом (синхронном) режимах. При статическом режиме напряжение или ток держится в шине столько времени, сколько необходимо для срабатывания устройства.

В динамическом режиме импульсы кода следуют синхронно с принудительной тактовой частотой, и появлению определенного разряда кода всегда соответствует определенный номер такта. Обычно эти номера не растут бесконечно, а повторяются циклично, причем длительность цикла и число тактов в нем соответствует периоду передачи или отработки всей кодовой комбинации и числу разрядов в коде, необходимых для проведения подготовительных операций.

Информационная способность кода и ее соотношение с пропускной способностью канала связи цифрового прибора

Наиболее распространенным применением кодирования сигнала является его передача между различными элементами цифрового измерительного прибора или ИИС. Связь осуществляется посредством канала связи.

Любое соотношение в каком-либо коде можно рассматривать как некоторую систему со многими случайными состояниями. Число таких состояний определяется числом комбинаций кода. Число возможных комбинаций:

N=mⁿ,

где m- основание системы счисления;

n- число разрядов.

Количество информации в коде:

,

где - вероятность появления каждой комбинации.

Пропускной способностью любого устройства, в том числе и канала связи, называется возможная скорость передачи информации через устройство:

,

где J- средняя скорость передачи по каналу связи элементарных символов кода. Выражается через среднюю продолжительность длительности одного символа кода t:

;

- максимально возможное значение среднего количества информации в одном символе принятого кода:

,

где Q(x)- характеризует среднюю неопределенность передаваемого сигнала (кода) до приема;

Q(x/y)- характеризует остаточную среднюю неопределенность передаваемых сигналов, если известны принимаемые (условная вероятность).

В реальных каналах пропускная способность определяемого соотношения сигнал/шум:

.

В случае низких соотношений сигнал/шум необходимо применять помехоустойчивое кодирование.

Примеры кодов, предназначенных для передачи по каналам связи цифровых приборов

Обычно каналы связи измерительных устройств строят по структуре, приведенной на рис. 72.

Рис. 72.

Алгоритм действия устройств в схеме определяется на основе выбранного вида кода.

Простейшим из кодов, используемых для передачи измерительной информации, является код NRZ. В нем нули представляются отсутствием импульса напряжения, а единицы– некоторым положительным напряжением (рис. 73).

Рис. 73. Пример кода NRZ

Данный код обладает низкой помехоустойчивостью.

Код М2– манчестер 2. В нем «1» кодируется отрицательным перепадом сигнала, а «0»– положительным перепадом (рис. 74).

Рис. 74. Примеры кодов NRZ и M2

На границе битовых перепадов сигнал, если это необходимо, меняет свое значение, готовясь к отображению очередного бита в середине следующего этапа.