Tipi di segnali: analogici, digitali, discreti. Differenza tra segnale analogico e digitale Con quali segnali funzionano i dispositivi digitali?

Molto spesso sentiamo definizioni come segnale “digitale” o “discreto”: qual è la differenza rispetto ad “analogico”?

L'essenza della differenza è che il segnale analogico è continuo nel tempo (linea blu), mentre il segnale digitale è costituito da un insieme limitato di coordinate (punti rossi). Se riduciamo tutto alle coordinate, qualsiasi segmento di un segnale analogico è costituito da un numero infinito di coordinate.

Per un segnale digitale, le coordinate lungo l'asse orizzontale si trovano ad intervalli regolari, secondo la frequenza di campionamento. Nel comune formato CD audio si tratta di 44100 punti al secondo. La precisione verticale dell'altezza delle coordinate corrisponde alla profondità di bit del segnale digitale; per 8 bit è di 256 livelli, per 16 bit = 65536 e per 24 bit = 16777216 livelli. Maggiore è la profondità di bit (numero di livelli), più vicine sono le coordinate verticali all'onda originale.

Le fonti analogiche sono: vinile e audiocassette. Le fonti digitali sono: CD-Audio, DVD-Audio, SA-CD (DSD) e file nei formati WAVE e DSD (compresi i derivati ​​di APE, Flac, Mp3, Ogg, ecc.).

Vantaggi e svantaggi del segnale analogico

Lo svantaggio di un segnale analogico è la capacità di memorizzare, trasmettere e replicare il segnale. Quando si registra su nastro magnetico o vinile, la qualità del segnale dipenderà dalle proprietà del nastro o del vinile. Nel tempo, il nastro si smagnetizza e la qualità del segnale registrato si deteriora. Ogni lettura distrugge gradualmente il supporto e la riscrittura introduce ulteriori distorsioni, dove ulteriori deviazioni vengono aggiunte dal supporto successivo (nastro o vinile), dai dispositivi di lettura, scrittura e trasmissione del segnale.

Fare una copia di un segnale analogico è come copiare una fotografia fotografandola nuovamente.

Vantaggi e svantaggi del segnale digitale

Lo svantaggio principale è che il segnale digitale è uno stadio intermedio e la precisione del segnale analogico finale dipenderà da quanto dettagliatamente e accuratamente l'onda sonora viene descritta dalle coordinate. È abbastanza logico che più punti ci sono e più precise sono le coordinate, più precisa sarà l'onda. Ma non c'è ancora consenso su quale numero di coordinate e precisione dei dati sia sufficiente per dire che la rappresentazione digitale del segnale è sufficiente per ripristinare con precisione il segnale analogico, indistinguibile dall'originale alle nostre orecchie.

In termini di volume di dati, la capacità di una normale cassetta audio analogica è di soli 700-1,1 MB circa, mentre un normale CD contiene 700 MB. Questo dà un'idea della necessità di supporti ad alta capacità. E questo dà origine a una guerra separata di compromessi con requisiti diversi per il numero di punti descrittivi e l'accuratezza delle coordinate.

Oggi è considerato abbastanza sufficiente rappresentare un'onda sonora con una frequenza di campionamento di 44,1 kHz e una profondità di 16 bit. Con una frequenza di campionamento di 44,1 kHz è possibile ricostruire un segnale fino a 22 kHz. Come mostrano gli studi psicoacustici, un ulteriore aumento della frequenza di campionamento non è evidente, ma un aumento della profondità di bit dà un miglioramento soggettivo.

Come i DAC costruiscono un'onda

DAC multibit

L'ingresso DAC riceve il valore della coordinata verticale successiva e ad ogni ciclo di clock commuta il livello di corrente (tensione) al livello appropriato fino alla modifica successiva.

Sebbene si creda che l'orecchio umano non possa sentire più di 20 kHz e, secondo la teoria di Nyquist, è possibile ripristinare il segnale a 22 kHz, la qualità di questo segnale dopo il ripristino rimane una questione. Nella regione delle alte frequenze, la forma d'onda “a gradini” risultante è solitamente lontana da quella originale. La via più semplice per uscire da questa situazione è aumentare la frequenza di campionamento durante la registrazione, ma ciò porta ad un aumento significativo e indesiderato delle dimensioni del file.

Un'alternativa è aumentare artificialmente la frequenza di campionamento della riproduzione del DAC aggiungendo valori intermedi. Quelli. immaginiamo un percorso d'onda continuo (linea tratteggiata grigia) che collega uniformemente le coordinate originali (punti rossi) e aggiungiamo punti intermedi su questa linea (viola scuro).

Quando si aumenta la frequenza di campionamento, solitamente è necessario aumentare la profondità di bit in modo che le coordinate siano più vicine all'onda approssimata.

Grazie alle coordinate intermedie è possibile ridurre i “gradini” e costruire un'onda più vicina all'originale.

Quando vedi una funzione di boost da 44,1 a 192 kHz in un lettore o DAC esterno, si tratta di una funzione che aggiunge coordinate intermedie, non ripristina o crea suono nella regione superiore a 20 kHz.

Inizialmente, si trattava di chip SRC separati prima del DAC, che poi migravano direttamente sui chip DAC stessi. Oggi è possibile trovare soluzioni in cui tale chip viene aggiunto ai moderni DAC, questo viene fatto per fornire un'alternativa agli algoritmi integrati nel DAC e talvolta ottenere un suono ancora migliore (come ad esempio, questo viene fatto negli Hidizs AP100).

Il principale rifiuto nel settore dei DAC multibit è avvenuto a causa dell'impossibilità di un ulteriore sviluppo tecnologico degli indicatori di qualità con le attuali tecnologie di produzione e del costo più elevato rispetto ai DAC “a impulsi” con caratteristiche comparabili. Tuttavia, nei prodotti Hi-End, spesso si preferisce i vecchi DAC multi-bit piuttosto che nuove soluzioni con caratteristiche tecnicamente migliori.

Cambio DAC

L'ampiezza del segnale è il valore medio delle ampiezze degli impulsi (gli impulsi di uguale ampiezza sono mostrati in verde e l'onda sonora risultante è mostrata in bianco).

Ad esempio, una sequenza di otto cicli di cinque impulsi darà un'ampiezza media (1+1+1+0+0+1+1+0)/8=0,625. Maggiore è la frequenza portante, più impulsi vengono livellati e si ottiene un valore di ampiezza più accurato. Ciò ha permesso di presentare il flusso audio in formato a un bit con un'ampia gamma dinamica.

La media può essere eseguita con un normale filtro analogico e se un tale insieme di impulsi viene applicato direttamente all'altoparlante, in uscita otterremo il suono e le frequenze ultra alte non verranno riprodotte a causa dell'elevata inerzia dell'emettitore. Gli amplificatori PWM funzionano secondo questo principio in classe D, dove la densità energetica degli impulsi non è creata dal loro numero, ma dalla durata di ciascun impulso (che è più facile da implementare, ma non può essere descritta con un semplice codice binario).

Un DAC multibit può essere pensato come una stampante in grado di applicare il colore utilizzando gli inchiostri Pantone. Delta-Sigma è una stampante a getto d'inchiostro con una gamma di colori limitata, ma grazie alla possibilità di applicare punti molto piccoli (rispetto ad una stampante antler), produce più sfumature a causa della diversa densità di punti per unità di superficie.

A causa della bassa risoluzione dell'occhio, in un'immagine di solito non vediamo i singoli punti, ma solo il tono medio. Allo stesso modo, l'orecchio non sente gli impulsi individualmente.

In definitiva, con le attuali tecnologie nei DAC pulsati, è possibile ottenere un'onda vicina a quella che dovrebbe teoricamente essere ottenuta approssimando le coordinate intermedie.

Va notato che dopo l’avvento del DAC delta-sigma, l’importanza di disegnare un’“onda digitale” a passi è scomparsa, perché Questo è il modo in cui i moderni DAC non costruiscono un'onda passo dopo passo. È corretto costruire un segnale discreto con punti collegati da una linea liscia.

I DAC commutabili sono ideali?

Ma in pratica non tutto è roseo e ci sono una serie di problemi e limitazioni.

Perché Poiché in un segnale multi-bit viene memorizzato un numero enorme di record, la conversione in un segnale a impulsi utilizzando il principio "bit-to-bit" richiede una frequenza portante inutilmente elevata, che i moderni DAC non supportano.

La funzione principale dei moderni DAC a impulsi è convertire un segnale multi-bit in un segnale a bit singolo con una frequenza portante relativamente bassa con decimazione dei dati. Fondamentalmente, sono questi algoritmi che determinano la qualità del suono finale dei DAC a impulsi.

Per ridurre il problema dell'elevata frequenza portante, il flusso audio è diviso in diversi flussi da un bit, dove ciascun flusso è responsabile del proprio gruppo di bit, che equivale a un multiplo della frequenza portante del numero di flussi. Tali DAC sono chiamati delta-sigma multibit.

Oggi, i DAC pulsati hanno ricevuto una seconda ventata di chip ad alta velocità per uso generale nei prodotti NAD e Chord grazie alla capacità di programmare in modo flessibile algoritmi di conversione.

Formato DSD

Il formato non è stato ampiamente utilizzato per diversi motivi. La modifica dei file in questo formato si è rivelata inutilmente limitata: non è possibile mixare flussi, regolare il volume o applicare l'equalizzazione. Ciò significa che senza perdita di qualità è possibile archiviare solo registrazioni analogiche e produrre registrazioni dal vivo con due microfoni senza ulteriore elaborazione. In una parola, non puoi davvero fare soldi.

Nella lotta contro la pirateria, i dischi in formato SA-CD non erano (e non sono tuttora) supportati dai computer, il che rende impossibile farne copie. Nessuna copia – nessun vasto pubblico. Era possibile riprodurre contenuti audio DSD solo da un lettore SA-CD separato da un disco proprietario. Se per il formato PCM esiste uno standard SPDIF per il trasferimento di dati digitali da una sorgente a un DAC separato, allora per il formato DSD non esiste uno standard e le prime copie piratate dei dischi SA-CD sono state digitalizzate dalle uscite analogiche di SA- Lettori CD (anche se la situazione sembra stupida, ma in realtà alcune registrazioni sono state rilasciate solo su SA-CD, o la stessa registrazione su CD audio è stata deliberatamente realizzata di scarsa qualità per promuovere SA-CD).

La svolta avvenne con l’uscita delle console per videogiochi SONY, dove il disco SA-CD veniva automaticamente copiato sul disco rigido della console prima della riproduzione. I fan del formato DSD ne hanno approfittato. La comparsa di registrazioni piratate ha stimolato il mercato a rilasciare DAC separati per la riproduzione di flussi DSD. La maggior parte dei DAC esterni con supporto DSD oggi supportano il trasferimento dati USB utilizzando il formato DoP come codifica separata del segnale digitale tramite SPDIF.

Le frequenze portanti per DSD sono relativamente piccole, 2,8 e 5,6 MHz, ma questo flusso audio non richiede alcuna conversione di riduzione dei dati ed è abbastanza competitivo con i formati ad alta risoluzione come il DVD-Audio.

Non esiste una risposta chiara alla domanda su quale sia il migliore, DSP o PCM. Tutto dipende dalla qualità dell'implementazione di un particolare DAC e dal talento dell'ingegnere del suono durante la registrazione del file finale.

Conclusione generale

Un segnale analogico registrato direttamente su un'audiocassetta o su un vinile non può essere registrato nuovamente senza perdita di qualità, mentre un'onda nella rappresentazione digitale può essere copiata bit per bit.

I formati di registrazione digitale rappresentano un compromesso costante tra la quantità di precisione delle coordinate e la dimensione del file e qualsiasi segnale digitale è solo un'approssimazione del segnale analogico originale. Tuttavia, i diversi livelli di tecnologia per la registrazione e la riproduzione di un segnale digitale e la memorizzazione su supporti per un segnale analogico offrono maggiori vantaggi alla rappresentazione digitale del segnale, in modo simile a una fotocamera digitale rispetto a una fotocamera a pellicola.

La progettazione di circuiti digitali è la disciplina più importante studiata in tutti gli istituti di istruzione superiore e secondaria che formano specialisti in elettronica. Anche un vero radioamatore dovrebbe essere esperto in questo problema. Ma la maggior parte dei libri e dei libri di testo sono scritti in una lingua molto difficile da capire, e sarà difficile per un ingegnere elettronico principiante (forse uno studente scolastico) apprendere nuove informazioni. Una serie di nuovi materiali didattici del Maestro Keith è pensata per colmare questa lacuna: i nostri articoli spiegano concetti complessi nei termini più semplici.

8.1. Segnali analogici e digitali

Per prima cosa devi capire in che modo i circuiti analogici differiscono dai circuiti digitali. E la differenza principale sta nei segnali con cui funzionano questi circuiti.
Tutti i segnali possono essere suddivisi in due tipologie principali: analogici e digitali.

Segnali analogici

I segnali analogici ci sono quelli più familiari. Possiamo dire che l'intero mondo naturale che ci circonda è analogico. La nostra vista e il nostro udito, così come tutti gli altri sensi, percepiscono le informazioni in arrivo in forma analogica, cioè continuamente nel tempo. Trasmissione di informazioni sonore: linguaggio umano, suoni di strumenti musicali, ruggiti di animali, suoni della natura, ecc. – effettuato anche in forma analogica.
Per comprendere ancora meglio questo problema, disegniamo un segnale analogico (Fig. 1):

Fig. 1. Segnale analogico

Vediamo che il segnale analogico è continuo nel tempo e nell'ampiezza. In qualsiasi momento è possibile determinare il valore esatto dell'ampiezza del segnale analogico.

Segnali digitali

Analizziamo l'ampiezza del segnale non costantemente, ma discretamente, ad intervalli fissi. Ad esempio, una volta al secondo, o più spesso: dieci volte al secondo. La frequenza con cui lo facciamo è chiamata frequenza di campionamento: una volta al secondo - 1 Hz, mille volte al secondo - 1000 Hz o 1 kHz.

Per chiarezza, tracciamo i grafici dei segnali analogici (sopra) e digitali (sotto) (Fig. 2.):

Fig.2. Segnale analogico (in alto) e sua copia digitale (in basso)

Vediamo che ad ogni intervallo di tempo istantaneo possiamo conoscere il valore digitale istantaneo dell'ampiezza del segnale. Non sappiamo cosa succede al segnale (secondo quale legge cambia, qual è la sua ampiezza) tra gli intervalli di “controllo” questa informazione ci viene persa; Meno spesso controlliamo il livello del segnale (più bassa è la frequenza di campionamento), meno informazioni abbiamo sul segnale. Naturalmente è vero anche il contrario: maggiore è la frequenza di campionamento, migliore è la qualità della presentazione del segnale. Al limite, aumentando la frequenza di campionamento all'infinito, otteniamo quasi lo stesso segnale analogico.
Questo significa che un segnale analogico è comunque migliore di uno digitale? In teoria, forse, sì. Ma in pratica, i moderni convertitori analogico-digitali (ADC) funzionano con una frequenza di campionamento così elevata (fino a diversi milioni di campioni al secondo) e descrivono il segnale analogico in forma digitale in modo così qualitativo che i sensi umani (occhi, orecchie) possono non percepiscono più la differenza tra il segnale originale e il suo modello digitale. Un segnale digitale ha un vantaggio molto significativo: è più facile trasmettere tramite cavi o onde radio, le interferenze non hanno un effetto significativo su tale segnale. Pertanto, tutte le moderne comunicazioni mobili, trasmissioni televisive e radiofoniche sono digitali.

Il grafico in basso in Fig. 2 è facile da immaginare in un'altra forma - come una lunga sequenza di una coppia di numeri: tempo/ampiezza. E i numeri sono esattamente ciò di cui hanno bisogno i circuiti digitali. È vero, i circuiti digitali preferiscono lavorare con i numeri in una rappresentazione speciale, ma ne parleremo nella prossima lezione.

Ora possiamo trarre importanti conclusioni:

Il segnale digitale è discreto, può essere determinato solo per singoli istanti nel tempo;
- maggiore è la frequenza di campionamento, migliore è la precisione della rappresentazione del segnale digitale.

Un segnale analogico è un segnale di dati in cui ciascuno dei parametri rappresentativi è descritto da una funzione del tempo e da un insieme continuo di possibili valori.

Esistono due spazi di segnali: lo spazio L (segnali continui) e lo spazio l (L piccolo) - lo spazio delle sequenze. Lo spazio l (L piccolo) è lo spazio dei coefficienti di Fourier (un insieme numerabile di numeri che definiscono una funzione continua su un intervallo finito del dominio di definizione), lo spazio L è lo spazio dei segnali continui (analogici) sul dominio di definizione. In determinate condizioni, lo spazio L è mappato in modo univoco nello spazio l (ad esempio, i primi due teoremi di discretizzazione di Kotelnikov).

I segnali analogici sono descritti da funzioni continue del tempo, motivo per cui un segnale analogico viene talvolta chiamato segnale continuo. I segnali analogici sono contrastati da quelli discreti (quantizzati, digitali). Esempi di spazi continui e corrispondenti quantità fisiche:

diretto: tensione elettrica

cerchio: posizione di un rotore, una ruota, un ingranaggio, le lancette di un orologio analogico o la fase di un segnale portante

segmento: posizione di un pistone, leva di comando, termometro liquido o segnale elettrico limitato in ampiezza vari spazi multidimensionali: colore, segnale modulato in quadratura.

Le proprietà dei segnali analogici sono in gran parte opposte a quelle dei segnali quantizzati o digitali.

L'assenza di livelli di segnale discreti chiaramente distinguibili rende impossibile applicare il concetto di informazione nella forma così come è intesa nelle tecnologie digitali per descriverla. La “quantità di informazioni” contenuta in una lettura sarà limitata solo dalla gamma dinamica dello strumento di misura.

Nessuna ridondanza. Dalla continuità dello spazio dei valori consegue che l'eventuale rumore introdotto nel segnale è indistinguibile dal segnale stesso e, pertanto, non è possibile ripristinare l'ampiezza originaria. In effetti, il filtraggio è possibile, ad esempio, mediante metodi di frequenza, se sono note informazioni aggiuntive sulle proprietà di questo segnale (in particolare, la banda di frequenza).

Applicazione:

I segnali analogici vengono spesso utilizzati per rappresentare quantità fisiche in continua evoluzione. Ad esempio, un segnale elettrico analogico prelevato da una termocoppia trasporta informazioni sui cambiamenti di temperatura, un segnale proveniente da un microfono trasporta informazioni sui rapidi cambiamenti di pressione in un'onda sonora, ecc.

2.2 Segnale digitale

Un segnale digitale è un segnale di dati in cui ciascuno dei parametri rappresentativi è descritto da una funzione temporale discreta e da un insieme finito di possibili valori.

I segnali sono impulsi elettrici o luminosi discreti. Con questo metodo, l'intera capacità del canale di comunicazione viene utilizzata per trasmettere un segnale. Un segnale digitale utilizza l'intera larghezza di banda del cavo. La larghezza di banda è la differenza tra la frequenza massima e minima che può essere trasmessa su un cavo. Ciascun dispositivo su tali reti invia dati in entrambe le direzioni e alcuni possono ricevere e trasmettere simultaneamente. I sistemi a banda stretta (banda base) trasmettono dati sotto forma di segnale digitale di una singola frequenza.

Un segnale digitale discreto è più difficile da trasmettere su lunghe distanze rispetto a un segnale analogico, quindi è premodulato sul lato trasmettitore e demodulato sul lato ricevitore informazioni. L'uso di algoritmi per il controllo e il ripristino delle informazioni digitali nei sistemi digitali può aumentare significativamente l'affidabilità della trasmissione delle informazioni.

Commento. Va tenuto presente che un segnale digitale reale è analogico nella sua natura fisica. A causa del rumore e dei cambiamenti nei parametri della linea di trasmissione, presenta fluttuazioni di ampiezza, fase/frequenza (jitter) e polarizzazione. Ma questo segnale analogico (impulsivo e discreto) è dotato delle proprietà di un numero. Di conseguenza, diventa possibile utilizzare metodi numerici (elaborazione informatica) per elaborarlo.

I segnali sono codici informativi che le persone utilizzano per trasmettere messaggi in un sistema informativo. Il segnale può essere dato, ma non è necessario riceverlo. Mentre un messaggio può essere considerato solo un segnale (o un insieme di segnali) ricevuto e decodificato dal destinatario (segnale analogico e digitale).

Uno dei primi metodi per trasmettere informazioni senza la partecipazione di persone o altri esseri viventi erano i fuochi di segnalazione. Quando si presentava il pericolo, i fuochi venivano accesi in sequenza da un posto all'altro. Successivamente, considereremo il metodo di trasmissione delle informazioni utilizzando segnali elettromagnetici e ci soffermeremo in dettaglio sull'argomento segnale analogico e digitale.

Qualsiasi segnale può essere rappresentato come una funzione che descrive i cambiamenti nelle sue caratteristiche. Questa rappresentazione è utile per studiare dispositivi e sistemi di ingegneria radio. Oltre al segnale nella radioingegneria c'è anche il rumore, che è la sua alternativa. Il rumore non trasporta informazioni utili e distorce il segnale interagendo con esso.

Il concetto stesso consente di astrarre da specifiche quantità fisiche quando si considerano fenomeni legati alla codifica e decodifica delle informazioni. Il modello matematico del segnale nella ricerca consente di fare affidamento sui parametri della funzione tempo.

Tipi di segnale

I segnali basati sull'ambiente fisico del vettore informazioni sono suddivisi in elettrici, ottici, acustici ed elettromagnetici.

A seconda del metodo di impostazione, il segnale può essere regolare o irregolare. Un segnale regolare è rappresentato come una funzione deterministica del tempo. Un segnale irregolare in radioingegneria è rappresentato da una funzione caotica del tempo e viene analizzato con un approccio probabilistico.

I segnali, a seconda della funzione che ne descrive i parametri, possono essere analogici o discreti. Un segnale discreto che è stato quantizzato è chiamato segnale digitale.

Elaborazione del segnale

I segnali analogici e digitali vengono elaborati e diretti per trasmettere e ricevere informazioni codificate nel segnale. Una volta estratte le informazioni, possono essere utilizzate per vari scopi. In casi speciali, le informazioni vengono formattate.

I segnali analogici vengono amplificati, filtrati, modulati e demodulati. I dati digitali possono anche essere soggetti a compressione, rilevamento, ecc.

Segnale analogico

I nostri sensi percepiscono tutte le informazioni che entrano in loro in forma analogica. Ad esempio, se vediamo passare un'auto, ne vediamo il movimento continuamente. Se il nostro cervello potesse ricevere informazioni sulla sua posizione una volta ogni 10 secondi, le persone verrebbero costantemente investite. Ma possiamo stimare la distanza molto più velocemente e questa distanza è chiaramente definita in ogni momento.

Con le altre informazioni accade assolutamente la stessa cosa, possiamo valutare il volume in ogni momento, sentire la pressione che le nostre dita esercitano sugli oggetti, ecc. In altre parole, quasi tutte le informazioni che possono presentarsi in natura sono analogiche. Il modo più semplice per trasmettere tali informazioni è tramite segnali analogici, che sono continui e definiti in qualsiasi momento.

Per capire come appare un segnale elettrico analogico, puoi immaginare un grafico che mostra l'ampiezza sull'asse verticale e il tempo sull'asse orizzontale. Se, ad esempio, misuriamo la variazione della temperatura, sul grafico apparirà una linea continua che ne mostrerà il valore in ogni momento. Per trasmettere tale segnale utilizzando la corrente elettrica, dobbiamo confrontare il valore della temperatura con il valore della tensione. Quindi, ad esempio, 35,342 gradi Celsius possono essere codificati come una tensione di 3,5342 V.

I segnali analogici venivano utilizzati in tutti i tipi di comunicazione. Per evitare interferenze, tale segnale deve essere amplificato. Quanto più alto è il livello di rumore, cioè di interferenza, tanto più il segnale dovrà essere amplificato affinché possa essere ricevuto senza distorsioni. Questo metodo di elaborazione del segnale consuma molta energia generando calore. In questo caso, il segnale amplificato potrebbe esso stesso causare interferenze con altri canali di comunicazione.

Al giorno d'oggi, i segnali analogici vengono ancora utilizzati in televisione e radio, per convertire il segnale di ingresso nei microfoni. Ma in generale, questo tipo di segnale viene sostituito o sostituito ovunque da segnali digitali.

Segnale digitale

Un segnale digitale è rappresentato da una sequenza di valori digitali. I segnali più comunemente utilizzati oggi sono i segnali digitali binari, poiché vengono utilizzati nell'elettronica binaria e sono più facili da codificare.

A differenza del tipo di segnale precedente, un segnale digitale ha due valori “1” e “0”. Se ricordiamo il nostro esempio con la misurazione della temperatura, il segnale verrà generato in modo diverso. Se la tensione fornita dal segnale analogico corrisponde al valore della temperatura misurata, per ciascun valore di temperatura verrà fornito un certo numero di impulsi di tensione nel segnale digitale. L'impulso di tensione stesso sarà uguale a "1" e l'assenza di tensione sarà "0". L'apparecchiatura ricevente decodificherà gli impulsi e ripristinerà i dati originali.

Dopo aver immaginato come apparirà un segnale digitale su un grafico, vedremo che il passaggio da zero a massimo è brusco. È questa caratteristica che consente all'apparecchiatura ricevente di "vedere" il segnale più chiaramente. Se si verificano interferenze, è più facile per il ricevitore decodificare il segnale rispetto alla trasmissione analogica.

Tuttavia è impossibile ripristinare un segnale digitale con un livello di rumore molto elevato, mentre è comunque possibile “estrarre” informazioni da uno di tipo analogico con grande distorsione. Ciò è dovuto all'effetto scogliera. L'essenza dell'effetto è che i segnali digitali possono essere trasmessi su determinate distanze e quindi semplicemente interrompersi. Questo effetto si verifica ovunque e si risolve semplicemente rigenerando il segnale. Dove si interrompe il segnale è necessario inserire un ripetitore o ridurre la lunghezza della linea di comunicazione. Il ripetitore non amplifica il segnale, ma riconosce la sua forma originale e ne produce una copia esatta e può essere utilizzato in qualsiasi modo nel circuito. Tali metodi di ripetizione del segnale vengono utilizzati attivamente nelle tecnologie di rete.

Tra le altre cose, i segnali analogici e digitali differiscono anche nella capacità di codificare e crittografare le informazioni. Questo è uno dei motivi della transizione delle comunicazioni mobili al digitale.

Segnale analogico e digitale e conversione digitale-analogico

Dobbiamo parlare ancora un po' di come le informazioni analogiche vengono trasmesse sui canali di comunicazione digitale. Usiamo ancora degli esempi. Come già accennato, il suono è un segnale analogico.

Cosa succede nei telefoni cellulari che trasmettono informazioni tramite canali digitali

Il suono che entra nel microfono subisce una conversione da analogico a digitale (ADC). Questo processo consiste di 3 passaggi. I valori dei singoli segnali vengono presi a intervalli di tempo uguali, un processo chiamato campionamento. Secondo il teorema di Kotelnikov sulla capacità del canale, la frequenza di acquisizione di questi valori dovrebbe essere due volte superiore alla frequenza del segnale più alta. Cioè, se il nostro canale ha un limite di frequenza di 4 kHz, la frequenza di campionamento sarà di 8 kHz. Successivamente, tutti i valori del segnale selezionato vengono arrotondati o, in altre parole, quantizzati. Maggiore è il numero di livelli creati, maggiore è la precisione del segnale ricostruito nel ricevitore. Tutti i valori vengono poi convertiti in codice binario, che viene trasmesso alla stazione base e poi raggiunge l'interlocutore, che è il ricevente. Nel telefono del destinatario avviene una procedura di conversione da digitale ad analogico (DAC). Si tratta di una procedura inversa, il cui scopo è quello di ottenere in uscita un segnale quanto più identico possibile a quello originale. Successivamente, il segnale analogico esce sotto forma di suono dall'altoparlante del telefono.

Un segnale analogico è una funzione di un argomento continuo (tempo). Se il grafico viene periodicamente interrotto, come accade ad esempio in una sequenza di impulsi, stiamo già parlando di una certa discrezione del burst.

Storia del termine

Ingegneria Informatica

Se guardi da vicino, non è scritto da nessuna parte dove è venuta al mondo la definizione: analogico. In Occidente il termine è utilizzato fin dagli anni quaranta dai professionisti del settore informatico. Fu durante la Seconda Guerra Mondiale che comparvero i primi sistemi informatici, detti digitali. E per differenziarci abbiamo dovuto inventare nuovi epiteti.

Il concetto di analogico è entrato nel mondo degli elettrodomestici solo all'inizio degli anni '80, quando uscirono i primi processori Intel, e il mondo giocava con i giocattoli sullo ZX-Spectrum, oggi è possibile ottenere un emulatore di dispositivi su Internet; Il gameplay richiedeva perseveranza, destrezza e reazione eccellenti. Insieme ai bambini, anche gli adulti raccoglievano scatole e picchiavano gli alieni nemici. I giochi moderni sono di gran lunga inferiori ai primi giochi che hanno catturato le menti dei giocatori per qualche tempo.

Registrazione sonora e telefonia

All'inizio degli anni '80 cominciò ad apparire la musica pop con elaborazione elettronica. Il telegrafo musicale fu presentato al pubblico nel 1876, ma non ottenne alcun riconoscimento. La musica popolare attrae il pubblico nel senso più ampio del termine. Il telegrafo era in grado di produrre una singola nota e di trasmetterla a distanza, dove veniva riprodotta da un altoparlante appositamente progettato. E sebbene i Beatles usassero un organo elettronico per creare Sergeant Pepper, il sintetizzatore entrò in uso alla fine degli anni '70. Lo strumento divenne veramente popolare e digitale già a metà degli anni 80: ricordiamo Modern Talking. In precedenza erano stati utilizzati sintetizzatori analogici, a cominciare da Novachord nel 1939.

Pertanto, il cittadino medio non ha avuto la necessità di distinguere tra tecnologie analogiche e digitali finché queste ultime non si sono saldamente radicate nella vita di tutti i giorni. La parola analogico è di dominio pubblico dall'inizio degli anni '80. Per quanto riguarda l'origine del termine, si ritiene tradizionalmente che l'indicatore sia stato preso in prestito dalla telefonia e successivamente sia migrato nella registrazione sonora. Le vibrazioni analogiche vengono inviate direttamente all'altoparlante e la voce viene immediatamente ascoltata. Il segnale è simile al parlato umano e diventa un analogo elettrico.

Se applichi un segnale digitale all'altoparlante, si sentirà un'indescrivibile cacofonia di note di toni diversi. Questo “discorso” è familiare a chiunque abbia caricato programmi e giochi dal nastro magnetico nella memoria del computer. Non sembra umano, perché è digitale. Per quanto riguarda il segnale discreto, nei sistemi più semplici viene inviato direttamente all'altoparlante, che funge da integratore. Il successo o il fallimento di un'impresa dipende interamente da parametri correttamente selezionati.

Allo stesso tempo, il termine è apparso nella registrazione del suono, dove la musica e la voce passavano direttamente dal microfono al nastro. La registrazione magnetica è diventata un analogo dei veri artisti. I dischi in vinile sono come i musicisti e sono ancora considerati il ​​mezzo migliore per qualsiasi composizione. Sebbene mostrino una durata di servizio limitata. I CD ora contengono spesso audio digitale che viene decodificato da un decoder. Secondo Wikipedia, la nuova era è iniziata nel 1975 (en.wikipedia.org/wiki/History_of_sound_recording).

Misure elettriche

In un segnale analogico esiste una proporzionalità tra la tensione o la corrente e la risposta del dispositivo di riproduzione. Si considererà allora che il termine derivi dal greco analogos. Cosa significa proporzionale? Il paragone è però simile a quello sopra riportato: il segnale è simile ad una voce riprodotta dagli altoparlanti.

Inoltre, nella tecnologia per riferirsi ai segnali analogici viene utilizzato un altro termine: continuo. Che corrisponde alla definizione data sopra.

informazioni generali

Energia del segnale

Come segue dalla definizione, un segnale analogico ha energia infinita e non è limitato nel tempo. Pertanto, i suoi parametri vengono mediati. Ad esempio, 220 V presenti nelle prese vengono definiti valore efficace per il motivo specificato. Pertanto, vengono utilizzati valori effettivi (mediati su un certo intervallo). È già chiaro che la presa contiene un segnale analogico con una frequenza di 50 Hz.

Quando si tratta di discrezione, vengono utilizzati valori finiti. Ad esempio, quando si acquista una pistola stordente, è necessario assicurarsi che l'energia dell'impatto non superi un determinato valore misurato in joule. Altrimenti ci saranno problemi con l'uso o l'ispezione. Poiché, a partire da un determinato valore di energia, la pistola stordente viene utilizzata solo da forze speciali, con un limite superiore stabilito. Qualsiasi altra cosa è illegale in linea di principio e può portare alla morte se utilizzata.

L'energia dell'impulso si trova moltiplicando la corrente e la tensione per la durata. E questo mostra la finitezza del parametro per segnali discreti. Le sequenze digitali si trovano anche nella tecnologia. Un segnale digitale differisce da un segnale discreto per parametri rigidamente specificati:

1. Durata.
2. Ampiezza.
3. La presenza di due stati specificati: 0 e 1.
4. I bit 0 e 1 della macchina vengono aggiunti in parole prestabilite e comprensibili ai partecipanti (linguaggio assembly).

Conversione reciproca del segnale

Un'ulteriore definizione di segnale analogico è la sua apparente casualità, l'assenza di regole visibili o la sua somiglianza con determinati processi naturali. Ad esempio, un'onda sinusoidale può descrivere la rotazione della Terra attorno al Sole. Questo è un segnale analogico. Nella teoria dei circuiti e dei segnali, una sinusoide è rappresentata da un vettore di ampiezza rotante. E la fase della corrente e della tensione è diversa: si tratta di due vettori diversi che danno origine a processi reattivi. Cosa si osserva negli induttori e nei condensatori.

Dalla definizione segue che un segnale analogico viene facilmente convertito in uno discreto. Qualsiasi alimentatore a commutazione taglia la tensione di ingresso dalla presa in fasci. Di conseguenza, è impegnato a convertire un segnale analogico con una frequenza di 50 Hz in raffiche di ultrasuoni discreti. Variando i parametri di taglio, l'alimentatore adatta i valori di uscita alle esigenze del carico elettrico.

All'interno di un ricevitore di onde radio con un rilevatore di ampiezza, avviene il processo inverso. Dopo che il segnale è stato raddrizzato, sui diodi si formano impulsi di varie ampiezze. L'informazione è contenuta nell'inviluppo di tale segnale, la linea che collega i vertici del pacco. Il filtro converte gli impulsi discreti in valori analogici. Il principio si basa sull'integrazione dell'energia: durante il periodo di presenza di tensione, la carica del condensatore aumenta, poi, nell'intervallo tra i picchi, si forma corrente dovuta alla fornitura di elettroni precedentemente accumulata. L'onda risultante viene inviata ad un amplificatore per basso e successivamente agli altoparlanti, dove il risultato viene ascoltato da altri.

Il segnale digitale è codificato diversamente. Lì l'ampiezza dell'impulso è contenuta nella parola macchina. È composto da uno e zero, è richiesta la decodifica. L'operazione viene eseguita da dispositivi elettronici: adattatore grafico, prodotti software. Tutti hanno scaricato i codec K-Lite da Internet, questo è il caso. Il driver è responsabile della decodifica del segnale digitale e della sua conversione per l'uscita su altoparlanti e display.

Non c'è bisogno di fare confusione quando un adattatore viene chiamato acceleratore 3-D e viceversa. Il primo converte solo il segnale fornito. Ad esempio, dietro l'ingresso digitale DVI c'è sempre un adattatore. Si occupa solo della conversione dei numeri da uno e zero per la visualizzazione sulla matrice dello schermo. Recupera informazioni sulla luminosità e sui valori dei pixel RGB. Per quanto riguarda l'acceleratore 3D, il dispositivo può (ma non è obbligatorio) contenere un adattatore, ma il compito principale sono i calcoli complessi per la costruzione di immagini tridimensionali. Questa tecnica ti consente di alleggerire il processore centrale e velocizzare il funzionamento del tuo personal computer.

Il segnale da analogico a digitale viene convertito in un ADC. Ciò avviene nel software o all'interno del chip. Alcuni sistemi combinano entrambi i metodi. La procedura inizia prelevando campioni che rientrano in una determinata area. Ciascuno, quando trasformato, diventa una parola macchina contenente la cifra calcolata. Successivamente le letture vengono confezionate in pacchi, rendendo possibile l'invio ad altri abbonati del sistema complesso.

Le regole di campionamento sono normalizzate dal teorema di Kotelnikov, che mostra la massima frequenza di campionamento. Più spesso è vietato fare il conto alla rovescia, poiché le informazioni vanno perse. In parole povere, è considerato sufficiente un eccesso di sei volte della frequenza di campionamento rispetto al limite superiore dello spettro del segnale. Una fornitura più ampia è considerata un ulteriore vantaggio, garantendo una buona qualità. Qualcuno ha visto indicazioni sulla frequenza di campionamento delle registrazioni sonore. In genere l'impostazione è superiore a 44 kHz. Il motivo sono le peculiarità dell'udito umano: il limite superiore dello spettro è 10 kHz. Pertanto una frequenza di campionamento di 44 kHz è sufficiente per una trasmissione del suono mediocre.

Differenza tra segnale discreto e digitale

Infine, una persona di solito percepisce informazioni analogiche dal mondo esterno. Se l'occhio vede una luce lampeggiante, la visione periferica catturerà il paesaggio circostante. Di conseguenza, l’effetto finale non sembra essere discreto. Naturalmente è possibile provare a creare una percezione diversa, ma ciò è difficile e si rivelerà del tutto artificiale. Questa è la base per l'uso del codice Morse, che consiste in punti e trattini facilmente distinguibili dal rumore di fondo. I colpi discreti di un tasto telegrafico sono difficili da confondere con i segnali naturali, anche in presenza di un forte rumore.

Allo stesso modo, le linee digitali sono state introdotte nella tecnologia per eliminare le interferenze. Qualsiasi amante dei video sta cercando di ottenere una copia codificata del film con la massima risoluzione. Le informazioni digitali possono essere trasmesse su lunghe distanze senza la minima distorsione. Le regole conosciute da entrambe le parti per la formazione di parole prestabilite diventano assistenti. A volte le informazioni ridondanti sono incorporate in un segnale digitale, consentendo di correggere o rilevare errori. Ciò elimina le percezioni errate.

Segnali a impulsi

Per essere più precisi, i segnali discreti vengono forniti dalle letture in determinati momenti nel tempo. È chiaro che una tale sequenza nella realtà non si forma perché l'ascesa e la caduta hanno una lunghezza finita. L'impulso non viene trasmesso istantaneamente. Pertanto, lo spettro della sequenza non è considerato discreto. Ciò significa che il segnale non può essere chiamato così. In pratica esistono due classi:

1. Segnali di impulsi analogici - il cui spettro è determinato dalla trasformata di Fourier, quindi continuo, almeno in alcune aree. Il risultato dell'azione della tensione o della corrente su un circuito si trova mediante l'operazione di convoluzione.
2. Anche i segnali a impulsi discreti mostrano uno spettro discreto; le operazioni con essi vengono eseguite tramite trasformate di Fourier discrete. Pertanto, viene utilizzata anche la convoluzione discreta.

Questi chiarimenti sono importanti per i letterati che hanno letto che i segnali a impulsi possono essere analogici. I discreti prendono il nome dalle caratteristiche dello spettro. Il termine analogico viene utilizzato per differenziare. L'epiteto continuo è applicabile, come già accennato in precedenza, e in relazione alle caratteristiche dello spettro.

Chiarimento: solo lo spettro di una sequenza infinita di impulsi è considerato strettamente discreto. Per un branco, le componenti armoniche sono sempre vaghe. Tale spettro assomiglia ad una sequenza di impulsi modulati in ampiezza.