Разница между аналоговыми и цифровыми сигналами

Цифровой сигнал – это сигнал, прерывистый (дискретный) во времени. На графике он имеет форму прямоугольной волны и представляет информацию в двоичной форме, которая содержит единицы (1) и нули (0). На графике цифрового сигнала единицы – это максимумы на графике, а нули – минимумы на графике. Цифровые сигналы не имеют отрицательных значений, как аналоговые сигналы.

Содержание

Основное различие между аналоговыми и цифровыми сигналами заключается в том, что Аналоговый сигнал – это непрерывный во времени сигнал.Цифровой сигнал – это дискретный сигнал во времени. Цифровой сигнал – это дискретный (прерывистый) сигнал во времени.

Сигнал передает информацию от одного устройства к другому. В электротехнике сигнал – это фундаментальная величина, представляющая собой информацию. В контексте математики сигнал – это функция, передающая информацию. Аналоговый сигнал и цифровой сигнал – это два типа сигналов.

Обзор и основные различия
Что такое аналоговый сигнал
Что такое цифровой сигнал?
В чем сходство между аналоговыми и цифровыми сигналами?
В чем разница между аналоговыми и цифровыми сигналами?
Заключение

Что такое аналоговый сигнал?

Аналоговый сигнал является непрерывным сигналом и изменяется во времени. Сигнал представлен синусоидой, амплитуда, период и частота которой являются одними из факторов, описывающих его поведение. Амплитуда – это максимальная высота сигнала. Частота (f) – это количество циклов в единицу времени. Период (T) – это время, необходимое для завершения одного цикла (T = 1 / f).

Пример графика аналогового сигнала

Аналоговый сигнал трудно анализировать, поскольку он содержит огромное количество значений. Он может содержать как отрицательные, так и положительные значения.

Кроме того, энергопотребление аналоговых приборов обычно высокое. Как правило, аналоговые сигналы страдают от низкого качества передачи из-за искажений и помех. Типичным примером аналогового сигнала в нашей повседневной жизни является звук.

Что такое цифровой сигнал?

Цифровой сигнал – это сигнал, прерывистый (дискретный) во времени. Он строится в виде прямоугольной волны и представляет информацию в двоичной форме, которая содержит единицы (1) и нули (0). На графике цифрового сигнала единицы – это максимумы на графике, а нули – минимумы на графике. Цифровые сигналы не имеют отрицательных значений, как аналоговые сигналы.

В настоящее время все большее применение находят цифровые сигналы, и зачастую использование аналоговых сигналов вместо цифровых в связи затруднено. Например, трудно общаться на больших расстояниях из-за искажения сигнала и помех. Цифровые сигналы являются идеальным решением этой проблемы. Они менее подвержены искажениям. Поэтому аналоговые сигналы преобразуются в цифровые для обеспечения четкой и точной связи. Цифровые телефоны, компьютеры, современные телевизоры и другие электронные устройства используют цифровые сигналы.

Какова взаимосвязь между аналоговыми и цифровыми сигналами?

Цифровой сигнал – это дискретная выборка аналогового сигнала за определенный период времени.

В чем разница между аналоговым и цифровым сигналом?

Аналоговый сигнал против цифрового сигнала
Аналоговый сигнал – это непрерывный сигнал, который изменяется во времени.	Цифровой сигнал – это дискретный сигнал, который несет информацию в двоичной форме.
Проанализируйте
Сложно анализировать	Легче анализировать
Тип
Проявляется в виде синусоидальной волны	Проявляется в виде прямоугольной волны.
Диапазон значений.
Содержит огромное количество значений, которые могут быть как положительными, так и отрицательными	Остается в пределах определенного диапазона. Может быть 0 или 1
Искажение
Имеет большую склонность к искажению	Менее подвержены искажениям
Хранение данных
Данные хранятся в форме волны. Для хранения этих данных требуется большой объем памяти	Данные хранятся в виде двоичных файлов
Примеры
Звук, мгновенное напряжение и ток являются примерами аналоговых сигналов.	Примерами цифровых сигналов являются сигналы в компьютерах, оптических дисках и цифровых телефонах.

Заключение – Аналоговый сигнал против аналогового сигнала.

Разница между аналоговыми и цифровыми сигналами заключается в том, что аналоговый сигнал – это сигнал непрерывного времени, а цифровой сигнал – сигнал прерывистого времени. Цифровые сигналы более надежны и передаются с большей скоростью, чем аналоговые.

Например, если мы измеряем изменение температуры, на графике появится непрерывная линия, показывающая значение температуры в каждый момент времени. Чтобы передать такой сигнал с помощью электрического тока, нам необходимо согласовать значение температуры со значением напряжения.

В чем разница между аналоговыми и цифровыми сигналами – примеры применения

Цифровое телевидение сейчас практически повсеместно. Новые телевизоры принимают высококачественный цифровой сигнал самостоятельно, в то время как старые телевизоры получают сигнал с помощью специального декодера. В чем разница между старым аналоговым сигналом и новым цифровым сигналом? Многие люди находят это непонятным и нуждаются в разъяснении.

Типы сигналов

Сигнал – это изменение физической величины во времени и пространстве. По сути, это коды для обмена данными в информационных и управленческих средах. Каждый сигнал может быть представлен графически в виде функции.

По линиям на графике можно определить тип и характеристики сигнала. Аналоговый будет выглядеть как непрерывная кривая, цифровой – как ломаная прямоугольная линия, прыгающая от нуля к единице.

Все, что мы видим глазами и слышим ушами, поступает в виде аналогового сигнала.

Аналоговый сигнал

Зрение, слух, вкус, обоняние и осязание поступают к нам в виде аналоговых сигналов. Мозг взаимодействует с органами и получает информацию в аналоговой форме. В природе вся информация передается только таким образом.

В электронике аналоговый сигнал основан на передаче электрической энергии. Определенные напряжения соответствуют частоте и амплитуде звука, цвету и яркости света изображения и т.д. То есть, цвет, звук или информация являются аналогами электрического напряжения.

Например: Настройка передачи цвета на определенное напряжение синий 2 В, красный 3 В, зеленый 4 В. Изменяя напряжение, вы получаете соответствующее цветное изображение на экране.

Не имеет значения, передается ли сигнал по проводам или по радио. Передатчик непрерывно передает, а приемник обрабатывает аналоговую информацию. Приемник преобразует напряжение в соответствующий звук или цвет. Изображение появляется на экране или звук раздается через громкоговоритель.

Дискретный сигнал

Суть сигнала заключается в его названии. Дискретный происходит от латинского discretus, что означает прерывистый (разделенный). Можно сказать, что дискретный воспроизводит амплитуду аналогового сигнала, но плавная кривая становится ступенчатой. Она изменяется либо во времени, оставаясь непрерывной по величине, либо по горизонтали, не прерываясь во времени.

Таким образом, за определенный период времени (например, миллисекунду или секунду) дискретный сигнал будет иметь некоторое фиксированное значение. В конце этого времени произойдет резкое изменение вверх или вниз, и так будет продолжаться еще миллисекунду или секунду. И так далее и далее. Поэтому дискретность трансформируется в аналог. Это означает, что он находится на полпути к цифровому.

Цифровой сигнал

После дискретизации следующим шагом в аналоговом преобразовании является цифровой сигнал. Главная особенность заключается в том, что она либо есть, либо ее нет.

Вся информация преобразуется в сигналы, ограниченные по времени и размеру. Цифровые сигналы данных кодируются с использованием нуля и единицы в различных вариациях.

Основой является бит, который принимает одно из этих значений. Бит происходит от английского двоичного разряда.

Но один бит имеет ограниченную способность переносить информацию, поэтому их объединяют в блоки. Чем больше битов в блоке, тем больше информации он несет. Цифровая технология использует биты, объединенные в блоки, кратные 8. 8-битный блок называется байтом.

Один байт – небольшая величина, но в нем уже можно хранить зашифрованную информацию обо всех буквах алфавита. Однако добавление всего одного бита удваивает количество комбинаций единиц и нулей. Если 8 бит позволяют использовать 256 кодировок, то 16 бит – 65536.

А килобайт или 1024 байта – это совсем не маленькое число.

ВНИМАНИЕ! Не зря говорят, что 1 КБ – это 1024 байта. Вот как это происходит в двоичной компьютерной среде. Но в мире широко используется десятичная система счисления, где килограмм равен 1000. Следовательно, существует и десятичный КБ, равный 1000 байт.

Большое количество информации хранится в большом количестве соединенных байтов, чем больше комбинаций 1 и 0, тем больше закодировано. Таким образом, в 5 – 10 МБ (5000 – 10000 КБ) мы имеем музыкальные данные хорошего качества. Идем дальше, и через 1000 МБ у вас уже есть закодированный фильм.

Кроме того, энергопотребление аналоговых устройств обычно высокое. Как правило, качество передачи аналоговых сигналов ухудшается из-за искажений и помех. Типичным примером аналогового сигнала в нашей повседневной жизни является звук.

Аналоговое телевидение

Аналоговое телевидение (АТВ) – это система передачи видео и звука с использованием аналоговых сигналов. Сигнал является непрерывным во времени и может передаваться на радиочастотах наземных станций или по кабелю в кабельном телевидении (CCTV). Для его приема необходимы антенна и коаксиальный кабель. Первоначально для передачи телевизионных сигналов использовались только аналоговые (обычные) сигналы, которые состояли из:

Видео и аудио в черно-белой передаче.
Видео-, аудио- и цветовые сигналы поднесущей в цветном ATV.

Сегодня наибольшее распространение получило эфирное вещание с использованием ATV в утвержденных стандартах NTSC, PAL, SECAM. Однако с изобретением цифрового вещания прежнее наземное телевидение постепенно вытесняется по всему миру благодаря своей устойчивости к помехам, ухудшающим качество звука или изображения.

Многие страны уже отказались от этого вида телевизионного вещания, а другие планируют это сделать. В нашей стране дата отключения аналогового вещания уже несколько раз переносилась. Реализация перехода на цифровое телевидение тормозится инертностью российских телезрителей, их нежеланием отказываться от старых, хорошо работающих телевизоров или покупать специальные декодеры.

Для каждого потока важно, чтобы его динамический диапазон как можно ближе соответствовал динамическому диапазону системы или устройства, предназначенного для преобразования, передачи и хранения его значений. От правильного выбора зависит точность передачи и преобразования информации из каждого потока.

Разница между дискретными и цифровыми сигналами

Все, наверное, слышали об азбуке Морзе. Его изобрел художник Сэмюэль Морзе, другие новаторы усовершенствовали его, и все стали им пользоваться. Это способ передачи текста, в котором точки и тире кодируют буквы. В просторечии это называется алфавит Морзе. Он давно используется в телеграфии и для передачи информации по радио. Его также можно использовать для сигнализации с помощью прожектора или факела.

Код для азбуки Морзе зависит только от самого символа. Оно не зависит от его продолжительности или объема (силы). Как бы сильно мы ни нажимали на клавишу (фонарик мигает), мы видим только два варианта – точку и тире. Можно только увеличить скорость передачи данных. Ни объем, ни продолжительность не учитываются. Самое главное, чтобы сигнал был принят.

То же самое относится и к цифровому сигналу. Важно, что данные кодируются с помощью 0 и 1. Приемник должен прочитать только комбинацию нулей и единиц. Не имеет значения, насколько громким или длинным является каждый сигнал. Главное – получить нули и единицы. Это самая суть цифровых технологий.

Дискретный сигнал получается при кодировании громкости (яркости) и длительности каждой точки и тире, т.е. 0 и 1. В этом случае вариантов кодирования больше, но и путаница. Громкость и продолжительность могут быть непостижимыми. В этом заключается разница между цифровыми и дискретными сигналами. Цифровое генерируется и воспринимается однозначно, дискретное – с отклонениями.

В рассмотренных выше видах манипуляций один из параметров высокочастотного сигнала – амплитуда, частота или фаза – изменялся в соответствии с информационным сообщением. Квадратурно-амплитудная манипуляция использует комбинацию различных уровней амплитуды и фазовых сдвигов, которые соответствуют передаваемым битам информации. В QAM-16, например, допускается 4 значения амплитуды и 4 значения фазового сдвига, что при объединении “каждый к каждому” дает 16 возможных вариаций сигнала, каждая из которых соответствует точке на сигнальном созвездии:

Что такое аналоговый сигнал

Когда сигналы распространяются в любой среде, они непрерывны по величине и времени. Сигналы, которые являются непрерывными по величине и времени, называются аналог (рис. 1 (а)). Основной причиной массового перехода от аналоговых сигналов к цифровым в системах беспроводной связи является развитие цифровых технологий, которые оперируют не аналоговыми сигналами, а числовыми данными. Также в пользу цифровых сигналов говорят возможность восстановления данных с промежуточных узлов передачи и средства кодирования, используемые для восстановления потерянных данных и решения проблем безопасности.

Если образцы сигнала записываются в выбранные моменты времени, мы называем сигнал дискретныйа операция его извлечения из аналогового сигнала представляет собой дискретизация (рис. 1 b)). При дискретизации аналогового сигнала следует руководствоваться теоремой Котельникова, согласно которой частота дискретизации должна быть как минимум в два раза выше частоты спектра сигнала. Если теорема Котельникова не выполняется, часть данных, переданных в сигнале, будет потеряна. Например, при передаче сигнала в диапазоне 5,12 – 5,32 ГГц частота дискретизации должна быть не менее 10,64 ГГц; при передаче сигнала в диапазоне 2,432 – 2,452 ГГц частота дискретизации должна быть не менее 4,904 ГГц.

Если значения напряжения сигнала уменьшаются до нескольких конечных уровней, то результирующий сигнал называется количественноа операция по извлечению его из аналогового сигнала называется квантование (Рисунок 1(c)).

Результат двух операций, дискретизации и квантования, над аналоговым сигналом называется цифровой (Рисунок 1(d)).

Рисунок 1 – Временная зависимость гармонического сигнала в различных представлениях: а – аналоговое, б – дискретное, в – квантованное, г – цифровое

Используя цифровые сигналы, можно представить исходный аналоговый сигнал в виде конечной числовой последовательности, что облегчает хранение и обработку данных, а также делает возможными схемы кодирования.

Чтобы объяснить технику кодирования, давайте рассмотрим часть сигнала, показанную на рисунке 1(d). Для квантования сигнала используется восемь уровней, что означает, что для численного представления каждого уровня в двоичном виде требуется три бита. В нулевой момент времени значение сигнала соответствует уровню “100“, при следующем подсчете уровень остается на отметке “100“, то значение сигнала увеличивается и соответствует уровню “101“, в следующем отсчете сигнал снова увеличивается и находится на уровне “110” и т.д. Окончательная цифровая запись сигнала показана на рисунке 2, т.е. исходный аналоговый сигнал представлен в виде последовательности ” “.100100101110111111110110100100“.

Рисунок 2 – Часть гармонического сигнала, записанного в цифровом формате

Обратите внимание, что при оцифровке аналогового сигнала часть данных сигнала будет потеряна, а сходство сигналов будет зависеть от частоты дискретизации и количества уровней квантования. Так работают музыкальные кодеки: один и тот же аудиопоток может быть закодирован разными кодеками, что влияет на размер файла записи и субъективное качество воспроизведения. Поэтому при преобразовании аналогового сигнала в цифровой важно учитывать объем выходных данных и степень важности данных, которые теряются в процессе преобразования.

Важным преимуществом цифровых сигналов является их повторяемость: принятый аналоговый сигнал может быть усилен, но шум будет усилен вместе с сигнальной составляющей, в то время как цифровой сигнал может быть сначала декодирован, а затем сгенерирован заново.

Кодирование

Кодирование – это однозначное преобразование числовой последовательности в другую числовую последовательность, обычно большей длины. Кодирование используется для обнаружения и/или исправления ошибок, возникающих при передаче данных.

Рассмотрим простой тип кодирования проверки на четность: запишем числовую последовательность, полученную в предыдущем параграфе, элемент за элементом в столбец:

Рисунок 3 – Пример кодирования числовой строки с помощью кода проверки четности

К каждому из этих символов мы добавляем дополнительный бит, который является нулем, если сумма битов числа четная, и единицей, если сумма битов числа нечетная. Таким образом, сумма битов нового четырехзначного числа четная.

При передаче последовательность модулирует несущий сигнал и передается по воздуху. Полученный сигнал декодируется на приемной стороне и делится на 4-битные последовательности, каждая из которых кодирует один символ. Затем каждое из 4-битных чисел проверяется на четность, и если сумма битов нечетная, то ошибка передачи символа исправляется. Код с проверкой на четность может обнаружить только ошибку передачи одного символа, т.е. если два из четырех битов приняты неправильно, ошибка не обнаруживается. Рассматриваемый метод кодирования достаточно прост, однако существуют более сложные конструкции кодирования, позволяющие не только обнаружить, но и исправить одну или несколько ошибок.

Модуляция

Сигнал, содержащий информацию, занимает определенную полосу частот и находится в области низких частот и называется модуляция. Высокочастотный сигнал, один или несколько параметров которого изменяются в зависимости от модулирующего сигнала, называется модулированный. Процесс преобразования высокочастотного гармонического сигнала, в ходе которого спектр информационного сигнала смещается в высокочастотный диапазон, называется модуляция. Использование этого преобразования имеет два преимущества:

Перемещение спектра сигнала в высокочастотный диапазон уменьшает размеры приемной и передающей антенн, как показано в уроке “Антенны”;
Перемещение спектра сигнала на определенную частоту позволяет реализовать некоторые схемы множественного доступа, такие как FDMA, OFDMA, как обсуждалось в уроке “Методы множественного доступа”.

Схема модуляции

Процесс модуляции предполагает изменение амплитуды, частоты или фазы несущей частоты в зависимости от поступающих данных.

Объяснение процесса модуляции приведено на рисунке 4. Генератор несущей генерирует опорный сигнал, представляющий собой гармонический сигнал заданной частоты, который подается на вход модулятора. Источник передаваемого сообщения создает поток битов для передачи принимающей стороне. В соответствии с сформированным битовым потоком в блочном модуляторе формируется один или несколько параметров опорного сигнала, после чего результирующий сигнал передается в последовательных каскадах передатчика и излучается в сторону приемника.

Рисунок 4 – Схема модуляции

Созвездие сигналов IQ

Одним из инструментов для оценки схемы модуляции сигнала является изображение созвездие сигналовэто способ представления радиосигнала в виде двумерной точечной диаграммы на комплексной плоскости. Каждый сигнал может быть представлен как сумма сигналов в фазе ( I ) и квадратура ( Q ) и представляется как точка на комплексной плоскости. Набор сигналов, который генерируется передатчиком и который, искажаясь в процессе распространения, обнаруживается на приемном конце, образует набор точек на комплексной плоскости, называемый сигнальным созвездием.

Рисунок 5 – Система координат, используемая для представления сигнального созвездия

В качестве примера рассмотрим систему BPSK (двоичная фазовая манипуляция), которая будет более подробно описана ниже. Для передачи символа “1” используется сигнал с нулевой начальной фазой, сигнал, сдвинутый на π относительно первого, т.е. в системе разрешены только два сигнала, и если принимается сигнал с отличным от разрешенного значением фазы, то этот сигнал будет коррелирован с одним из заданных. Таким образом, созвездие сигнала для рассматриваемого примера будет выглядеть следующим образом:

Рисунок 6 – Созвездие сигналов для BPSK (FM-2)

Рассмотрим пример передачи потока данных “10110100“, используя различные виды модуляции. В принятой терминологии проводится различие между модуляцией аналоговых и цифровых сигналов – модуляция цифровых сигналов называется манипуляция. Следующие примеры будут рассматриваться для цифровых сигналов, поэтому будет использоваться термин манипуляция.

Амплитудно-сдвиговая манипуляция (ASK, AM)

С помощью амплитудной манипуляции каждому передаваемому символу присваивается высокочастотный сигнал с различной амплитудой. На рисунке 5(b) сигнал с амплитудой 1 присвоен передаваемому символу ‘1’, а сигнал с амплитудой 0,5 присвоен передаваемому символу ‘0’. На рисунке 5(c) используется большее количество амплитуд сигналов, что позволяет разместить два информационных символа в одном пакете: знаки “11” соответствуют сигналу с амплитудой 1, “10” – сигналу с амплитудой 0,75, “01” – с амплитудой 0,5, “00” – с амплитудой 0,25. Таким образом, выбранная схема модуляции влияет на количество информационных символов, передаваемых в течение одного сообщение персонажа.

Количество уровней амплитуды сигнала зависит от аппаратных возможностей передающей и принимающей сторон, а также от характеристик канала, и напрямую влияет на скорость передачи данных. Таким образом, для одного и того же временного интервала использование четырехуровневой амплитудной манипуляции (AM-4) приводит к увеличению скорости передачи данных в два раза по сравнению с двоичной амплитудной манипуляцией (AM-2). Этот пример показан на рисунке 7: оригинальная последовательность передается с помощью AM-4 (рисунок 7(c)) в четырех элементарных пакетах, а с помощью AM-2 (рисунок 7(b)) – в восемь. Обратите внимание, что помимо рассмотренных типов амплитудной манипуляции, возможно использование и других типов – AM-8, AM-16 и т.д.

Рисунок 7 – Осциллограммы амплитудной манипуляции: a – исходная последовательность данных, b – AM-2, c – AM-4.

Частотный сдвиг ключа (FSK, FM)

Частотный сдвиг ключа используется для присвоения ВЧ-сигнала определенной частоты каждому из информационных символов. Например, при двоичной частотной манипуляции FM-2 используется два частотных сигнала, а при FM-4 – четыре частотных сигнала. Как и при амплитудной манипуляции, количество используемых сигналов влияет на скорость передачи и зависит от аппаратных возможностей оборудования и качества канала связи. На рисунке 8 показаны осциллограммы модулированного сигнала FM-2:

Рисунок 8 – Осциллограммы частотных манипуляций: a – исходная последовательность данных, b – сигнал, соответствующий символу “1”, c – сигнал, соответствующий символу “0”, d – сигнал, полученный в результате FM-2 манипуляции

Фазовый сдвиг ключа (PSK, FM)

С помощью фазосдвигающего ключа высокочастотные сигналы с различными значениями начальной фазы подбираются к наложенным символам. Пример использования PM-2 для манипулирования последовательностью данных показан на рисунке 9: символ “1” соответствует сигналу с нулевой начальной фазой, а символ “0” – сигналу со значением фазы π. Схемы, использующие высшие ступени манипуляции FM-4, FM-8 и т.д., аналогичны для амплитудной и частотной манипуляции.

Рисунок 9 – Осциллограммы фазового сдвига: a – исходная последовательность данных, b – сигнал, соответствующий символу “1”, c – сигнал, соответствующий символу “0”, d – сигнал, полученный в результате манипуляции FM-2.

Квадратурная амплитудная манипуляция (QAM, CAM)

При вышеперечисленных видах манипуляций, согласно информационному сообщению, изменяется один из параметров высокочастотного сигнала: амплитуда, частота или фаза. Квадратурно-амплитудная манипуляция использует комбинацию различных уровней амплитуды и фазовых сдвигов, которые располагаются в соответствии с передаваемыми битами информации. Так, в QAM-16 допускается 4 значения амплитуды и 4 значения фазового сдвига, что при объединении “каждый к каждому” дает 16 возможных вариаций сигнала, каждая из которых соответствует точке в сигнальном созвездии:

Рисунок 10 – Созвездие сигнала QAM-16

Пусть при передаче рассматриваемой последовательности информации используется QAM-16. Тогда осциллограммы модулированного сигнала будут выглядеть следующим образом:

Рисунок 11 – Осциллограммы QAM-16.

Мультиплексирование с ортогональным частотным разделением (OFDM)

Одной из проблем при распространении сигнала, как показано в уроке “Принципы распространения радиосигналов”, является мультиплексирование, следствием которого является межсимвольная интерференция (MSI). Одним из способов борьбы с MSI является использование OFDM, который делит используемую полосу частот на несколько поднесущих, каждая из которых использует уменьшенную модуляцию с большим защитным интервалом, сохраняя при этом общую скорость передачи. Кроме того, использование OFDM позволяет системе быть более устойчивой к частотно-селективным помехам, поскольку на нее будут воздействовать только отдельные поднесущие, а не весь спектр сигнала. Недостатком этого метода является чувствительность к эффекту Доплера.

Рассмотрим пример с 8 поднесущими OFDM, каждая из которых модулирована QAM-16. Пример показан на рисунке 12. Из-за типа манипуляции на каждой поднесущей QAM-16, один символьный пакет соответствует передаче 4 бит информации. По этой причине поток информационных битов должен быть разделен на блоки по 4 бита каждый. Фаза и амплитуда высокочастотного сигнала – пакета символов – затем присваивается каждому из четырехбитных блоков. На следующем этапе поток символов (не путать с потоком битов необработанных данных) делится на 8 параллельных каналов в соответствии с количеством поднесущих.

Рисунок 12 – Распределение потока битов данных на восемь каналов с манипуляцией QAM-16 в каждом из них

Затем каждый из этих потоков поступает в радиоканал, где каждый из них переносится на заданную частоту и передается в эфир:

Рисунок 13 – Распределение генерируемых потоков по поднесущим в радиотракте

На приемной стороне выполняются обратные преобразования радиотракта, после чего оцениваются фаза и амплитуда сигнала на каждой поднесущей. После оценки параметров сигнала он сопоставляется с разрешенным сигнальным созвездием – оранжевой точкой на рисунке 14(a). Поскольку параметры сигнала изменились в процессе распространения, он не соответствует точно разрешенной позиции сигнального созвездия, но в данном случае можно сделать вывод, что была передана последовательность ‘0001’, так как она является самой близкой. Таким образом, созвездие может определить область вокруг каждого разрешенного сигнала, в которую будут уменьшены принятые сигналы, параметры которых попадают в эту область. Например, можно использовать квадратные области, как на рисунке 14(b).

Рисунок 14 – Сравнение принятого сигнала и созвездия сигнала на стороне приема для QAM-16 (a и b) и QAM-4 (c)

Однако в случае, если сигнал сильно искажается во время распространения и на самом деле передается другая последовательность, например, “0011”, произойдет ошибка. В системах беспроводной связи путем периодической отправки служебных сообщений постоянно контролируются параметры радиоканала, и если возникает описанная ситуация, система может понизить уровень манипуляции, например, до QAM-4. Это позволит уменьшить количество ошибок передачи за счет снижения скорости в канале. Созвездие сигнала после изменения манипуляции показано на рисунке 14(c). Когда манипуляция уменьшается, область вокруг каждого из разрешенных состояний увеличивается, что напрямую влияет на коэффициент ошибок при передаче.

Скорость передачи данных

Скорость передачи данных напрямую зависит от метода кодирования и используемого метода манипулирования. Рассмотрим пример одночастотного канала с манипуляцией QAM-64 5/6, т.е. один пакет символов соответствует шести битам данных. Кроме того, исходная последовательность кодируется таким образом, что на каждые 5 битов исходной последовательности добавляется 1 избыточный бит. Предположим, что длительность символьного сообщения составляет 1 мкс, тогда:

Не имеет значения, передается ли сигнал по проводам или по радио. Передатчик непрерывно передает, а приемник обрабатывает информацию аналогового типа. Приемник преобразует напряжение в соответствующий звук или цвет, принимая непрерывный электрический сигнал по проводу или радиосигнал в воздухе. На экране появляется изображение или через громкоговоритель раздается звук.

Примеры передачи цифровых и аналоговых сигналов

Цифровые технологии постепенно вытесняют аналоговые и уже широко используются во всех сферах жизни. Часто мы даже не замечаем этого, однако цифровые технологии окружают нас повсюду.

Компьютеризация

Первые аналоговые компьютеры были разработаны в 1930-х гг. Это были довольно примитивные устройства для узкоспециализированных задач. Аналоговые компьютеры появились в 1940-х годах и получили широкое распространение в 1960-х годах.

Они постоянно совершенствовались, но постепенно уступали место цифровым устройствам по мере увеличения объема обрабатываемой информации. Аналоговые компьютеры хорошо подходят для автоматического управления производственными процессами благодаря своей мгновенной реакции на изменения поступающих данных. Но скорость работы медленная, а объем данных ограничен. Поэтому аналоговые сигналы используются только в некоторых локальных сетях. В основном они используются для мониторинга и управления промышленными процессами. Входными данными являются температура, влажность, давление, скорость ветра и тому подобное.

В некоторых случаях аналоговые компьютеры используются для решения задач, где точность обмена расчетными данными не так важна, как в случае с цифровыми компьютерами.

В начале 21 века технология аналоговых сигналов уступила место цифровой технологии. В вычислительной технике смешанные цифровые и аналоговые сигналы используются для обработки данных только на некоторых интегральных схемах.

Звукозапись и телефония

Виниловая пластинка и магнитная лента – два выдающихся представителя аналогового сигнала для воспроизведения звука. Обе модели до сих пор выпускаются и пользуются спросом у некоторых ценителей. Многие музыканты считают, что только при записи альбома на пленку можно добиться богатого, аутентичного звучания. Любителям музыки нравится слушать пластинки с характерным гулом и треском. С 1972 года появились магнитофоны, позволяющие осуществлять цифровую запись на магнитную ленту, но они не пользовались популярностью из-за высокой стоимости и больших размеров. Они используются только в профессиональной звукозаписи.

Другим примером аналоговых и цифровых сигналов в звукозаписи является звуковой микшер и синтезатор. Чаще всего используются цифровые устройства, а использование аналоговых устройств обусловлено привычками и предрассудками. Считается, что цифровая запись еще не достигла этого всеохватывающего эффекта передачи музыки. И это присуще только аналоговым сигналам.

С другой стороны, молодежь не представляет себе музыку без MP3-файлов, хранящихся на телефонах, картах памяти и компьютерах. Интернет-сервисы предоставляют доступ к своим хранилищам, содержащим миллионы цифровых записей.

Телефония пошла еще дальше. Цифровая мобильная телефония уже почти полностью вытеснила проводную телефонию. Последние остаются в государственных учреждениях, учреждениях здравоохранения и подобных организациях. Большинство уже не представляют себе жизни без мобильного телефона и как привязанные к проводу. Сотовая связь, являющаяся основой передачи данных, благодаря своему цифровому сигналу надежно соединяет абонентов по всему миру.

Электрические измерения

Цифровая обработка и передача данных прочно обосновалась в электроизмерениях. Электронные осциллографы, вольтметры и амперметры, мультиметры. Все приборы, в которых информация отображается в электронном виде, используют цифровой сигнал для передачи измерений. В быту это чаще всего проявляется в виде стабилизаторов и регуляторов напряжения. Оба устройства измеряют напряжение сети, обрабатывают его и посылают цифровой сигнал на дисплей.

Все чаще цифровые технологии используются для передачи данных электрических измерений на большие расстояния. На подстанциях и в диспетчерских пунктах устанавливаются цифровые устройства для контроля за состоянием электрической сети. Аналоговые приборы популярны только в распределительных устройствах, непосредственно в точках измерения.

Еще одно распространенное применение цифровых сигналов – счетчики электроэнергии. Домохозяйства часто забывают проверить показания своего счетчика и зачислить их на свой лицевой счет или передать в энергетическую компанию. Цифровые системы учета могут избавить вас от этой проблемы. Показания поступают непосредственно в систему учета. Поэтому нет необходимости в постоянной связи между абонентом и поставщиком, можно иногда зайти в личный кабинет и проверить данные.

Аналоговое и цифровое телевидение

Человечество живет с аналоговым телевидением уже много лет. Она проста и понятна. Сначала по антенне, затем по кабелю с немного лучшим качеством. Простая антенна, телевизор и изображение посредственного качества. Но технология записи и хранения видеоданных намного превзошла аналоговый сигнал. И он уже не может полностью воспроизвести современный фильм или телевизионную программу. Только цифровое телевидение может обеспечить качество, стабильность и хороший сигнал.

Цифровое телевидение имеет множество преимуществ. Первый и самый важный из них – это сжатие сигнала. Это позволило увеличить количество каналов, которые можно просматривать. Он также улучшил качество изображения и звука, что очень важно для современных телевизоров с большими экранами. Это также позволило выводить на экран информацию о транслируемой программе, следующих телепередачах и т.д.

Наряду с преимуществами возникает небольшая проблема. Для приема цифрового сигнала необходим специальный тюнер.

Технические характеристики эфирного телевидения

Для приема цифрового эфирного сигнала необходим тюнер T2, также известный как приемник, декодер или декодер DVB-T2. Большинство современных LED-телевизоров оснащены ими с самого начала. Поэтому их владельцам не о чем беспокоиться. После отключения аналогового телевидения остается только переключить каналы.

Для владельцев старых телевизоров без встроенного тюнера T2 проблем не существует. Здесь дело обстоит просто. Вам необходимо приобрести отдельный декодер DVB-T2, который принимает сигнал T2, обрабатывает его и передает изображение на экран. Приставку можно легко подключить к любому телевизору.

Цифровой сигнал используется во всех основных сферах жизни. Телевидение не является исключением. Не нужно бояться нового. Большинство телевизоров уже оснащены всем необходимым, но для старых телевизоров можно приобрести недорогую приставку. Тем более что его легко настроить. Качество изображения и звука лучше.

Читайте далее: