dr hab. inż. Jerzy Łopatka prof. WAT

budynek 47 pokój 110

Instytut Telekomunikacji WEL

[e-mail]

tel. [phone]

Wykład 1

akwizycja sygnałów

Lecture 1

signals acquisition

Jerzy Łopatka ITK WEL WAT

Jerzy Łopatka ITK WEL WAT

0

200

400

600

800

1000

1200

-1

-0.8

-0.6

-0.4

-0.2

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

0

200

400

600

800

1000

1200

-1

-0.8

-0.6

-0.4

-0.2

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

Sygnał cyfrowy

Sygnał - przebieg fizyczny niosący pewną informację. Może ona być

zawarta w jego fazie, amplitudzie, częstotliwości lub ich zmianach.

Sygnał analogowy - jest to sygnał ciągły w dziedzinie czasu i wartości.
Sygnał dyskretny - jest to sygnał przyjmujący dowolne wartości z
pewnego przedziału, lecz zdefiniowany jedynie w określonych
momentach czasu.
Sygnał cyfrowy - jest to sygnał przyjmujący określone wartości z
pewnego skończonego zbioru, i zdefiniowany jedynie w określonych
momentach czasu.

Digital signal

Signal - a physical process, carrying some information. It can be
included in its phase, amplitude, frequency or their changes.
Analog signal - continuous signal in value and time domains.
Discrete signal - signal having any values from a certain range, but
defined only in certain moments of time.
Digital signal - signal having values from a predefined finite set, and
defined only in certain moments of time.

0

200

400

600

800

1000

1200

-5

-4

-3

-2

-1

0

1

2

3

4

5

Jerzy Łopatka ITK WEL WAT

System przetwarzania sygnałów

akwizycja, przetwarzanie, wyprowadzanie

System akwizycji sygnałów:
-czujniki, wzmacniacze, filtry, przetworniki A/C.
System przetwarzania:
- procesory sygnałowe (DSP), PC, VME, VXI, CPCI, systemy wbudowane
System wyprowadzania:

-przetworniki C/A, wzmacniacze, układy wykonawcze

Sygnał cyfrowy Sygnał cyfrowy

Sygnał analogowy

Sygnał analogowy

Przetwornik

c/a

Przetwornik

a/c

Proces

Komputer

Jerzy Łopatka ITK WEL WAT

Signal processing system

a

cquisition, processing, output

Signal acquisition system:
-sensors, amplifiers, filters, A/D converters.
Processing system:
- digital signal processors (DSP), PC, VME, VXI, CPCI, embedded systems
Output system:
- D/A converters, amplifiers, actuators

Digital signal Digital signal

Analog signal

Analog signal

D/A

converter

A/D

converter

Process

Computer

Jerzy Łopatka ITK WEL WAT

System akwizycji

Czujniki: mikrofon, odbiornik linii, antena, tensometr, fotorezystor,
termistor, magnetometr itp..
Wzmacniacze: dopasowanie poziomu sygnału do zakresu wejściowego
AC Wybielacze: są to zwykle układy filtracyjne, np. układy preemfazy.
Kompresory: układy kompresji dynamiki sygnału,
Filtry: filtry dolnopasmowe - ograniczenie pasma sygnału analogowego,
filtry górnoprzepustowe- eliminacja trendu.
Multipleksery analogowe: dołączanie wielu kanałów pomiarowych do
jednego przetwornika
Układy próbkująco - pamiętające (PP) – śledzenie i pamiętanie
przebiegu sygnału analogowego
Przetworniki A/C: zamiana sygnału analogowego na cyfrowy.
Kodery: zapisanie wartości w zadanym kodzie: binarny, U2, BCD,
zmiennoprzecinkowy itp.

sterowanie

Wejscia z innych

torów

Parametr

fizyczny

Koder

Układy

Synchroni

zujące

Układ

próbkujący

z pamięcią

Filtr

Wzmac

niacz

Czujnik

Przetwor

nik

a/c

MUL
TI

PLEK
SER

ANA

LO
GO
WY

Magistrala

komp

.

Jerzy Łopatka ITK WEL WAT

Acquisition system

Sensors: microphone, line receiver, antenna, tensometer, photo resistor,
thermistor, magnetometer etc.
Amplifiers: adjust the signal level to the A/D converters input range
Whiteners: they are usually filtration systems, eg. preemphasis.
Compressors: compressing the dynamics of the signal systems,
Filters: low pass filters - limit bandwidth of analog signal, high pass-filter
to eliminate the trend.
Analog Multiplexers: attach multiple measurement channels to a
single converter
Sample and hold (S&H) - Tracking and remembering the analog
waveform
A / D converters: conversion of the analog signal to digital.
Coders: saving values in a given code: binary, U2, BCD, floating point,
etc.

control

Other inputs

Physical parameter

Coder

Sync.

S&H

Filter

Ampli

fier

Sensor

A/D

converter

C

o

m

p

u

te

r

b

u

s

A

n

a

lo

g

m

u

lt

ip

le

xe

r

Jerzy Łopatka ITK WEL WAT

Częstotliwość próbkowania

Tw. Shannona:
Ażeby analogowy sygnał dolnopasmowy był całkowicie określony przez jego próbki
to częstotliwość próbkowania musi być co najmniej 2 razy wyższa od największej
częstotliwości składowej sygnału próbkowanego.
Nadpróbkowanie - próbkowanie z częstotliwością większą od częstotliwości
Nyquista

- precyzyjne odwzorowanie sygnału w dziedzinie czasu
- uzyskanie większej rozdzielczości przetwornika AC

Podpróbkowanie: Próbkowanie z częstotliwością niższą od częstotliwości
Nyquista.

- do akwizycji sygnałów wąskopasmowych.
- częstotliwość próbkowania musi być dwukrotnie większa od pasma

próbkowanego sygnału.
Interpolacja: Wyliczanie pośrednich wartości sygnału występujących pomiędzy
próbkami.

- precyzyjne odwzorowanie sygnału w dziedzinie czasu
- zwiększenie częstotliwości próbkowania (nadajniki)

Decymacja: Przerzedzanie próbek.

- zmniejszanie liczby niezbędnych obliczeń (odbiorniki)
- precyzyjne odwzorowanie sygnału w dziedzinie widmowej

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

-1

-0.5

0

0.5

1

Jerzy Łopatka ITK WEL WAT

Sampling Frequency

Shannon Theorem:
To obtain unambiguous mapping of low pass analog signal into its
samples, the sampling frequency must be at least 2 times greater than
the highest frequency component of the sampled signal.

Oversampling - sampling frequency is higher than Nyquist frequency
- Precise mapping of the signal in time domain
- To obtain greater resolution of AC converter
Undersampling: sampling frequency is lower than Nyquist frequency .
  - The acquisition of narrowband signals - sampling frequency must be
twice the bandwidth of sampled signal
Interpolation: Calculation of intermediate values of signals occurring
between samples.
  - Precise mapping of the signal in time domain
- Increase of your sampling frequency (transmitting)
Decimation: Elimination of spare samples.
- Reducing the number of the necessary calculations (receivers)
- Precise mapping of the signal in spectral domain

Jerzy Łopatka ITK WEL WAT

Akwizycja rzeczywistych sygnałów radiowych

Analogowa przemiana do pasma podstawowego

Acquisition of real radio signals - Analog conversion to baseband

p.cz.

heterodyna

odbiornik

radiowy

filtr

dolnopasmowy

przetwornik

A/C

sygnał

cyfrowy

f

p.cz.

f

h



S()

f

p.cz.2



S()

FDP

receiver

local
oscillator

lowpass filter A/D converter

IF

digital
signal

LPF

mixer

Jerzy Łopatka ITK WEL WAT

Akwizycja rzeczywistych sygnałów radiowych

Metoda podpróbkowania

Undersampling

receiver

decimation

A/D converter

IF

digital
signal

output

p.cz.

odbiornik

radiowy

przetwornik

A/C

sygnał

cyfrowy

decymacja

wyjście

f

p.cz.

3f

p



S()

f

p

2f

p

2.5f

p

p.cz.

przesuwnik

fazy 90

0

filtr

dolnopasmowy

heterodyna

odbiornik

radiowy

filtr

dolnopasmowy

przetwornik

A/C

przetwornik

A/C

Q

I

Jerzy Łopatka ITK WEL WAT

Akwizycja zespolonych sygnałów radiowych

Metoda analogowej przemiany kwadraturowej

Acquisition of complex radio signals - Analog quadrature

conversion

receiver

LPF

A/D converter

IF

digital
signal

Local
oscillator

In phase

Quadrature

phase
shifter

mixer

Jerzy Łopatka ITK WEL WAT

Akwizycja zespolonych sygnałów radiowych

Metoda analogowej przemiany kwadraturowej

Acquisition of complex radio signals - Analog quadrature

conversion

0

50

100

150

200

250

-1

-0.5

0

0.5

1

0

50

100

150

200

250

-1

-0.5

0

0.5

1

0

50

100

150

200

250

-1

-0.5

0

0.5

1

Sygnał wejściowy

Heterodyna I

Heterodyna Q

Jerzy Łopatka ITK WEL WAT

Akwizycja zespolonych sygnałów radiowych

Metoda analogowej przemiany kwadraturowej

Acquisition of complex radio signals - Analog quadrature

conversion

0

50

100

150

200

250

-1

-0.5

0

0.5

1

0

50

100

150

200

250

-1

-0.5

0

0.5

1

Mieszacz I

Mieszacz Q

Jerzy Łopatka ITK WEL WAT

Akwizycja zespolonych sygnałów radiowych

Metoda analogowej przemiany kwadraturowej

Acquisition of complex radio signals - Analog quadrature

conversion

Filtr Q

Sygnał zespolony IQ

0

50

100

150

200

250

-1

-0.5

0

0.5

1

-1

0

1

-1

-0.5

0

0.5

1

re

im

0

50

100

150

200

250

-1

-0.5

0

0.5

1

Filtr I

f

h



S()

0



S()

FDP

0

Jerzy Łopatka ITK WEL WAT

Akwizycja zespolonych sygnałów radiowych

Metoda cyfrowej przemiany kwadraturowej

Digital quadrature conversion

p.cz.

dolnopasmowy

filtr decymujący

FIR

cyfrowy

genetator

funkcji sin i

cos

dolnopasmowy

filtr decymujący

FIR

przetwornik

A/C

odbiornik

radiowy

sygnał cyfrowy

I

Q

receiver

A/D converter

digital signal

digital
multiplier

FIR decimating
LPF

Numerically

Controlled

Oscillator

Jerzy Łopatka ITK WEL WAT

tuner cyfrowy HSP 50214

digital tuner