Что такое дискретизация

Способ дискретизации или квантизации, при котором определенному (двоичному) числу ставится в соответствие конкретный результат измерений, выполняемых при дискретизации сигнала, изображен на рис. 6.17.

Рис. 6.17.Дискретизация аналогового сигнала

Электрическая схема, получившая название дискретизатора или квантователя, производит измерение амплитуды аналогового сигнала и воспроизводит соответствующее измерению число. При этом устанавливаются определенные пороговые значения, и полученные в результате измерений числа, соответствующие амплитудам аналогового сигнала, попадают в определенные полосы значений, которые ограничены установленными пороговыми значениями.

В подавляющем большинстве случаев соотнесенные в процессе преобразования числа представляют известную аппроксимацию, а не точные значения, так как применение истинных значений потребовало бы гораздо большего количества разрядов в двоичном коде. Двоичный код имеет определенный набор из двоичных чисел, который ограничивает то количество однозначно определяемых чисел, которые могут быть соотнесены. Следовательно, для того чтобы отображать измеряемое в ходе дискретизации значение при кодировании, будет выбрано то значение, которое окажется наиболее близким к истинному значению из доступного набора чисел.

Схема дискретизации преобразует фиксированный или изменяющийся аналоговый сигнал в эквивалентный ему набор фиксированных или изменяющихся двоичных чисел.

Подобная замена истинного измеряемого значения приближенным приводит к появлению погрешности, которая представляет отклонение приближенного значения от истинного, измеряемого в процессе дискретизации. Величина данного отклонения указана на рис. 6.17 в виде значка Х. Данная погрешность дискретизации приводит к возникновению дополнительного шума в сигнале, получившего название шума дискретизации и прослушиваемого в телефоне в виде свистящих шумов.

Шум дискретизации может быть уменьшен, если уменьшить пороговые значения для каждой полосы и сделать полосы уже. Это обеспечит большее количество интервалов или чисел, которые могут быть определены в области максимального значения амплитуды. Иными словами, это сделает разницу между дискретными значениями чисел меньше, что позволит уменьшить погрешность дискретизации.

Однако увеличение количества интервалов или полос потребует большего количества битов в двоичном коде, следовательно, будет необходима более широкая полоса пропускания канала. Возникает определенный компромисс между большим количеством узких полос дискретизации (шире полоса пропускания, но ниже уровень шумов) и уменьшением количества таких полос (требуется более узкая полоса пропускания, но выше уровень шумов).

Погрешность дискретизации вызывает появление фонового шума в приемном устройстве в виде свистящих шумов. Сужение ширины интервалов полос при измерениях уменьшило бы величину шума, однако, потребовало бы увеличения количества битов (размера кодового набора или слова) и большей ширины полосы пропускания канала связи.

В некоторых устройствах дискретизации возникает эффект, получивший специальное название — шум незанятого канала. Этот эффект наблюдается при низких уровнях сигнала, когда шум дискретизации превышает уровень сигнала. Этот эффект особенно заметен в такой момент, когда в канале связи отсутствует любой другой сигнал, который мог бы замаскировать сигнал шума. Как показано на рис. 6.18, правильно выполненный расчет схемы дискретизации приводит к тому, что уровень сигнала шума оказывается меньше максимального значения первого интервала дискретизации (в рассматриваемом случае это будет «1»), для которого автоматически будет предопределено значение нуля.

Рис. 6.18.Шум незанятого канала связи, который возникает из-за погрешностей дискретизации

В этом случае только те значения амплитуды, которые превышают первое пороговое значение, будут давать вклад в выходной сигнал.

Этот прием обеспечивает эффективное автоматическое подавление при малых уровнях сигнала и значительно снижает уровень шума незанятого канала.