Signālu veidi: analogais, digitālais, diskrētais. Atšķirība starp analogo un digitālo signālu Ar kādiem signāliem darbojas digitālās ierīces?

Ļoti bieži mēs dzirdam tādas definīcijas kā “digitāls” vai “diskrēts” signāls, ar ko tas atšķiras no “analogā”?

Atšķirības būtība ir tāda, ka analogais signāls ir nepārtraukts laikā (zilā līnija), savukārt digitālais signāls sastāv no ierobežotas koordinātu kopas (sarkani punkti). Ja mēs visu reducējam līdz koordinātām, tad jebkurš analogā signāla segments sastāv no bezgalīga koordinātu skaita.

Digitālajam signālam koordinātas gar horizontālo asi atrodas ar regulāriem intervāliem atbilstoši paraugu ņemšanas frekvencei. Kopējā audio-CD formātā tas ir 44100 punkti sekundē. Koordinātu augstuma vertikālā precizitāte atbilst digitālā signāla bitu dziļumam 8 bitiem tas ir 256 līmeņi, 16 bitiem = 65536 un 24 bitiem = 16777216 līmeņi. Jo lielāks bitu dziļums (līmeņu skaits), jo tuvāk vertikālās koordinātas ir sākotnējam vilnim.

Analogie avoti ir: vinila un audio kasetes. Digitālie avoti ir: CD-Audio, DVD-Audio, SA-CD (DSD) un faili WAVE un DSD formātos (ieskaitot APE, Flac, Mp3, Ogg utt. atvasinājumus).

Analogā signāla priekšrocības un trūkumi

Analogā signāla trūkums ir spēja saglabāt, pārraidīt un replicēt signālu. Ierakstot uz magnētiskās lentes vai vinila, signāla kvalitāte būs atkarīga no lentes vai vinila īpašībām. Laika gaitā lente demagnetizējas un ierakstītā signāla kvalitāte pasliktinās. Katrs lasījums pakāpeniski iznīcina datu nesēju, un pārrakstīšana rada papildu kropļojumus, kur papildu novirzes pievieno nākamie mediji (lente vai vinils), lasīšanas, rakstīšanas un signālu pārraides ierīces.

Analogā signāla kopēšana ir tāda pati kā fotogrāfijas kopēšana, fotografējot to vēlreiz.

Digitālā signāla priekšrocības un trūkumi

Galvenais trūkums ir tas, ka digitālais signāls ir starpposms un gala analogā signāla precizitāte būs atkarīga no tā, cik detalizēti un precīzi skaņas vilnis ir aprakstīts ar koordinātām. Diezgan loģiski, ka jo vairāk punktu un precīzākas koordinātes, jo precīzāks būs vilnis. Taču joprojām nav vienprātības par to, kāds koordinātu skaits un datu precizitāte ir pietiekama, lai teiktu, ka signāla digitālais attēlojums ir pietiekams, lai precīzi atjaunotu analogo signālu, ko mūsu ausis nevar atšķirt no oriģināla.

Runājot par datu apjomu, parastās analogās audio kasetes ietilpība ir tikai aptuveni 700-1,1 MB, bet parastajā kompaktdiskā ir 700 MB. Tas sniedz priekšstatu par lielas ietilpības datu nesēju nepieciešamību. Un tas izraisa atsevišķu kompromisu karu ar dažādām prasībām attiecībā uz aprakstošo punktu skaitu un koordinātu precizitāti.

Mūsdienās tiek uzskatīts, ka ir diezgan pietiekami attēlot skaņas viļņu ar iztveršanas frekvenci 44,1 kHz un bitu dziļumu 16 biti. Ar paraugu ņemšanas frekvenci 44,1 kHz ir iespējams rekonstruēt signālu līdz 22 kHz. Kā liecina psihoakustiskie pētījumi, tālāka iztveršanas biežuma palielināšanās nav manāma, bet bitu dziļuma palielināšanās dod subjektīvu uzlabojumu.

Kā DAC veido vilni

Daudzbitu DAC

DAC ieeja saņem nākamās vertikālās koordinātas vērtību un katrā pulksteņa ciklā pārslēdz strāvas (sprieguma) līmeni uz atbilstošo līmeni līdz nākamajai maiņai.

Lai gan tiek uzskatīts, ka cilvēka auss dzird ne augstāk par 20 kHz, un saskaņā ar Nyquist teoriju ir iespējams atjaunot signālu līdz 22 kHz, šī signāla kvalitāte pēc atjaunošanas paliek jautājums. Augstfrekvences reģionā iegūtā “pakāpju” viļņu forma parasti ir tālu no sākotnējās. Vienkāršākā izeja no situācijas ir palielināt iztveršanas ātrumu ierakstīšanas laikā, taču tas noved pie ievērojama un nevēlama faila lieluma palielināšanās.

Alternatīva ir mākslīgi palielināt DAC atskaņošanas paraugu ņemšanas ātrumu, pievienojot starpvērtības. Tie. mēs iedomājamies nepārtrauktu viļņu ceļu (pelēka punktēta līnija), kas vienmērīgi savieno sākotnējās koordinātas (sarkani punkti) un pievienojam starppunktus uz šīs līnijas (tumši violeta).

Palielinot iztveršanas frekvenci, parasti ir nepieciešams palielināt bitu dziļumu, lai koordinātas būtu tuvāk aptuvenajam vilnim.

Pateicoties starpkoordinātēm, ir iespējams samazināt “soļus” un veidot vilni tuvāk oriģinālam.

Ja atskaņotājā vai ārējā DAC redzat pastiprināšanas funkciju no 44,1 līdz 192 kHz, tā ir funkcija, lai pievienotu starpkoordinātas, nevis atjaunotu vai radītu skaņu reģionā virs 20 kHz.

Sākotnēji tās bija atsevišķas SRC mikroshēmas pirms DAC, kas pēc tam migrēja tieši uz pašām DAC mikroshēmām. Šodien var atrast risinājumus, kur modernajiem DAC tiek pievienots šāds čips, tas tiek darīts, lai sniegtu alternatīvu DAC iebūvētajiem algoritmiem un reizēm iegūtu vēl labāku skaņu (kā piemēram tas tiek darīts Hidizs AP100).

Nozarē galvenais atteikums no daudzbitu DAC radās tādēļ, ka ar pašreizējām ražošanas tehnoloģijām nebija iespējams tālāk tehnoloģiski pilnveidot kvalitātes rādītājus un augstākas izmaksas salīdzinājumā ar “impulsa” DAC ar salīdzināmiem raksturlielumiem. Tomēr Hi-End produktos priekšroka bieži tiek dota veciem daudzbitu DAC, nevis jauniem risinājumiem ar tehniski labākiem parametriem.

DAC pārslēgšana

Signāla amplitūda ir impulsu amplitūdu vidējā vērtība (vienādas amplitūdas impulsi ir parādīti zaļā krāsā, un iegūtais skaņas vilnis ir parādīts baltā krāsā).

Piemēram, astoņu piecu impulsu ciklu secība dos vidējo amplitūdu (1+1+1+0+0+1+1+0)/8=0,625. Jo augstāka ir nesējfrekvence, jo vairāk impulsu tiek izlīdzināti un tiek iegūta precīzāka amplitūdas vērtība. Tas ļāva prezentēt audio straumi viena bita formā ar plašu dinamisko diapazonu.

Vidējo noteikšanu var veikt ar parastu analogo filtru, un, ja šāds impulsu komplekts tiek pielietots tieši skaļrunim, tad izejā mēs saņemsim skaņu, un īpaši augstas frekvences netiks reproducētas emitētāja lielās inerces dēļ. PWM pastiprinātāji darbojas pēc šāda principa D klasē, kur impulsu enerģijas blīvumu veido nevis to skaits, bet katra impulsa ilgums (kas ir vieglāk realizējams, bet nav aprakstāms ar vienkāršu bināro kodu).

Daudzbitu DAC var uzskatīt par printeri, kas spēj lietot krāsas, izmantojot Pantone tintes. Delta-Sigma ir tintes printeris ar ierobežotu krāsu diapazonu, taču, pateicoties iespējai uzklāt ļoti mazus punktus (salīdzinājumā ar raga printeri), tas rada vairāk nokrāsu, jo ir atšķirīgs punktu blīvums uz virsmas vienību.

Attēlā mēs parasti neredzam atsevišķus punktus acs zemās izšķirtspējas dēļ, bet tikai vidējo toni. Tāpat auss nedzird impulsus atsevišķi.

Galu galā ar pašreizējām tehnoloģijām impulsu DAC ir iespējams iegūt vilni, kas ir tuvu tam, kas teorētiski būtu jāiegūst, tuvinot starpposma koordinātas.

Jāatzīmē, ka pēc delta-sigma DAC parādīšanās “digitālā viļņa” zīmēšanas pakāpe pazuda, jo Tā mūsdienu DAC neceļ vilni soļos. Ir pareizi konstruēt diskrētu signālu ar punktiem, kas savienoti ar gludu līniju.

Vai DAC pārslēgšana ir ideāla?

Bet praksē ne viss ir rožains, un ir vairākas problēmas un ierobežojumi.

Jo Tā kā milzīgs ierakstu skaits tiek glabāts vairāku bitu signālā, pārveidošanai par impulsa signālu, izmantojot principu “bit-to-bit”, ir nepieciešama nevajadzīgi augsta nesējfrekvence, ko mūsdienu DAC neatbalsta.

Mūsdienu impulsu DAC galvenā funkcija ir pārveidot vairāku bitu signālu viena bita signālā ar salīdzinoši zemu nesējfrekvenci ar datu decimāciju. Būtībā tieši šie algoritmi nosaka impulsa DAC galīgo skaņas kvalitāti.

Lai samazinātu augstas nesējfrekvences problēmu, audio straume tiek sadalīta vairākās viena bita plūsmās, kur katra straume ir atbildīga par savu bitu grupu, kas ir līdzvērtīga straumju skaita nesējfrekvences daudzkārtnei. Šādus DAC sauc par daudzbitu delta-sigmu.

Šodien impulsu DAC ir saņēmuši otro vēju ātrgaitas vispārējas nozīmes mikroshēmās NAD un Chord produktos, pateicoties spējai elastīgi programmēt konvertēšanas algoritmus.

DSD formāts

Formāts netika plaši izmantots vairāku iemeslu dēļ. Failu rediģēšana šajā formātā izrādījās nevajadzīgi ierobežota: jūs nevarat sajaukt straumes, pielāgot skaļumu vai piemērot izlīdzināšanu. Tas nozīmē, ka, nezaudējot kvalitāti, varat arhivēt tikai analogos ierakstus un bez turpmākas apstrādes veikt tiešraides ierakstu ar diviem mikrofoniem. Vārdu sakot, jūs nevarat nopelnīt naudu.

Cīņā pret pirātismu SA-CD formāta diskus neatbalstīja (un joprojām neatbalsta) datori, kas padara neiespējamu to kopēšanu. Nav kopiju – nav plašas auditorijas. Bija iespējams atskaņot DSD audio saturu tikai no atsevišķa SA-CD atskaņotāja no patentēta diska. Ja PCM formātam ir SPDIF standarts digitālai datu pārsūtīšanai no avota uz atsevišķu DAC, tad DSD formātam standarta nav un pirmās SA-CD disku pirātiskās kopijas tika digitalizētas no SA- analogajām izejām. CD atskaņotāji (lai gan situācija šķiet stulba, bet reāli daži ieraksti tika izdoti tikai SA-CD, vai arī tas pats ieraksts Audio-CD apzināti tika izveidots nekvalitatīvi, lai reklamētu SA-CD).

Pagrieziena punkts notika ar SONY spēļu konsoļu izlaišanu, kur SA-CD disks pirms atskaņošanas tika automātiski iekopēts konsoles cietajā diskā. DSD formāta fani to izmantoja. Pirātisku ierakstu parādīšanās stimulēja tirgu izlaist atsevišķus DAC DSD straumju atskaņošanai. Lielākā daļa ārējo DAC ar DSD atbalstu mūsdienās atbalsta USB datu pārsūtīšanu, izmantojot DoP formātu kā atsevišķu digitālā signāla kodējumu, izmantojot SPDIF.

DSD nesēja frekvences ir salīdzinoši mazas, 2,8 un 5,6 MHz, taču šai audio straumei nav nepieciešama datu samazināšanas pārveidošana un tā ir diezgan konkurētspējīga ar augstas izšķirtspējas formātiem, piemēram, DVD-Audio.

Nav skaidras atbildes uz jautājumu, kas ir labāks, DSP vai PCM. Tas viss ir atkarīgs no konkrēta DAC ieviešanas kvalitātes un skaņu inženiera talanta, ierakstot gala failu.

Vispārīgs secinājums

Analogo signālu, kas ierakstīts tieši audiokasetē vai vinilā, nevar atkārtoti ierakstīt, nezaudējot kvalitāti, savukārt digitālā attēla vilni var kopēt pa bitiem.

Ciparu ierakstīšanas formāti ir pastāvīgs kompromiss starp koordinātu precizitāti un faila lielumu, un jebkurš digitālais signāls ir tikai oriģinālā analogā signāla aptuvens rādītājs. Tomēr dažādie tehnoloģiju līmeņi digitālā signāla ierakstīšanai un reproducēšanai un analogā signāla saglabāšanai datu nesējā dod vairāk priekšrocību signāla digitālajam attēlojumam, līdzīgi kā digitālajai kamerai salīdzinājumā ar filmu kameru.

Digitālo shēmu projektēšana ir vissvarīgākā disciplīna, kas tiek apgūta visās augstākās un vidējās izglītības iestādēs, kas sagatavo speciālistus elektronikā. Arī īstam radioamatierim vajadzētu labi orientēties šajā jautājumā. Taču lielākā daļa grāmatu un mācību grāmatu ir rakstītas ļoti grūti saprotamā valodā, un iesācējam elektronikas inženierim (varbūt skolas audzēknim) būs grūti apgūt jaunu informāciju. Jaunu meistara Kīta mācību materiālu sērija ir izstrādāta, lai aizpildītu šo plaisu: mūsu raksti par sarežģītiem jēdzieniem runā visvienkāršākajos vārdos.

8.1. Analogie un digitālie signāli

Vispirms jums ir jāsaprot, kā analogās shēmas atšķiras no digitālajām shēmām. Un galvenā atšķirība ir signālos, ar kuriem šīs shēmas darbojas.
Visus signālus var iedalīt divos galvenajos veidos: analogajos un digitālajos.

Analogie signāli

Analogie signāli mums ir vispazīstamākie. Mēs varam teikt, ka visa dabiskā pasaule mums apkārt ir analoga. Mūsu redze un dzirde, kā arī visas pārējās maņas uztver ienākošo informāciju analogā veidā, tas ir, nepārtraukti laikā. Skaņas informācijas pārraide - cilvēka runa, mūzikas instrumentu skaņas, dzīvnieku rēkšana, dabas skaņas utt. – arī veikts analogā formā.
Lai vēl labāk izprastu šo problēmu, uzzīmēsim analogo signālu (1. att.):

1. att. Analogais signāls

Mēs redzam, ka analogais signāls ir nepārtraukts laikā un amplitūdā. Jebkurā brīdī varat noteikt precīzu analogā signāla amplitūdas vērtību.

Digitālie signāli

Analizēsim signāla amplitūdu nevis pastāvīgi, bet gan diskrēti, fiksētos intervālos. Piemēram, reizi sekundē vai biežāk: desmit reizes sekundē. Cik bieži mēs to darām, sauc par iztveršanas ātrumu: reizi sekundē - 1 Hz, tūkstoš reižu sekundē - 1000 Hz vai 1 kHz.

Skaidrības labad uzzīmēsim analogo (augšā) un digitālo (apakšā) signālu grafikus (2. att.):

2. att. Analogais signāls (augšpusē) un tā digitālā kopija (apakšā)

Mēs redzam, ka katrā momentānā laika intervālā mēs varam uzzināt signāla amplitūdas momentāno digitālo vērtību. Mēs nezinām, kas notiek ar signālu (saskaņā ar kādu likumu tas mainās, kāda ir tā amplitūda) starp "pārbaudes" intervāliem šī informācija mums tiek zaudēta. Jo retāk mēs pārbaudām signāla līmeni (jo zemāka paraugu ņemšanas frekvence), jo mazāk informācijas par signālu mums ir. Protams, ir arī pretējais: jo augstāks ir paraugu ņemšanas ātrums, jo labāka ir signāla attēlojuma kvalitāte. Ierobežojumā, palielinot iztveršanas frekvenci līdz bezgalībai, mēs iegūstam gandrīz tādu pašu analogo signālu.
Vai tas nozīmē, ka analogais signāls jebkurā gadījumā ir labāks par digitālo? Teorētiski, iespējams, jā. Taču praksē mūsdienu analogo-digitālo pārveidotāji (ADC) darbojas ar tik augstu iztveršanas ātrumu (līdz vairākiem miljoniem paraugu sekundē) un apraksta analogo signālu digitālā formā tik kvalitatīvi, ka cilvēka maņas (acis, ausis) spēj. vairs nejūt atšķirību starp sākotnējo signālu un tā digitālo modeli. Digitālajam signālam ir ļoti būtiska priekšrocība: to ir vieglāk pārraidīt pa vadiem vai radioviļņiem, traucējumi būtiski neietekmē šādu signālu. Tāpēc visi mūsdienu mobilie sakari, televīzijas un radio apraide ir digitāli.

Apakšējais grafiks attēlā. 2 ir viegli iedomāties citā formā - kā garu skaitļu pāra secību: laiks/amplitūda. Un skaitļi ir tieši tie, kas nepieciešami digitālajām shēmām. Tiesa, digitālās shēmas dod priekšroku darbam ar cipariem īpašā attēlojumā, taču par to mēs runāsim nākamajā nodarbībā.

Tagad mēs varam izdarīt svarīgus secinājumus:

Digitālais signāls ir diskrēts, un to var noteikt tikai atsevišķiem laika momentiem;
- jo augstāka paraugu ņemšanas frekvence, jo labāka ir digitālā signāla attēlojuma precizitāte.

Analogais signāls ir datu signāls, kurā katrs no attēlojošajiem parametriem ir aprakstīts ar laika funkciju un nepārtrauktu iespējamo vērtību kopu.

Ir divas signālu telpas - telpa L (nepārtraukti signāli) un telpa l (L maza) - secību telpa. Telpa l (L mazā) ir Furjē koeficientu telpa (skaitāma skaitļu kopa, kas definē nepārtrauktu funkciju definīcijas apgabala ierobežotā intervālā), telpa L ir nepārtrauktu (analogu) signālu telpa virs domēna. definīcijas. Noteiktos apstākļos telpa L ir unikāli kartēta telpā l (piemēram, pirmās divas Koteļņikova diskretizācijas teorēmas).

Analogos signālus apraksta ar nepārtrauktām laika funkcijām, tāpēc analogo signālu dažreiz sauc par nepārtrauktu signālu. Analogie signāli tiek kontrastēti ar diskrētiem (kvantētiem, digitāliem). Nepārtrauktu telpu un atbilstošo fizisko lielumu piemēri:

tiešs: elektriskais spriegums

aplis: rotora, riteņa, zobrata, analogā pulksteņa rādītāja vai nesēja signāla fāzes pozīcija

segments: virzuļa, vadības sviras, šķidruma termometra vai amplitūdā ierobežota elektriskā signāla pozīcija dažādas daudzdimensiju telpas: krāsa, kvadrātveida modulēts signāls.

Analogo signālu īpašības lielā mērā ir pretējas kvantizēto vai digitālo signālu īpašībām.

Skaidri atšķiramu diskrētu signālu līmeņu neesamība padara neiespējamu informācijas jēdzienu pielietot formā, kā to saprot digitālajās tehnoloģijās, lai to aprakstītu. Vienā rādījumā ietverto “informācijas daudzumu” ierobežos tikai mērinstrumenta dinamiskais diapazons.

Nav atlaišanas. No vērtību telpas nepārtrauktības izriet, ka jebkurš signālā ievadītais troksnis nav atšķirams no paša signāla, un tāpēc sākotnējo amplitūdu nevar atjaunot. Faktiski filtrēšana ir iespējama, piemēram, ar frekvenču metodēm, ja ir zināma papildu informācija par šī signāla īpašībām (jo īpaši frekvenču joslu).

Pielietojums:

Analogos signālus bieži izmanto, lai attēlotu nepārtraukti mainīgus fiziskos lielumus. Piemēram, analogais elektriskais signāls, kas ņemts no termopāra, nes informāciju par temperatūras izmaiņām, signāls no mikrofona sniedz informāciju par straujām spiediena izmaiņām skaņas viļņā utt.

2.2 Digitālais signāls

Digitālais signāls ir datu signāls, kurā katrs no attēlojošajiem parametriem ir aprakstīts ar diskrētu laika funkciju un ierobežotu iespējamo vērtību kopu.

Signāli ir diskrēti elektriski vai gaismas impulsi. Izmantojot šo metodi, viena signāla pārraidīšanai tiek izmantota visa sakaru kanāla jauda. Digitālais signāls izmanto visu kabeļa joslas platumu. Joslas platums ir starpība starp maksimālo un minimālo frekvenci, ko var pārraidīt pa kabeli. Katra ierīce šādos tīklos sūta datus abos virzienos, un dažas var saņemt un pārraidīt vienlaikus. Šaurjoslas sistēmas (bāzes josla) pārraida datus vienas frekvences ciparu signāla veidā.

Diskrētu digitālo signālu ir grūtāk pārraidīt lielos attālumos nekā analogo signālu, tāpēc tas ir iepriekš modulēts raidītāja pusē un demodulēts informācijas uztvērēja pusē. Algoritmu izmantošana digitālās informācijas pārbaudei un atjaunošanai digitālajās sistēmās var būtiski palielināt informācijas pārraides uzticamību.

komentēt. Jāpatur prātā, ka īsts digitālais signāls pēc savas fiziskās būtības ir analogs. Trokšņa un pārvades līnijas parametru izmaiņu dēļ tai ir amplitūdas, fāzes/frekvences (trīce) un polarizācijas svārstības. Bet šis analogais signāls (impulss un diskrēts) ir apveltīts ar skaitļa īpašībām. Rezultātā tā apstrādei kļūst iespējams izmantot skaitliskās metodes (datorapstrādi).

Signāli ir informācijas kodi, ko cilvēki izmanto, lai nodotu ziņojumus informācijas sistēmā. Signālu var dot, bet tas nav obligāti jāsaņem. Tā kā ziņojumu var uzskatīt tikai par signālu (vai signālu kopu), ko saņēmējs ir saņēmis un atkodējis (analogais un digitālais signāls).

Viena no pirmajām informācijas pārraidīšanas metodēm bez cilvēku vai citu dzīvo būtņu līdzdalības bija signālu ugunsgrēki. Kad radās briesmas, uguns tika iekurts secīgi no viena posteņa uz otru. Tālāk mēs apsvērsim informācijas pārsūtīšanas metodi, izmantojot elektromagnētiskos signālus, un detalizēti pakavēsimies pie tēmas analogais un digitālais signāls.

Jebkuru signālu var attēlot kā funkciju, kas apraksta tā īpašību izmaiņas. Šis attēlojums ir ērts radiotehnikas ierīču un sistēmu izpētei. Papildus signālam radiotehnikā ir arī troksnis, kas ir tā alternatīva. Troksnis nenes noderīgu informāciju un izkropļo signālu, mijiedarbojoties ar to.

Pats jēdziens ļauj abstrahēties no konkrētiem fizikāliem lielumiem, aplūkojot parādības, kas saistītas ar informācijas kodēšanu un dekodēšanu. Signāla matemātiskais modelis pētījumos ļauj paļauties uz laika funkcijas parametriem.

Signālu veidi

Signālus, kuru pamatā ir informācijas nesēja fiziskā vide, iedala elektriskajos, optiskajos, akustiskajos un elektromagnētiskajos.

Saskaņā ar iestatīšanas metodi signāls var būt regulārs vai neregulārs. Regulārs signāls tiek attēlots kā laika deterministiska funkcija. Neregulārs signāls radiotehnikā tiek attēlots ar haotisku laika funkciju un tiek analizēts, izmantojot varbūtības pieeju.

Signāli atkarībā no funkcijas, kas apraksta to parametrus, var būt analogie vai diskrēti. Diskrētu signālu, kas ir kvantēts, sauc par digitālo signālu.

Signālu apstrāde

Analogie un digitālie signāli tiek apstrādāti un novirzīti, lai pārraidītu un saņemtu signālā kodētu informāciju. Kad informācija ir iegūta, to var izmantot dažādiem mērķiem. Īpašos gadījumos informācija tiek formatēta.

Analogie signāli tiek pastiprināti, filtrēti, modulēti un demodulēti. Digitālie dati var tikt pakļauti arī saspiešanai, noteikšanai utt.

Analogais signāls

Mūsu maņas uztver visu informāciju, kas tajās tiek ievadīta analogā formā. Piemēram, ja mēs redzam automašīnu, kas brauc garām, mēs redzam tās kustību nepārtraukti. Ja mūsu smadzenes varētu saņemt informāciju par savu stāvokli reizi 10 sekundēs, cilvēki pastāvīgi tiktu sabraukti. Bet attālumu mēs varam novērtēt daudz ātrāk, un šis attālums ir skaidri definēts katrā laika brīdī.

Pilnīgi tas pats notiek ar citu informāciju, jebkurā brīdī varam novērtēt skaļumu, sajust pirkstu spiedienu uz priekšmetiem utt. Citiem vārdiem sakot, gandrīz visa informācija, kas var rasties dabā, ir analoga. Vienkāršākais veids, kā pārraidīt šādu informāciju, ir ar analogo signālu palīdzību, kas ir nepārtraukti un definēti jebkurā laikā.

Lai saprastu, kā izskatās analogais elektriskais signāls, varat iedomāties grafiku, kas parāda amplitūdu uz vertikālās ass un laiku uz horizontālās ass. Ja mēs, piemēram, izmērām temperatūras izmaiņas, tad grafikā parādīsies nepārtraukta līnija, kas parāda tās vērtību katrā laika brīdī. Lai pārraidītu šādu signālu, izmantojot elektrisko strāvu, mums jāsalīdzina temperatūras vērtība ar sprieguma vērtību. Tātad, piemēram, 35,342 grādus pēc Celsija var kodēt kā 3,5342 V spriegumu.

Analogos signālus izmantoja visu veidu sakaros. Lai izvairītos no traucējumiem, šāds signāls ir jāpastiprina. Jo augstāks ir trokšņu līmenis, tas ir, traucējumi, jo vairāk signāls ir jāpastiprina, lai to varētu uztvert bez traucējumiem. Šī signālu apstrādes metode patērē daudz enerģijas, radot siltumu. Šajā gadījumā pastiprinātais signāls pats par sevi var radīt traucējumus citiem sakaru kanāliem.

Mūsdienās analogos signālus joprojām izmanto televīzijā un radio, lai pārveidotu ieejas signālu mikrofonos. Bet kopumā šāda veida signāli visur tiek aizstāti vai aizstāti ar digitālajiem signāliem.

Digitālais signāls

Digitālo signālu attēlo digitālo vērtību secība. Mūsdienās visbiežāk izmantotie signāli ir binārie ciparu signāli, jo tos izmanto binārajā elektronikā un tos ir vieglāk kodēt.

Atšķirībā no iepriekšējā signāla veida, digitālajam signālam ir divas vērtības “1” un “0”. Ja atceramies mūsu piemēru ar temperatūras mērīšanu, tad signāls tiks ģenerēts savādāk. Ja analogā signāla piegādātais spriegums atbilst izmērītās temperatūras vērtībai, tad digitālajā signālā katrai temperatūras vērtībai tiks piegādāts noteikts sprieguma impulsu skaits. Pats sprieguma impulss būs vienāds ar “1”, un sprieguma trūkums būs “0”. Uztvērēja iekārta atšifrēs impulsus un atjaunos sākotnējos datus.

Iedomājoties, kā digitālais signāls izskatīsies grafikā, mēs redzēsim, ka pāreja no nulles uz maksimumu ir pēkšņa. Tieši šī funkcija ļauj uztverošajai iekārtai skaidrāk “redzēt” signālu. Ja rodas kādi traucējumi, uztvērējam ir vieglāk atšifrēt signālu nekā ar analogo pārraidi.

Tomēr nav iespējams atjaunot digitālo signālu ar ļoti augstu trokšņa līmeni, kamēr joprojām ir iespējams “izvilkt” informāciju no analogā tipa ar lieliem kropļojumiem. Tas ir saistīts ar klints efektu. Efekta būtība ir tāda, ka digitālos signālus var pārraidīt noteiktos attālumos un pēc tam vienkārši apstāties. Šis efekts rodas visur un tiek atrisināts, vienkārši atjaunojot signālu. Ja signāls pārtrūkst, jāievieto atkārtotājs vai jāsamazina sakaru līnijas garums. Retranslators nepastiprina signālu, bet atpazīst tā sākotnējo formu un rada precīzu tā kopiju, un to var izmantot jebkādā veidā ķēdē. Šādas signālu atkārtošanas metodes tiek aktīvi izmantotas tīkla tehnoloģijās.

Cita starpā analogie un digitālie signāli atšķiras arī ar spēju kodēt un šifrēt informāciju. Tas ir viens no iemesliem mobilo sakaru pārejai uz digitālo.

Analogais un digitālais signāls un digitālā analogā pārveidošana

Mums nedaudz vairāk jārunā par to, kā analogā informācija tiek pārraidīta pa digitālajiem sakaru kanāliem. Atkal izmantosim piemērus. Kā jau minēts, skaņa ir analogais signāls.

Kas notiek mobilajos tālruņos, kas pārraida informāciju pa digitālajiem kanāliem

Mikrofonā ienākošā skaņa tiek pārveidota no analogās-digitālās (ADC). Šis process sastāv no 3 posmiem. Atsevišķas signāla vērtības tiek ņemtas vienādos laika intervālos, ko sauc par paraugu ņemšanu. Saskaņā ar Koteļņikova teorēmu par kanāla jaudu, šo vērtību ņemšanas biežumam jābūt divreiz lielākam par augstāko signāla frekvenci. Tas ir, ja mūsu kanāla frekvences ierobežojums ir 4 kHz, tad paraugu ņemšanas frekvence būs 8 kHz. Tālāk visas atlasītās signāla vērtības tiek noapaļotas vai, citiem vārdiem sakot, kvantētas. Jo vairāk līmeņu ir izveidots, jo augstāka ir rekonstruētā signāla precizitāte uztvērējā. Pēc tam visas vērtības tiek pārveidotas binārajā kodā, kas tiek pārsūtīts uz bāzes staciju un pēc tam sasniedz otru pusi, kas ir uztvērējs. Uztvērēja tālrunī notiek digitālā analogā konvertēšanas (DAC) procedūra. Šī ir apgrieztā procedūra, kuras mērķis ir iegūt signālu izejā, kas ir pēc iespējas identisks sākotnējam. Pēc tam analogais signāls tiek izvadīts skaņas veidā no tālruņa skaļruņa.

Analogais signāls ir nepārtraukta argumenta (laika) funkcija. Ja grafiks tiek periodiski pārtraukts, kā tas notiek, piemēram, impulsu secībā, mēs jau runājam par zināmu pārrāvuma diskrētumu.

Termina vēsture

Datortehnika

Ja paskatās vērīgi, tad nekur nav rakstīts, kur pasaulē nākusi definīcija - analogais. Rietumos šo terminu datoru speciālisti lieto kopš četrdesmitajiem gadiem. Tieši Otrā pasaules kara laikā parādījās pirmās datorsistēmas, ko sauca par digitālajām. Un, lai atšķirtu, mums bija jāizdomā jauni epiteti.

Analogā jēdziens sadzīves tehnikas pasaulē ienāca tikai 80. gadu sākumā, kad iznāca pirmie Intel procesori, un pasaule spēlēja ar rotaļlietām ZX-Spectrum, šodien jūs varat iegūt emulatoru ierīcēm internetā. Spēle prasīja neparastu neatlaidību, veiklību un lielisku reakciju. Kopā ar bērniem arī pieaugušie vāca kastes un sita ienaidnieka citplanētiešus. Mūsdienu spēles ir daudz zemākas par agrīnajiem putniem, kas kādu laiku aizrāva spēlētāju prātus.

Skaņu ierakstīšana un telefonija

Līdz 80. gadu sākumam sāka parādīties popmūzika ar elektronisku apstrādi. Muzikālais telegrāfs sabiedrībai tika prezentēts 1876. gadā, taču atpazīstamību neguva. Populārā mūzika uzrunā auditoriju šī vārda plašākajā nozīmē. Telegrāfs spēja izgatavot vienu noti un pārraidīt to lielā attālumā, kur to atveidoja īpaši izstrādāts skaļrunis. Un, lai gan Bītli izmantoja elektroniskās ērģeles, lai izveidotu Sergeant Pepper, sintezators tika izmantots 70. gadu beigās. Instruments kļuva patiesi populārs un digitāls jau 80. gadu vidū: atcerieties Modern Talking. Iepriekš tika izmantoti analogie sintezatori, sākot ar Novachord 1939. gadā.

Tātad vidusmēra pilsonim nebija vajadzības atšķirt analogās un digitālās tehnoloģijas, kamēr pēdējās nebija stingri nostiprinājušās ikdienas dzīvē. Vārds analogs ir bijis publiski pieejams kopš 80. gadu sākuma. Kas attiecas uz termina izcelsmi, tradicionāli tiek uzskatīts, ka rādītājs tika aizgūts no telefonijas un vēlāk migrēja uz skaņu ierakstu. Analogās vibrācijas tiek tieši padotas skaļrunim, un balss tiek dzirdama nekavējoties. Signāls ir līdzīgs cilvēka runai un kļūst par elektrisku analogu.

Ja skaļrunim pievienosiet digitālo signālu, atskanēs neaprakstāma dažādu toņu nošu kakofonija. Šī “runa” ir pazīstama ikvienam, kurš datora atmiņā ir ielādējis programmas un spēles no magnētiskās lentes. Tas neizskatās pēc cilvēka, jo tas ir digitāls. Runājot par diskrēto signālu, vienkāršākajās sistēmās tas tiek padots tieši uz skaļruni, kas kalpo kā integrators. Uzņēmuma veiksme vai neveiksme ir pilnībā atkarīga no pareizi izvēlētiem parametriem.

Tajā pašā laikā šis termins parādījās skaņu ierakstā, kur mūzika un balss tieši no mikrofona nonāca lentē. Magnētiskais ieraksts ir kļuvis par īstu mākslinieku analogu. Vinila plates ir kā mūziķi un joprojām tiek uzskatītas par labāko mediju jebkurai kompozīcijai. Lai gan tie parāda ierobežotu kalpošanas laiku. Tagad kompaktdiskos bieži ir iekļauts digitālais audio, ko atšifrē dekodētājs. Saskaņā ar Wikipedia, jaunā ēra sākās 1975. gadā (en.wikipedia.org/wiki/History_of_sound_recording).

Elektriskie mērījumi

Analogā signālā pastāv proporcionalitāte starp spriegumu vai strāvu un atskaņošanas ierīces reakciju. Pēc tam tiks uzskatīts, ka termins nāk no grieķu valodas analogiem. Ko nozīmē proporcionāls? Tomēr salīdzinājums ir līdzīgs iepriekšminētajam: signāls ir līdzīgs balsij, ko atskaņo skaļruņi.

Turklāt tehnoloģijā analogo signālu apzīmēšanai tiek lietots cits termins – nepārtraukts. Kas atbilst iepriekš sniegtajai definīcijai.

Galvenā informācija

Signāla enerģija

Kā izriet no definīcijas, analogajam signālam ir bezgalīga enerģija un tas nav ierobežots laikā. Tāpēc tā parametri tiek aprēķināti vidēji. Piemēram, kontaktligzdās esošo 220 V spriegumu noteiktā iemesla dēļ sauc par efektīvo vērtību. Tāpēc tiek izmantotas efektīvās (vidēji noteiktā intervālā) vērtības. Jau tagad ir skaidrs, ka ligzdā ir analogais signāls ar frekvenci 50 Hz.

Runājot par diskrētumu, tiek izmantotas ierobežotas vērtības. Piemēram, pērkot apdullināšanas pistoli, jums jāpārliecinās, ka trieciena enerģija nepārsniedz noteiktu vērtību, ko mēra džoulos. Pretējā gadījumā radīsies problēmas ar lietošanu vai pārbaudi. Tā kā, sākot no noteiktas enerģijas vērtības, apdullināšanas pistoli izmanto tikai īpašie spēki ar noteiktu augšējo robežu. Jebkas cits principā ir nelikumīgs un, lietojot, var izraisīt nāvi.

Impulsa enerģiju nosaka, reizinot strāvu un spriegumu ar ilgumu. Un tas parāda diskrēto signālu parametra galīgumu. Digitālās sekvences ir sastopamas arī tehnoloģijās. Digitālais signāls atšķiras no diskrēta signāla ar stingri norādītiem parametriem:

1. Ilgums.
2. Amplitūda.
3. Divu norādīto stāvokļu klātbūtne: 0 un 1.
4. Mašīnas biti 0 un 1 tiek pievienoti vārdos, kas ir iepriekš saskaņoti un saprotami dalībniekiem (montāžas valoda).

Savstarpēja signālu pārveidošana

Papildu analogā signāla definīcija ir tā šķietamā nejaušība, redzamu noteikumu trūkums vai tā līdzība ar noteiktiem dabas procesiem. Piemēram, sinusoidāls vilnis var aprakstīt Zemes rotāciju ap Sauli. Šis ir analogais signāls. Ķēdes un signālu teorijā sinusoīdu attēlo ar rotējošu amplitūdas vektoru. Un strāvas un sprieguma fāze ir atšķirīga - tie ir divi dažādi vektori, kas izraisa reaktīvus procesus. Kas tiek novērots induktoros un kondensatoros.

No definīcijas izriet, ka analogo signālu var viegli pārveidot par diskrētu signālu. Jebkurš komutācijas barošanas avots samazina ieejas spriegumu no kontaktligzdas komplektos. Līdz ar to tas ir iesaistīts analogā signāla ar frekvenci 50 Hz pārveidošanā par diskrētiem ultraskaņas pārrāvumiem. Mainot griešanas parametrus, barošanas avots pielāgo izejas vērtības atbilstoši elektriskās slodzes prasībām.

Radioviļņu uztvērēja iekšpusē ar amplitūdas detektoru notiek apgrieztais process. Pēc signāla iztaisnošanas uz diodēm veidojas dažādu amplitūdu impulsi. Informācija ir ietverta šāda signāla aploksnē, līnijā, kas savieno pakas virsotnes. Filtrs pārvērš diskrētos impulsus analogās vērtībās. Princips ir balstīts uz enerģijas integrāciju: sprieguma klātbūtnes periodā palielinās kondensatora lādiņš, pēc tam intervālā starp maksimumiem veidojas strāva iepriekš uzkrātās elektronu padeves dēļ. Iegūtais vilnis tiek padots uz basa pastiprinātāju, vēlāk arī uz skaļruņiem, kur rezultātu dzird citi.

Digitālais signāls tiek kodēts atšķirīgi. Tur impulsa amplitūda ir ietverta mašīnas vārdā. Tas sastāv no vieniniekiem un nullēm, ir nepieciešama dekodēšana. Darbību veic elektroniskās ierīces: grafiskais adapteris, programmatūras produkti. Visi lejupielādēja K-Lite kodekus no interneta, tā tas ir. Vadītājs ir atbildīgs par digitālā signāla dekodēšanu un pārveidošanu izvadei skaļruņos un displejā.

Ja adapteri sauc par 3-D paātrinātāju un otrādi, nav jāsteidzas apjukumā. Pirmais pārveido tikai piegādāto signālu. Piemēram, aiz DVI digitālās ieejas vienmēr atrodas adapteris. Tas attiecas tikai uz skaitļu konvertēšanu no vieniniekiem un nullēm, lai tos parādītu ekrāna matricā. Izgūst informāciju par spilgtumu un RGB pikseļu vērtībām. Kas attiecas uz 3D paātrinātāju, ierīce var (bet nav obligāta) saturēt adapteri, taču galvenais uzdevums ir sarežģīti aprēķini trīsdimensiju attēlu konstruēšanai. Šis paņēmiens ļauj izlādēt centrālo procesoru un paātrināt personālā datora darbību.

Analogais uz digitālo signālu tiek pārveidots par ADC. Tas notiek programmatūrā vai mikroshēmas iekšpusē. Dažas sistēmas apvieno abas metodes. Procedūra sākas ar paraugu ņemšanu, kas ietilpst noteiktā apgabalā. Katrs, pārveidojot, kļūst par mašīnas vārdu, kas satur aprēķināto ciparu. Pēc tam rādījumi tiek iesaiņoti pakās, ļaujot tos nosūtīt citiem kompleksās sistēmas abonentiem.

Paraugu ņemšanas noteikumi tiek normalizēti ar Koteļņikova teorēmu, kas parāda maksimālo paraugu ņemšanas biežumu. Biežāk ir aizliegts veikt atpakaļskaitīšanu, jo informācija tiek zaudēta. Vienkāršoti sakot, par pietiekamu tiek uzskatīts seškārtīgs iztveršanas frekvences pārsniegums virs signāla spektra augšējās robežas. Lielāks piedāvājums tiek uzskatīts par papildu priekšrocību, kas garantē labu kvalitāti. Ikviens ir redzējis norādes par skaņu ierakstu izlases ātrumu. Parasti iestatījums ir virs 44 kHz. Iemesls ir cilvēka dzirdes īpatnības: spektra augšējā robeža ir 10 kHz. Tāpēc viduvējai skaņas pārraidei pietiek ar 44 kHz iztveršanas frekvenci.

Atšķirība starp diskrēto un digitālo signālu

Visbeidzot, cilvēks parasti uztver analogo informāciju no ārpasaules. Ja acs redz mirgojošu gaismu, perifērā redze uztvers apkārtējo ainavu. Līdz ar to galīgais efekts nešķiet diskrēts. Protams, var mēģināt radīt atšķirīgu uztveri, taču tas ir grūti un izrādīsies pilnīgi mākslīgi. Tas ir pamats Morzes koda izmantošanai, kas sastāv no punktiem un domuzīmēm, kas ir viegli atšķirami no fona trokšņa. Telegrāfa taustiņa diskrētos sitienus ir grūti sajaukt ar dabiskiem signāliem pat spēcīga trokšņa klātbūtnē.

Līdzīgi digitālās līnijas ir ieviestas tehnoloģijā, lai novērstu traucējumus. Jebkurš video cienītājs cenšas iegūt kodētu filmas kopiju maksimālā izšķirtspējā. Digitālo informāciju var pārraidīt lielos attālumos bez mazākajiem traucējumiem. Par palīgiem kļūst abās pusēs zināmie noteikumi iepriekš saskaņotu vārdu veidošanai. Dažreiz ciparu signālā tiek iegulta lieka informācija, kas ļauj labot vai atklāt kļūdas. Tas novērš nepareizus priekšstatus.

Impulsu signāli

Precīzāk sakot, diskrētus signālus dod nolasījumi noteiktos laika punktos. Ir skaidrs, ka šāda secība realitātē neveidojas tāpēc, ka kāpumam un kritumam ir ierobežots garums. Impulss netiek pārraidīts uzreiz. Tāpēc secības spektrs netiek uzskatīts par diskrētu. Tas nozīmē, ka signālu tā nevar nosaukt. Praksē ir divas klases:

1. Analogie impulsu signāli - kuru spektru nosaka Furjē transformācija, tātad nepārtraukti, vismaz noteiktos apgabalos. Sprieguma vai strāvas iedarbības rezultāts ķēdē tiek atrasts ar konvolūcijas darbību.
2. Diskrētie impulsu signāli parāda arī diskrētu spektru, izmantojot diskrētās Furjē transformācijas. Tāpēc tiek izmantota arī diskrētā konvolūcija.

Šie precizējumi ir svarīgi literātiem, kuri ir lasījuši, ka impulsa signāli var būt analogi. Diskrētie ir nosaukti pēc spektra pazīmēm. Termins analogs tiek izmantots, lai atšķirtu. Nepārtraukts epitets ir piemērojams, kā jau minēts iepriekš, un saistībā ar spektra īpašībām.

Precizējums: tikai bezgalīgas impulsu secības spektrs tiek uzskatīts par stingri diskrētu. Paciņai harmoniskās sastāvdaļas vienmēr ir neskaidras. Šāds spektrs atgādina amplitūdas modulētu impulsu secību.