Аналоговый сигнал

Итак, аналоговый сигнал:

Содержание

Все современные средства связи работают по принципу передачи электрического тока от одного устройства к другому. По каналам связи можно передавать различные типы сигналов. Аналоговый сигнал является одним из них. Что делает его таким особенным?

Основное различие заключается в структуре потока. Аналоговый сигнал – это непрерывный поток, частота и амплитуда которого изменяются во времени в диапазоне максимальных значений. Графически это выглядит как синусоидальная волна.

Для описания аналогового сигнала используются три основные характеристики:

амплитуда;
длина волны;
частота.

Аналоговый сигнал – это непрерывная волна, которая непрерывно изменяется в течение определенного периода времени. Цифровой сигнал также является непрерывной волной, но он несет информацию в двоичном формате и имеет дискретные значения.

Что такое цифровой сигнал

Цифровой сигнал – это сигнал, используемый для передачи данных в виде последовательности дискретных (прерывистых) значений. Другими словами, в любой момент времени он может принимать только одно из конечного числа значений. Это одно из отличий от аналоговых сигналов.

Простые цифровые сигналы представляют информацию в виде дискретных полос аналоговых уровней. Каждый уровень в диапазоне значений имеет одно и то же информационное состояние. В большинстве цифровых схем такой сигнал может иметь два возможных значения: двоичное и логическое. Они представлены двумя группами: одна вблизи опорного значения (обычно называемого нулевым напряжением). Другой находится вблизи напряжения питания.

Они соответствуют двум значениям ноль и единица в логической области. Исходя из этого, в любой момент времени двоичный сигнал представляет собой одну двоичную цифру (бит). Благодаря такой дискретизации относительно небольшие изменения уровня аналогового сигнала могут оставить дискретную огибающую. В результате схема игнорирует измерения состояния сигнала. Суть в том, что цифровые сигналы невосприимчивы к шуму. Электронный шум, если он не слишком велик, не оказывает никакого влияния на цифровые схемы, в то время как шум всегда в значительной степени ухудшает аналоговые сигналы.

Иногда используются цифровые сигналы, имеющие два состояния (режима работы). Такие логики называются двухсоставными. Сигналы, которые могут принимать три возможных состояния, называются трехсоставной логикой.

Применение в различных областях

Цифровая обработка

В этой области речь идет о физическом сигнале, который подвергается процессу выборки и квантования (последовательность дискретных значений). Это также абстракция, дискретная (прерывистая) по времени и амплитуде. Его значение существует только в регулярные интервалы времени, поскольку только значения соответствующего физического сигнала в этих точках выборки имеют значение для дальнейшей цифровой обработки.

Такой сигнал представляет собой последовательность кодов, взятых из конечного набора значений. Он может храниться, обрабатываться или передаваться физически в виде сигнала импульсно-кодовой модуляции (PCM).

Цифровая коммуникация

В цифровой связи это также физический сигнал непрерывного времени, чередующийся с дискретным количеством сигналов, т.е. битовый поток. Форма сигнала зависит от схемы передачи. Это может быть схема линейного кодирования, которая позволяет передавать сигнал в основной полосе частот.

Она также может быть в виде цифровой схемы модуляции, которая позволяет передавать сигнал в длинном проводном диапазоне или в ограниченном радиочастотном диапазоне. Такая синусоидальная волна с модулированной несущей рассматривается в электронике и компьютерных сетях как битовый поток, который затем преобразуется в аналоговый сигнал.

Одним из первых методов передачи информации без участия человека или других живых существ были сигнальные очаги. В случае опасности костры разводили последовательно от одного столба к другому. В следующем разделе мы рассмотрим метод передачи информации с помощью электромагнитных сигналов и расширим рассмотрение аналоговых и цифровых сигналов.

Обработка сигналов

Аналоговые и цифровые сигналы обрабатываются и проектируются для передачи и извлечения информации, закодированной в сигнале. После извлечения информации ее можно использовать в различных целях. В особых случаях информация форматируется.

Аналоговые сигналы усиливаются, фильтруются, модулируются и демодулируются. Цифровые сигналы, с другой стороны, также могут быть сжаты, детектированы и т.д.

Аналоговый сигнал

Наши органы чувств получают всю информацию 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 местонахождении каждые 10 секунд, люди постоянно попадали бы под его колеса. Но мы можем оценить расстояние гораздо быстрее, и это расстояние четко определено в любой момент времени.

Точно так же и с другой информацией, мы можем оценить объем в любой момент времени, почувствовать, насколько сильно наши пальцы давят на предметы и т.д. Другими словами, почти вся информация, которая может встречаться в природе, является аналоговой. Самый простой способ передачи такого рода информации – это аналоговые сигналы, которые являются непрерывными и определенными в любой момент времени.

Чтобы понять, как выглядит аналоговый электрический сигнал, можно представить себе график, на котором по вертикальной оси откладывается амплитуда, а по горизонтальной – время. Например, если мы измеряем изменение температуры, на графике будет непрерывная линия, показывающая температуру 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 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 он был принят 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. В целом, однако, этот тип сигнала был заменен или заменяется цифровыми сигналами.

Цифровой сигнал

Цифровой сигнал состоит из последовательности цифровых значений. Двоичные цифровые сигналы наиболее часто используются сегодня, поскольку они применяются в двоичной электронике и их легче кодировать.

В отличие от предыдущего типа сигнала, цифровой сигнал имеет два значения “1” и “0”. Если вспомнить наш пример с измерением температуры, то сигнал формируется по-другому. Если напряжение, выдаваемое аналоговым сигналом, соответствует измеренному значению температуры, то в цифровом сигнале для каждого значения температуры будет выдаваться определенное количество импульсов напряжения. Сам импульс напряжения будет “1”, а отсутствие напряжения – “0”. Приемные устройства декодируют импульсы и восстанавливают исходные данные.

Представляя, как цифровой сигнал будет выглядеть на графике, мы видим, что переход от нуля к максимуму резкий. Именно эта особенность позволяет принимающим устройствам “видеть” сигнал более четко. При наличии искажений 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 все еще можно “извлечь” информацию. Это происходит из-за эффекта клиппирования. Суть этого эффекта заключается в том, что цифровые сигналы могут передаваться на определенные расстояния, а затем просто обрываться. Этот эффект возникает повсеместно и решается простой регенерацией сигнала. Если сигнал прерывается, необходимо вставить усилитель или уменьшить длину линии связи. Усилитель не усиливает сигнал, а распознает его исходную форму и выдает 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”.

Аналоговые и цифровые сигналы и цифро-аналоговое преобразование

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, передающих информацию по цифровым каналам

Звук, поступающий на 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 дискретизации этих значений должна быть вдвое больше самой высокой частоты сигнала. Это означает, что если наш канал ограничен 4 кГц, то частота дискретизации будет 8 кГц.

Затем все выбранные значения сигнала округляются, или, другими словами, квантуются. Чем больше уровней будет создано таким образом, тем точнее будет восстановленный сигнал на приемнике. Затем все значения преобразуются в двоичный код, который передается на базовую станцию и затем достигает другого абонента, который является приемником. На принимающем телефоне происходит процедура цифро-аналогового преобразования (ЦАП). Это обратная процедура, цель которой – вывести сигнал, максимально идентичный исходному. Затем аналоговый сигнал передается в виде звука через динамик трубки.

Аналоговые сигналы описываются как непрерывные функции времени, поэтому аналоговый сигнал иногда называют непрерывный сигнал. Аналоговые сигналы противопоставляются дискретный (квантованные, цифровые) сигналы. Примеры непрерывных пространств и соответствующих им физических величин:

Содержание

Свойства аналоговых сигналов во многом отличаются от свойств квантованных или цифровых сигналов.

Отсутствие четко различимых дискретных уровней сигнала делает невозможным применение концепции информация как она понимается в цифровых технологиях. Количество информации”, содержащейся в одном образце, будет ограничено только динамическим диапазоном измерительного прибора.

Никаких излишеств. Из непрерывности пространства значений следует, что любой шум, внесенный в сигнал, неотличим от самого сигнала, и поэтому исходная амплитуда не может быть восстановлена. В действительности фильтрация возможна, например. частотными методами, если известна дополнительная информация о характеристиках сигнала (в частности, полоса частот).

Что касается дискретности, то используются конечные значения. Например, покупая электрошокер, убедитесь, что энергия удара не превышает определенного значения, измеряемого в джоулях. В противном случае возникнут проблемы с использованием или контролем. Потому что, начиная с определенного значения энергии, электрошокер используется только спецподразделениями, с фиксированным верхним пределом. Все остальное, по сути, незаконно и может привести к летальному исходу при использовании.

Общая информация

Уровень сигнала

Как следует из самого определения, аналоговый сигнал имеет бесконечную энергию, не ограниченную во времени. Поэтому его параметры усредняются. Например, напряжение 220 В, присутствующее в розетке, по этой причине называется среднеквадратичным значением. По этой причине используются действующие значения (усредненные за определенный промежуток времени). Уже ясно, что в розетке присутствует аналоговый сигнал 50 Гц.

Когда речь идет о дискретности, используются конечные значения. Например, покупая электрошокер, убедитесь, что энергия удара не превышает частного значения, измеряемого в джоулях. В противном случае возникнут проблемы с использованием или контролем. Потому что, начиная с определенного значения энергии, электрошокер используется только спецподразделениями, с фиксированным верхним пределом. Все остальное в принципе незаконно и может привести к смерти.

Энергия импульса получается путем умножения тока и напряжения на длительность. Это показывает конечность параметра для дискретных сигналов. Цифровые последовательности встречаются и в технике. Цифровой сигнал отличается от дискретного сигнала жестко заданными параметрами:

Продолжительность.
Амплитуда.
Наличие двух предопределенных состояний: 0 и 1.
Машинные биты 0 и 1 объединяются в слова, которые заранее определены и понятны участникам (язык ассемблера).

Преобразование сигналов

Дополнительным определением аналогового сигнала является его кажущаяся случайность, отсутствие видимых правил или сходство с определенными природными процессами. Например, синусоидальная волна может описывать вращение Земли вокруг Солнца. Это аналоговый сигнал. В теории цепей и сигналов синусоидальная волна представляется в виде вращающегося вектора амплитуды. Причем фаза тока и напряжения различны – это два разных вектора, порождающих реактивные процессы. Что наблюдается в индукторах и конденсаторах.

По определению, аналоговый сигнал может быть легко преобразован в дискретный сигнал. Каждый импульсный источник питания распределяет входное напряжение из розетки по пакетам. Соответственно, он участвует в преобразовании аналогового сигнала 50 Гц в дискретные ультразвуковые пакеты. Изменяя параметры нарезки, источник питания адаптирует выходные значения к требованиям электрической нагрузки.

В радиочастотном приемнике с амплитудным детектором происходит обратный процесс. При выпрямлении сигнала на диодах генерируются импульсы различной амплитуды. Информация содержится в огибающей такого сигнала, т.е. в линии, соединяющей вершины пакета. Преобразование дискретных импульсов в аналоговое значение осуществляется с помощью фильтра. Принцип действия основан на интеграции энергии: в период, когда присутствует напряжение, заряд конденсатора увеличивается, затем, между пиками, генерируется ток из ранее накопленных электронов. Полученная волна подается на усилитель низких частот, а затем на громкоговоритель, где результат слышен окружающим.

Цифровой сигнал кодируется по-другому. Там амплитуда импульса встраивается в машинное слово. Он состоит из единиц и нулей, и требуется декодирование. За работу отвечают электронные устройства: видеокарта, программное обеспечение. Все скачивали кодеки K-Lite из Интернета, так было и в этом случае. Драйвер занимается декодированием цифрового сигнала и его преобразованием для вывода на динамики и дисплей.

Не стоит спешить, когда адаптер называют 3D-ускорителем и наоборот. Первый просто преобразует входной сигнал. Например, за цифровым входом DVI всегда находится адаптер. Он только преобразует числа из единиц и нулей для отображения на матрице экрана. Он извлекает информацию о яркости и значения пикселей RGB. Что касается 3D-ускорителя, устройство может содержать (или не содержать) адаптер, но его основная работа заключается в выполнении сложных вычислений для построения трехмерных изображений. Эта техника разгружает процессор и ускоряет работу персонального компьютера.

Сигнал преобразуется из аналогового в цифровой в АЦП. Это делается либо программно, либо внутренне на чипе. Отдельные системы сочетают в себе оба метода. Процедура начинается с отбора образцов, которые попадают в определенную область. Каждый из них после преобразования становится машинным словом, содержащим вычисленный разряд. Затем образцы упаковываются в посылки, появляется возможность передать их другим абонентам комплексной системы.

Правила выборки нормируются по теореме Котельникова, показывающей максимальную частоту выборки. Более частый отбор проб запрещен из-за потери информации. Проще говоря, достаточной считается частота дискретизации, в шесть раз превышающая верхнюю границу спектра сигнала. Более высокая маржа считается дополнительным преимуществом, гарантирующим хорошее качество. Все видели маркировку частоты дискретизации звукозаписи. Обычно этот параметр выше, чем 44 кГц. Причина этого заключается в специфике человеческого слуха: верхняя граница спектра составляет 10 кГц. Поэтому для передачи среднего звука достаточно частоты дискретизации 44 кГц.

Разница между дискретными и цифровыми сигналами

Наконец, люди обычно воспринимают аналоговую информацию из окружающего их мира. Если глаз видит мигающий свет, периферийное зрение улавливает окружающий пейзаж. Поэтому конечный результат не воспринимается как дискретный. Конечно, можно попытаться создать другое восприятие, но это трудно и окажется совершенно искусственным. На этом основано использование алфавита Морзе, который состоит из точек и тире, легко различимых на фоне шума. Дискретные удары телеграфного ключа трудно принять за естественные сигналы даже в присутствии сильного шума.

Аналогичным образом, в машиностроении цифровые линии вводятся для устранения искажений. Каждый любитель видео стремится получить закодированную копию фильма в максимальном разрешении. Цифровая информация может передаваться на большие расстояния без малейших искажений. С обеих сторон известны правила создания заранее определенных слов. Иногда в цифровой сигнал включается избыточная информация, чтобы можно было исправить или заметить ошибки. Это исключает ошибочное восприятие.

Мы видим, что аналоговый сигнал является непрерывным по времени и амплитуде. Для каждого момента времени можно определить точную амплитуду аналогового сигнала.

Урок 8.1 – Аналоговые и цифровые сигналы

Цифровые схемы – важная область, изучаемая во всех школах и университетах электроники. Настоящий радиолюбитель также должен хорошо разбираться в этом вопросе. Однако большинство книг и учебников написаны на языке, который очень трудно понять, и начинающему электронщику (возможно, студенту) будет трудно усвоить новую информацию. Серия новых учебников от Master Kit призвана восполнить этот пробел: наши статьи объясняют сложные понятия самыми простыми словами.

8.1 Аналоговые и цифровые сигналы

Сначала нужно понять, чем отличаются аналоговые и цифровые схемы. Основное различие заключается в сигналах, с которыми работают эти схемы.
Мы можем разделить сигналы на два основных типа: аналоговые и цифровые.

Мы больше всего знакомы с аналоговыми сигналами. Можно сказать, что весь окружающий нас природный мир является аналоговым. Наши зрение, слух и все остальные органы чувств получают входящую информацию в аналоговой форме, то есть непрерывно во времени. Звуковая информация – человеческая речь, звучание музыкальных инструментов, рев животных, звуки природы и т.д. – также осуществляется в аналоговой форме.
Чтобы понять это еще лучше, давайте нарисуем аналоговый сигнал (рис.1):

Рис.1 Аналоговый сигнал

Мы видим, что аналоговый сигнал является непрерывным по времени и амплитуде. Для каждого момента времени можно определить точное значение амплитуды аналогового сигнала.

Давайте анализировать амплитуду сигнала не непрерывно, а дискретно, через фиксированные промежутки времени. Например, один раз в секунду или чаще: десять раз в секунду. Частота дискретизации: один раз в секунду – 1 Гц, тысячу раз в секунду – 1000 Гц или 1 кГц.

Для иллюстрации нарисуем график аналогового сигнала (вверху) и цифрового сигнала (внизу) (рис.2):

Рис.2. Аналоговый сигнал (вверху) и его цифровая копия (внизу)

Мы видим, что в любой момент времени мы можем узнать мгновенное цифровое значение амплитуды сигнала. Что происходит с сигналом (по какому закону он изменяется, какова его амплитуда) между “тестовыми” интервалами, мы не знаем, эта информация для нас потеряна. Чем реже мы проверяем уровень сигнала (чем ниже частота выборки), тем меньше у нас информации о сигнале. Конечно, верно и обратное: чем выше частота дискретизации, тем лучше качество представления сигнала. В пределе, увеличивая частоту дискретизации до бесконечности, мы получаем почти такой же аналоговый сигнал.
Означает ли это, что аналоговый сигнал в любом случае лучше по качеству, чем цифровой? Теоретически, да. Однако на практике современные аналого-цифровые преобразователи (АЦП) работают с такой высокой частотой дискретизации (даже до нескольких миллионов выборок в секунду), что они описывают аналоговый сигнал в цифровой форме настолько хорошо, что человеческие органы чувств (глаза, уши) не могут ощутить никакой разницы между исходным сигналом и его цифровой моделью. Цифровой сигнал имеет то существенное преимущество, что его легче передавать по проводам или радиоволнам и на него не оказывают существенного влияния помехи. Поэтому вся современная мобильная связь, телевидение и радиовещание являются цифровыми.

Нижний график на рисунке 2 можно легко представить и по-другому – как длинную последовательность пар чисел: время/амплитуда. А числа – это именно то, что нужно цифровым схемам. Однако цифровые схемы предпочитают работать с цифрами в специальном представлении, но об этом мы поговорим в следующем уроке.

На данный момент мы можем сделать несколько важных выводов:

– Цифровой сигнал дискретен, он может быть определен только для дискретных моментов времени;
– Чем выше частота дискретизации, тем лучше представление цифрового сигнала.

Читайте далее: