Аналоговый и цифровой сигнал. Типы сигналов и как это действует
Сигналы — это информационные коды, которые люди используют для передачи сообщений в информационной системе. Сигнал может быть передан, но не обязательно принят. В отличие от этого, сообщением может считаться только сигнал (или комбинация сигналов), который был принят и декодирован приемником (аналоговые и цифровые сигналы).
Одним из самых ранних методов передачи информации без участия людей или других живых существ были сигнальные костры. Когда возникала опасность, костры последовательно разводились от одной позиции к другой. В следующем разделе мы рассмотрим метод передачи информации с помощью электромагнитных сигналов и разовьем тему аналоговых и цифровых сигналов.
Любой сигнал может быть представлен в виде функции, описывающей изменения его свойств. Такое представление удобно для изучения радиотехнических устройств и систем. Помимо сигнала, в радиотехнике существует также шум, который является ее альтернативой. Шум не несет никакой полезной информации и искажает сигнал, взаимодействуя с ним.
Сама концепция позволяет отойти от конкретных физических величин при рассмотрении явлений, связанных с кодированием и декодированием информации. Математическая модель исследуемого сигнала позволяет опираться на параметры временной функции.
Типы сигналов
По отношению к физической среде сигналы делятся на электрические, оптические, акустические и электромагнитные.
В зависимости от того, как устроен сигнал, он может быть регулярным и нерегулярным. Обычный сигнал представлен детерминированной функцией времени. Нерегулярный сигнал в радиотехнике представляется хаотической функцией времени и анализируется с помощью вероятностного подхода.
Сигналы, в зависимости от функции, описывающей их параметры, могут быть аналоговыми и дискретными. Дискретный сигнал, который был квантован, называется цифровым сигналом.
Обработка сигнала
Аналоговый и цифровой сигнал обрабатывается и направлен на то, чтобы передать и получить информацию, закодированную в сигнале. После извлечения информации ее можно применять в разных целях. В частных случаях информация подвергается форматированию.
Аналоговые сигналы усиливаются, фильтруются, модулируются и демодулируются. Кроме того, цифровые сигналы могут подвергаться сжатию, детектированию и т.д.
Аналоговый сигнал
Мы получаем всю информацию, поступающую к нашим органам чувств, в аналоговой форме. Например, если мы видим проезжающий мимо автомобиль, мы видим, что он все время движется. Если бы наш мозг мог получать информацию о его положении каждые 10 секунд, люди постоянно попадали бы под его колеса. Но мы можем оценить расстояние гораздо быстрее, и это расстояние четко определено в любое время.
Цифровой и аналоговый сигнал. В чем разница? Какой лучше?
Точно так же и с другой информацией, мы можем оценить объем в любой момент времени, почувствовать, как сильно наши пальцы давят на предметы и т.д. Другими словами, почти вся информация, которая может возникнуть в природе, является аналоговой. Самый простой способ передачи такой информации — аналоговые сигналы, которые являются непрерывными и определяемыми в любой момент времени.
Чтобы понять, как выглядит аналоговый электрический сигнал, мы можем представить себе график, на котором по вертикальной оси откладывается амплитуда, а по горизонтальной — время. Если, например, мы измеряем изменение температуры, на графике появится непрерывная линия, показывающая ее значение в каждый момент времени. Чтобы передать такой сигнал с помощью электрического тока, нам необходимо согласовать значение температуры со значением напряжения. Так, например, 35,342 градуса Цельсия можно закодировать как напряжение 3,5342 В.
Аналоговые сигналы раньше использовались во всех видах связи. Чтобы избежать помех, такой сигнал должен быть усилен. Чем выше уровень шума, т.е. помех, тем больше нужно усилить сигнал, чтобы принять его без искажений. При таком способе обработки сигнала много энергии тратится на выделение тепла. Усиленный сигнал сам по себе может создавать помехи для других каналов связи.
Сегодня аналоговые сигналы все еще используются в телевидении и радио, для преобразования входного сигнала в микрофонах. Но в целом этот тип сигнала уже вытеснен или вытесняется цифровыми сигналами.
Цифровой сигнал
Цифровой сигнал состоит из последовательности цифровых значений. В настоящее время чаще всего используются двоичные цифровые сигналы, поскольку они применяются в двоичной электронике и их легче кодировать.
ЧТО ТАКОЕ АНАЛОГОВЫЕ И ЦИФРОВЫЕ СИГНАЛЫ [Уроки Ардуино #10]
В отличие от предыдущего типа сигнала, цифровой сигнал имеет два значения "1" и "0". Если мы вспомним наш пример с измерением температуры, то сигнал формируется по-другому. Если напряжение, выдаваемое аналоговым сигналом, соответствует значению измеряемой температуры, то для каждого значения температуры в цифровом сигнале будет выдаваться определенное количество импульсов напряжения. Сам импульс напряжения будет иметь значение "1", а отсутствие напряжения — значение "0". Принимающее оборудование декодирует импульсы и восстанавливает исходные данные.
Если представить, как будет выглядеть цифровой сигнал на графике, то можно увидеть, что переход от нуля к максимуму резкий. Именно эта особенность позволяет принимающему оборудованию "видеть" сигнал более четко. В случае возникновения помех приемник декодирует сигнал легче, чем при аналоговой передаче.
Однако цифровой сигнал с очень высоким уровнем шума не может быть восстановлен, тогда как из аналогового типа с высоким уровнем искажений информация все же может быть "извлечена". Это происходит из-за эффекта клиппирования. Суть эффекта заключается в том, что цифровые сигналы могут передаваться на определенные расстояния, а затем просто обрываться. Этот эффект возникает повсеместно и устраняется простой регенерацией сигнала. Там, где сигнал прерывается, вставьте усилитель или уменьшите длину линии связи. Усилитель не усиливает сигнал, а распознает его исходную форму и создает точную копию, которую можно свободно использовать в схеме. Усилители сигналов этого типа широко используются в сетевых технологиях.
Помимо прочего, аналоговые и цифровые сигналы различаются по способности кодировать и шифровать информацию. Это одна из причин, по которой мобильная связь становится "цифровой".
Аналоговый и цифровой сигнал и цифро-аналоговое преобразования
Давайте поговорим немного подробнее о том, как аналоговая информация передается по цифровым каналам. И снова мы будем использовать примеры. Как мы уже говорили, звук — это аналоговый сигнал.
Что происходит в мобильных телефонах, которые передают информацию по цифровым каналам
Звук, поступающий в микрофон, подвергается аналого-цифровому преобразованию (АЦП). Этот процесс состоит из 3 этапов. Отдельные значения сигнала берутся через равные промежутки времени, этот процесс называется дискретизацией. Согласно теореме Котельникова о пропускной способности канала, частота, на которой берутся эти значения, должна быть вдвое больше самой высокой частоты сигнала. То есть, если наш канал имеет ограничение по частоте 4 кГц, частота дискретизации будет 8 кГц.
Затем все выбранные значения сигнала округляются, или, другими словами, квантуются. Чем больше уровней это создает, тем точнее будет восстановленный сигнал в приемнике. Затем все значения преобразуются в двоичный код, который передается на базовую станцию и затем достигает второго абонента, который является приемником. В телефоне-приемнике происходит процедура цифро-аналогового преобразования (ЦАП). Это обратная процедура, целью которой является вывод сигнала, максимально идентичного исходному. Затем аналоговый сигнал выводится в виде звука из динамика трубки.
