Các thiết bị mà HTN phải kiểm soát, điều khiển sử dụng các tín hiệu để liên lạc với HTN thông qua các ghép nối. Các tín hiệu có thể đã ở dạng rời rạc (discrete), hay biến thiên liên tục theo thời gian, gọi là tín hiệu tương tự (analog). Các tín hiệu trong tự nhiên phần lớn ở dạng tương tự, biểu diễn sự biến thiên liên tục theo thời gian của một đại lượng vật lí nào đó. Trong khi dùng máy tính để xử lý các tín hiệu đó, cần một công đoạn nhất định để chuyển hóa tín hiệu tương tự thành tín hiệu rời rạc, gọi là số hóa (digitalization). Làm số hóa đôi khi giống như “mã hóa” tín hiệu analog vậy, bởi vì có nhiều cách để số hóa và đầu ra của số hóa lại có thể biểu diễn bởi các tập hợp nhị
135
phân khác nhau. Vi mạch điện tử thực hiện chức năng số hóa gọi là bộ số hóa (analog-to-digital converter-ADC).
Ngược lại, sau khi xử lý, tính toán tín hiệu tương tự đã số hóa, HTN sẽ đưa ra các giá trị và chuyển tới các thiết bị. Nếu các thiết bị chỉ nhận tín hiệu tương tự, cần một quá trình chuyển đổi giá trị số thành giá trị tương tự. Vi mạch thực hiện gọi là bộ chuyển đổi số ra tương tự (Digial Analog Converter –ADC).
Một số khái niệm liên quan tới số hóa
§ Sai số lượng tử: Quá trình số hóa luôn làm mất đi tính chính xác của thông tin chứa đựng trong tín hiệu gốc. Tuy nhiên với sai số nhất định thì kết quả vẫn được chấp nhận. Bảng dưới đây cho thấy sai số của mẫu được số hóa biễu diễn theo số bit thể hiện giá trị gốc: Ví dụ lấy mẫu audio:
Đầu vào tương tự có giá trin từ 0 đến 1, Tần số lấy mẫu fsample = 44,1 KHz. Resolution = f(số bit biểu diễn).
Dung lượng bộ nhớ cần để lưu dữ liệu sau thời gian số hóa 1s, 60 s và 300 s
§ Tốc độ lấy mẫu (tần số lấy mẫu), độ trung thực số hóa: phụ thuộc vào độ phân giải, vào thời gian lấy và biến đổi (TCONVENSION ) xong một mẫu của ADC. Sử dụng định luật Nyquist–Shannon có thể xác định tần sốn lấy mẫu phù hợp: .
Biểu diễn Fourier transform của x(t) như trên, và nếu X(f) = 0 cho mọi | f | > B, thì x(t) bị giới hạn bởi băng thông B. Từ đó tần số lấy mẫu đủ để tái tạo tín hiệu gốc là :
136
fsample > 2B
Đơn giản hóa thì tần số lấy mẫu số hóa với ADC:
fsample = 1/ TCONVENSION , f sample min > 2 fanalog là ít nhất.
Mẫu phải lấy và biến đổi liên tục để đảm bảo tính trung thực của tín hiệu. f càng lớn và số bit sử dụng càng cao tính trung thực càng tốt, tuy nhiên bộ nhớ dữ liệu lại là vấn đề. Có một số cách mã hóa đầu ra có thể bù trừ giữ 2 yêu cầu: chính xác và trung thực.
Ví dụ các thiết bị trang âm hi-fi có thang tần số từ 20 đến 20KHz, thì tần số lấy mẫu tối thiểu là 40 kHz.
§ Mã hóa (codecs: Compressor-Decompressor', 'Coder-Decoder', hoặc 'Compression/Decompression algorithm): Mã hóa dữ liệu là để xử lí bằng máy tính và đồng thời tối ưu độ dài dữ liệu, tức bài toán bộ nhớ, mà vẫn đảm bảo độ trung thực của tín hiệu gốc. Mã hóa mang lại nhiều lợi ích trong xủ lí tín hiệu và cho cả truyền thông. Mã hóa thường không chỉ là thuật toán mà còn được thực hiện ngay trên thiết bị điện tử, như ngay tại ADC/DAC. Một số định dạng mã hóa bao gồm:
- Nhị phân,
- Pulse code modulation (PCM),
- Pulse width modulation (PWM).
- Differential pulse coded modulation (DPCM),
- Adaptive differential pulse code modulation (ADPCM)
Là các biểu diễn định dạng số đầu ra của các ADC.