Аналоговый и цифровой сигнал: что такое дискретность

Виды сигналов

Сигнал — это изменение физической величины во времени и пространстве. По сути, это коды для обмена данными в информационной и управленческой средах. Любой сигнал можно представить графически как функцию. По линии на графике можно определить тип и характеристики сигнала. Аналоговый будет выглядеть как непрерывная кривая, цифровой — как ломаная прямоугольная линия, переходящая от нуля к единице. Все, что мы видим глазами и слышим ушами, поступает в виде аналогового сигнала.

Аналоговый сигнал

Зрение, слух, вкус, запах и тактильные ощущения приходят к нам в виде аналогового сигнала. Мозг управляет органами и получает от них информацию в аналоговой форме. В природе вся информация передается только таким образом.

В электронике аналоговый сигнал основан на передаче электричества. Некоторые значения напряжения соответствуют частоте и амплитуде звука, цвету и яркости света изображения и так далее. То есть цвет, звук или информация аналогичны электрическому напряжению.

Например: мы устанавливаем передачу цвета с определенным напряжением: синий 2 В, красный 3 В, зеленый 4 В. Изменяя напряжение, мы получаем изображение соответствующего цвета на экране.

В этом случае не имеет значения, идет ли сигнал по проводам или по радио. Передатчик отправляет непрерывно, а приемник обрабатывает аналоговую информацию. Получая непрерывный электрический сигнал по кабелям или радиосигнал по воздуху, приемник преобразует напряжение в соответствующий звук или цвет. Изображение отображается на экране или звук выводится через динамик.

Дискретный сигнал

Дело в названии. Дискретный от латинского discretus, что означает прерывистый (разделенный). Можно сказать, что дискретная повторяет амплитуду аналоговой, но плавная кривая переходит в ступенчатую. Меняется во времени, остается непрерывным по величине или уровню без прерывания во времени.

Таким образом, в течение определенного периода времени (например, миллисекунды или секунды) дискретный сигнал будет иметь какое-то заданное значение. По истечении этого времени он резко изменится вверх или вниз и останется таким еще миллисекунду или секунду. И так непрестанно. Следовательно, дискретное преобразование в аналоговое. То есть на полпути к цифровому.

Цифровой сигнал

После дискретного преобразования следующим шагом аналогового преобразования был цифровой сигнал. Основная особенность — есть или нет. Вся информация преобразуется в сигналы, ограниченные по времени и амплитуде. Сигналы технологии цифровой передачи данных кодируются от нуля и единицы в разных версиях. И в основе лежит бит, который принимает одно из этих значений. Бит из английской двоичной или двоичной цифры.

Но один бит имеет ограниченную способность передавать информацию, поэтому они были объединены в блоки. Чем больше битов в блоке, тем больше информации он несет. В цифровых технологиях биты комбинируются в количестве, кратном 8. Блок из восьми битов называется байтом. Байт — это небольшое значение, но в нем уже может храниться зашифрованная информация обо всех буквах алфавита. Однако добавление всего одного бита удваивает количество комбинаций нуля и единицы. И если 8 бит делают возможными 256 вариантов кодирования, то 16 уже составляет 65536. Килобайт или 1024 байта ни в коем случае не малое значение.

ВНИМАНИЕ! Нет ошибки, что 1 КБ равен 1024 байтам. Так обстоит дело в среде двоичных вычислений. Но десятичная система очень распространена в мире, где килограмм равен 1000. Таким образом, есть также десятичный килобайт, равный 1000 байтам.

Много информации хранится в большом количестве объединенных байтов, плюс комбинации единиц и нулей, плюс закодированные. Следовательно, в 5–10 МБ (5000–10000 кБ) мы имеем данные музыкальной дорожки хорошего качества. Идите вперед, и фильм уже закодирован в 1000 МБ.

Параметры аналоговых сигналов

Аналоговые сигналы меняются плавно и непрерывно с течением времени, поэтому их можно изобразить в виде гладкой кривой.

В природе подавляющее большинство процессов принципиально аналоговые. Например, звук — это изменение давления воздуха, которое можно преобразовать в электрическое напряжение с помощью микрофона. Подав это напряжение на вход осциллографа, вы можете увидеть график, аналогичный показанному на рисунке 4.1, то есть вы можете построить график изменения давления воздуха во времени.

Чтобы лучше представить аналоговую информацию, подумайте о традиционном автомобильном спидометре. По мере увеличения скорости автомобиля стрелка плавно перемещается по шкале от одного числа к другому. Другой пример — настройка на радиостанцию ​​в радиоприемнике: при повороте ручки принимаемая частота постепенно изменяется.

Большинство аналоговых сигналов являются циклическими или периодическими, например радиоволны, которые представляют собой высокочастотные колебания электромагнитного поля. Такие циклические аналоговые сигналы обычно характеризуются тремя параметрами.

• Амплитуда. Максимальное или минимальное значение сигнала, например высота волны.
• Частота. Количество циклических изменений сигнала в секунду. Частота измеряется в герцах (Гц); 1 Гц — это один цикл в секунду.
• Фаза. Положение волны относительно другой волны или относительно определенного момента времени, служащего ориентиром. Фаза обычно измеряется в градусах, и считается, что полный цикл составляет 360 градусов.

Отличие дискретного сигнала от цифрового

Наверное, все слышали об азбуке Морзе. Изобретенный художником Сэмюэлем Морсом, другие новаторы улучшили и использовали все. Это способ передачи текста, в котором буквы кодируются точками и тире. Проще говоря, кодирование называется кодом Морзе. Долгое время его использовали в телеграфе и для передачи информации по радио. Также можно сигнализировать прожектором или фонариком.

Азбука Морзе зависит только от самого знака. И не о его продолжительности или объеме (силе). Как ни нажимаешь клавишу (мигает фонариком) воспринимаются только два варианта — точка и тире. Можно только увеличить скорость передачи. Не учитываются ни объем, ни продолжительность. Главное, чтобы сигнал прошел.

То же самое и с цифровым сигналом. Важно кодировать данные с помощью 0 и 1. Получатель должен только проанализировать комбинацию нулей и единиц. Неважно, насколько громким и длительным будет каждый сигнал. Важно получить те и те. В этом суть цифровых технологий.

Вы получите дискретный сигнал, если закодируете большую громкость (яркость) и продолжительность каждой точки и тире или 0 и 1. В этом случае есть больше вариантов кодирования, но также есть путаница. Объем и продолжительность могут быть неразличимы. В этом разница между цифровыми и дискретными сигналами. Цифровой формат генерируется и воспринимается уникальным образом, дискретно с вариациями.

Параметры цифровых сигналов

Другое название цифровых сигналов — сдержанный. Нередко встречается термин дискретные состояния. Цифровые сигналы переходят из одного дискретного состояния в другое практически мгновенно, не останавливаясь в промежуточных состояниях (рис. 4.2).

Примером цифрового сигнала может быть показание последнего цифрового спидометра автомобиля (сравните с примером аналогового спидометра в предыдущем разделе). По мере увеличения скорости автомобиля числа, показывающие скорость в километрах в час, меняются скачкообразно, и значение сигнала в основном дискретное: например, нет промежуточных значений между дискретными состояниями «125 км / ч» и «126 км / ч». Другой пример цифровой информации — радио последнего поколения, где пользователь вводит точное число, равное частоте радиостанции, чтобы настроиться на определенную станцию.

Весь мир в двух цифрах

Пришло время заняться цифровым сигналом. И тут сразу стоит уточнить, о каких цифрах идет речь. Почти два:

• 0, или «ноль» — отсутствие сигнала (напряжения, если мы говорим о передаче по проводам);
• 1, или «единица», сигнал подан (напряжение в сети есть и не важно какое);

Поэтому при просмотре цифрового сигнала на экране осциллографа мы видим не постепенно изменяющуюся линию, а периодически поднимающиеся прямоугольные «зубцы», верхняя линия которых соответствует значению приложенного напряжения.

Это «единица» или сигнал. А в промежутке между ними линия нулевая, напряжения нет. Этот тип называется дискретным, состоящим из отдельных элементов.

Самый простой пример цифрового сигнала — это азбука Морзе. Закодированные с его помощью сообщения могут передаваться по кабелю, звуку, свету или записываться на телеграфную ленту.

Но сейчас у нас эпоха цифровых технологий и даже ребенок знает, что с помощью нулей и единиц можно записать любую информацию с помощью двоичного кода. Только специалисты умеют это делать. Он использует сложную систему кодов, описывающих, как считывать последовательность импульсов и какую информацию они описывают.

Например, в музыке аналоговая синусоида звуковых колебаний разбивается на отдельные временные отрезки, и для каждого из них определяется значение напряжения в данный момент. Чем меньше эти интервалы (частота дискретизации), тем точнее можно описать исходную синусоиду, но она уже получится в виде множества шагов.

Оцифровка звука применяется повсеместно (в компьютерах, в мобильной связи), поэтому для облегчения этой задачи есть два типа устройств:

• аналого-цифровой преобразователь (АЦП);
• цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП).

Пример аудио более четко показывает, как преобразовать аналоговый сигнал в цифровой и наоборот. Но на самом деле у цифрового сигнала гораздо больше возможностей. В конце концов, фигура также может описывать изображение, устанавливая значения насыщенности компонентов RGB для каждого отдельного пикселя. Или отправьте подробную информацию о параметрах устройства.

Аналоговый и цифровой сигнал. Типы сигналов и как это действует

Сигналы — это информационные коды, используемые людьми для передачи сообщений в информационной системе. Сигнал может быть подан, но принимать его не обязательно. В то время как сообщение может рассматриваться только как сигнал (или набор сигналов), который был получен и декодирован получателем (аналоговый и цифровой сигнал).

Одним из первых способов передачи информации без участия людей или других живых существ были сигнальные пожары. Когда возникала опасность, от столба до столба постоянно зажигали костры. Далее мы рассмотрим способ передачи информации с помощью электромагнитных сигналов и подробно остановимся на рассмотрении темы аналоговых и цифровых сигналов.

Любой сигнал можно представить в виде функции, описывающей изменение его характеристик. Этот вид полезен при изучении радиотехнических устройств и систем. Помимо сигнала в радиотехнике есть еще шум, который является его альтернативой. Шум не несет полезной информации и искажает сигнал, взаимодействуя с ним.

Сама концепция позволяет абстрагироваться от конкретных физических величин при рассмотрении явлений, связанных с кодированием и декодированием информации. Математическая модель искомого сигнала позволяет опираться на параметры временной функции.

Типы сигналов

Сигналы на физическом носителе носителя информации делятся на электрические, оптические, акустические и электромагнитные.

В зависимости от метода настройки сигнал может быть плавным или нерегулярным. Регулярный сигнал представлен как детерминированная функция времени. Неправильный сигнал в радиотехнике представлен хаотической функцией времени и анализируется с использованием вероятностного подхода.

Сигналы, в зависимости от функции, описывающей параметры, могут быть аналоговыми и дискретными. Дискретный сигнал, который был квантован, называется цифровым сигналом.

Обработка сигнала

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

Аналоговые сигналы усиливаются, фильтруются, модулируются и демодулируются. Цифровые, помимо этого, еще могут подвергаться сжатию, детектированию и т.д.

Аналоговый сигнал

Наши органы чувств воспринимают всю поступающую в него информацию в аналоговой форме. Например, если мы видим проезжающую машину, мы видим, что она движется непрерывно.

Если бы наш мозг мог получать информацию о его местонахождении каждые 10 секунд, люди постоянно попадали бы под колеса.

Но мы можем оценить расстояние намного быстрее, и это расстояние в любой момент четко определено.

Примечание

Абсолютно то же самое происходит с другой информацией: мы можем в любой момент оценить громкость, почувствовать, насколько сильно наши пальцы оказывают давление на предметы и т.д.

Другими словами, практически вся информация, которая может возникнуть в природе, имеет аналоговую форму.

Самый простой способ передать эту информацию — через аналоговые сигналы, которые являются непрерывными и всегда определяются.

Чтобы понять, как выглядит аналоговый электрический сигнал, вы можете представить график, показывающий амплитуду по вертикальной оси и время по горизонтальной оси.

Если, например, мы измеряем изменение температуры, то на графике появится непрерывная линия, которая будет отображать ее значение в каждый момент времени. Чтобы передать такой сигнал с помощью электрического тока, нам нужно сравнить значение температуры со значением напряжения.

Так, например, 35,342 градуса Цельсия можно закодировать как напряжение 3,5342 В.

Аналоговые сигналы использовались во всех типах связи. Чтобы избежать помех, этот сигнал необходимо усилить. Чем выше уровень шума, то есть помех, тем больше необходимо усилить сигнал, чтобы его можно было принимать без искажений. Этот метод обработки сигналов использует много энергии для выработки тепла. В этом случае усиленный сигнал сам может создавать помехи другим каналам связи.

В настоящее время аналоговые сигналы все еще используются на телевидении и радио для преобразования входящего сигнала в микрофоны. Но в целом этот тип сигнала повсеместно вытесняется или вытесняется цифровыми сигналами.

Цифровой сигнал

Цифровой сигнал представлен последовательностью цифровых значений. Сегодня чаще используются двоичные цифровые сигналы, поскольку они используются 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, сигнал будет формироваться иначе.

Если напряжение, подаваемое аналоговым сигналом, соответствует измеренному значению температуры, то определенное количество импульсов напряжения будет подаваться на цифровой сигнал для каждого значения температуры.

Важный

Сам импульс напряжения будет равен «1», а отсутствие напряжения — «0». Приемное оборудование декодирует импульсы и восстанавливает исходные данные.

Представляя, как цифровой сигнал появится на графике, мы увидим, что переход от нуля к максимальному значению происходит скачкообразно. Именно эта функция позволяет приемному оборудованию более четко «видеть» сигнал. В случае помех приемнику легче декодировать сигнал, чем при аналоговой передаче.

Однако невозможно получить цифровой сигнал с очень высоким уровнем шума,