Сигналы — это материальные носители информации, которые передают данные от источника к потребителю. Они могут быть физическими или представлены математическими моделями.
Аналоговые, дискретные и цифровые сигналы - это три разных вида сигналов, которые используются для передачи и обработки информации. Они отличаются по способу представления данных, физическим свойствам и применению в различных областях.
Любая физическая величина по характеру изменения ее значения может быть постоянной (если она имеет только одно фиксированное значение), дискретной (если она может иметь два или более фиксированных значений), или аналоговой (если она может иметь бесчисленное множество значений). Все эти величины могут быть преобразованы в цифровую форму.
Аналоговые сигналы
Аналоговым (т. е. непрерывно меняющимся во времени) называется такой сигнал, который может быть представлен непрерывной линией из множества значений, определенных в каждый момент времени относительно временной оси.
Значения аналогового сигнала произвольны в каждый момент времени, поэтому он может быть в принципе представлен как некая непрерывная функция (зависящая от времени как от переменной) либо как кусочно-непрерывная функция времени.
Непрерывные сигналы генерируются непрерывными процессами и системами. Это, например, ЭЭГ – возникает из-за электрической активности головного мозга, ЭКГ – вырабатывается электрической активностью сердца, выход датчика, например такого как датчик частоты вращения - тахогенератор и т.п.
Аналоговым сигналом можно назвать, например, звуковой сигнал, генерируемый обмоткой электромагнитного микрофона или ламповым акустическим усилителем, поскольку такой сигнал непрерывен и его значения (напряжение или ток) сильно отличаются друг от друга в каждый момент времени. Это непрерывное изменение амплитуды и частоты сигнала позволяет точно передавать нюансы звука, что особенно важно в музыкальной индустрии и аудиотехнике.
Аналоговые сигналы также широко используются в различных измерительных приборах, таких как термометры и манометры, где они позволяют точно отслеживать изменения физических величин. В этих устройствах аналоговые сигналы часто отображаются в виде непрерывных показаний на шкалах, что дает возможность оперативно контролировать и регулировать параметры различных технологических процессов.
На приведенном ниже рисунке изображен пример подобного рода аналогового сигнала (графически аналоговый сигнал выглядит как синусоида).
Аналоговые величины могу иметь бесконечное множество значений в определенных пределах. Они непрерывны и их значения не могут изменяться скачками.
Пример аналогового сигнала: термопара передает в аналоговом виде значение температуры в программируемый логический контроллер, который управляет с помощью твердотельного реле температурой в электрической печи.
Свойства аналоговых сигналов:
- Нельзя дискретизировать без потери данных из-за своей непрерывности.
- Внесённые помехи трудноустранимы, хотя можно использовать фильтр частот, если известна полоса пропускания сигнала.
Основные недостатки аналоговых сигналов:
- Подверженность шумам и помехам: Аналоговые сигналы чувствительны к шумам и помехам, которые могут ухудшить качество передаваемой информации. С каждым усилением или передачей сигнала уровень шума увеличивается.
- Сложности хранения и копирования: Качество аналогового сигнала ухудшается при записи на магнитную ленту или винил, так как со временем лента размагничивается, а каждое считывание разрушает носитель. Перезапись вносит дополнительные искажения.
- Сложность интеграции с цифровыми устройствами и синхронизации между собой.
- Ограниченные возможности для обработки.
- Невысокая безопасность передаваемого сигнала.
- Высокая цена на носители информации.
- Большой объем передаваемой информации, часть из которой является лишней.
- Устаревание оборудования: Оборудование для работы с аналоговыми сигналами бывает громоздким и затратным в обслуживании.
Любой аналоговый сигнал может быть представлен в виде соответствующего ему цифрового эквивалента, при этом точность представления зависит от количества разрядов эквивалентного числа.
Для обработки аналоговых сигналов применяются логические элементы.
По физическому признаку различают потенциальный и импульсный способ представления переменных в логических элементах. В потенциальных элементах высокий потенциал соответствует логической единице (1), низкий потенциал — нулю (0). Потенциалы могут быть как положительными так и отрицательными. При импульсном способе представлении чисел наличие импульса — состояние 1, отсутствие его — 0.
Для взаимодействия электронных устройств, обрабатывающих аналоговые сигналы с устройствами, оперирующими двоичными (цифровыми) сигналами, применяют цифро-аналоговые (ЦАП) и аналого-цифровые (АЦП) преобразователи.
Дискретные сигналы
Если некий сигнал принимает произвольные значения лишь в отдельные моменты времени, то такой сигнал называют дискретным. Чаще всего на практике применяются дискретные сигналы, распределенные по равномерной временной решетке, шаг которой называется интервалом дискретизации.
Дискретный сигнал принимает определенные не нулевые значения лишь в моменты дискретизации, то есть он является не непрерывным в отличие от аналогового сигнала. Если из звукового сигнала вырезать небольшие кусочки определенного размера через равные интервалы, такой сигнал можно будет назвать дискретным.
Дискретный сигнал состоит из последовательности выборок, которая в общем случае может принимать любое значение. Этот сигнал обычно создается путем дискретизации аналогового сигнала.
Ниже приведен пример формирования подобного дискретного сигнала с интервалом дискретизации Т. Обратите внимание, что квантуется лишь интервал дискретизации, но не сами значения сигнала.
Дискретные сигналы имеют два и более фиксированных значений (количество их значений всегда выражается целыми числами).
Пример простого дискретного сигнала на два значения: срабатывание путевого выключателя (переключение контактов выключателя в определенном положении механизма). Сигнал с путевого выключателя может быть получен только в двух вариантах - контакт разомкнут (нет действия, нет напряжения) и контакт замкнут (есть действие, есть напряжение).
В отечественной литературе переключательные устройства называются также «дискретными», «логическими», «устройствами релейного действия» или «релейными устройствами».
Преимущества дискретных устройств обусловлены во многом тем, что их элементы достаточно просты и надежны. В большинстве случаев они имеют всего два различных состояния: включено — выключено (реле), открыт — заперт (транзистор) и т. д.
Такие элементы могут формировать или перерабатывать сигналы, обладающие только двумя значениями: одно значение сигнала связано с одним состоянием элемента, второе — со вторым. Поэтому часто под названием «дискретный сигнал» подразумевают сигнал с двумя значениями. Физически это означает, что сигнал имеет импульсный характер: высший уровень — одно значение, низший — другое. Обычно эти уровни обозначаются 1 и 0.
Эта двузначная логика позволяет дискретным устройствам легко интегрироваться в цифровые системы, где они могут быть использованы для управления различными исполнительными механизмами, такими как релейные выходы в программируемых логических контроллерах (ПЛК) или других автоматизированных системах.
Простота и надежность дискретных устройств делают их незаменимыми в промышленной автоматике, где они обеспечивают стабильность и точность управления процессами.
Цифровые сигналы
Цифровые сигналы — это особый вид дискретных сигналов, которые могут принимать только определенные фиксированные значения. Эти значения расположены на сетке с определенным шагом. Именно поэтому такой дискретный сигнал называется цифровым.
Цифровые сигналы принимают значения из определенного конечного набора, что позволяет представлять информацию в виде чисел, тогда как дискретные сигналы не могут иметь такого представления.
Основные свойства цифровых сигналов:
- Цифровые сигналы дискретизируются не только по времени, но и по уровню. Это означает, что они состоят из последовательности выборок, которые могут принимать только ограниченное число значений.
- Обычно цифровые сигналы представляются в виде двоичных цифр 0 и 1. Это позволяет легко обрабатывать и передавать информацию в компьютерных системах.
- Последовательности импульсов в цифровых сигналах представляют собой последовательности цифр и могут рассматриваться как двоичные числа. Именно поэтому их называют цифровыми, а связанные с ними методы обработки и устройства также носят это название.
Цифровой сигнал формируется путем дискретизации и последующего квантования. В результате получается последовательность выборок, которые могут принимать только определенное количество значений. Это позволяет представить цифровой сигнал в виде последовательности целых чисел, что делает его легко обрабатываемым и устойчивым к помехам.
Информация всегда теряется при преобразовании аналогового сигнала в цифровой (как при дискретизации, так и при квантовании). Однако, увеличивая частоту дискретизации и количество уровней квантования, можно приблизиться к исходному сигналу со сколь угодно малым отклонением.
Например, каждый из двух стереоканалов записи аудио компакт-диска может быть представлен как последовательность из 44 100 шестнадцатибитных чисел в секунду, а цифровой телефонный сигнал в ISDN в виде последовательности 8000 восьмибитных чисел в секунду.
Практически дискретные и цифровые сигналы в ряде задач отождествляются, и могут быть легко заданы в форме отсчетов с помощью вычислительного устройства.
В отечественной литературе по отношению к описанным сигналам, устройствам и системам используется чаще термин «дискретные». Термин «цифровые» используется реже. Это оправдано тем, что по смыслу последний термин лучше относить к конкретным приборам с цифровым отсчетом (цифровым вольтметрам, амперметрам и т. п.).
Аналоговые сигналы должны быть преобразованы в цифровой формат, прежде чем они могут быть интерпретированы микропроцессором. Этот процесс осуществляется с помощью аналого-цифрового преобразователя (АЦП), который преобразует непрерывные аналоговые сигналы в дискретные цифровые коды.
АЦП выполняет два основных этапа: дискретизацию, при которой аналоговый сигнал оценивается в определенные моменты времени, и квантование, которое округляет эти значения до ближайших дискретных уровней, соответствующих цифровым кодам.
После преобразования цифровые данные могут быть обработаны микропроцессором, что позволяет использовать их в различных приложениях, таких как системы управления, измерительные приборы и звукозаписывающая аппаратура.
На рисунке приведен пример формирования цифрового сигнала на базе аналогового. Обратите внимание, что значения цифрового сигнала не могут принимать промежуточных значений, а только определенные — целое количество вертикальных шагов сетки.
Цифровой сигнал легко записывается и перезаписывается в память вычислительных устройств, просто считывается и копируется без потери точности, тогда как перезапись аналогового сигнала всегда сопряжена с утратой некоторой, пусть и незначительной, части информации.
Обработка цифровых сигналов позволяет получать устройства с очень высокими характеристиками благодаря выполнению вычислительных операций совершенно без потерь качества, либо с пренебрежимо малыми потерями.
Это обеспечивает возможность использования цифровых сигналов в сложных системах обработки информации, таких как компьютеры и телекоммуникационные сети, где точность и надежность являются критически важными факторами.
Кроме того, цифровые сигналы могут быть легко защищены от помех и шума посредством алгоритмов коррекции ошибок, что еще больше повышает их надежность и стабильность в различных условиях эксплуатации.
В силу этих достоинств, именно цифровые сигналы повсеместно распространены сегодня в системах хранения и обработки данных. Вся современная память — цифровая. Аналоговые носители информации (такие, как пленочные кассеты и т.д.) давно ушли в прошлое.
Аналоговый и цифровой приборы для измерения напряжения:
Но даже у цифровых сигналов есть свои недостатки. Их невозможно передать напрямую как есть, ибо передача обычно реализуется посредством непрерывных электромагнитных волн. Поэтому при передаче и приеме цифровых сигналов необходимо прибегать к дополнительной модуляции и аналого-цифровому преобразованию.
Меньший динамический диапазон цифровых сигналов (отношение наибольшего значения к наименьшему), обусловленный квантованностью значений по сетке, является еще одним их недостатком.
Это ограничение может привести к потере деталей в сигнале, особенно при низких уровнях сигнала, что может быть критично в некоторых приложениях, таких как аудио- и видеозапись.
Кроме того, цифровые сигналы требуют более сложной обработки и синхронизации, что может увеличить потребление ресурсов и затруднить их распространение на большие расстояния без потери качества. Также, при высоких частотах цифровых сигналов, их проникающая способность снижается, что требует дополнительных усилий для обеспечения стабильной передачи.
Существуют и такие области, где аналоговые сигналы незаменимы. Например, аналоговый звук никогда не сравнится с цифровым, поэтому ламповые усилители и пластинки до сих пор не выходят из моды, несмотря на обилие цифровых форматов записи звука с самой высокой частотой дискретизации.
Это связано с тем, что аналоговый звук воспринимается многими как более теплый и естественный, что особенно ценится в музыкальной индустрии. Кроме того, процесс воспроизведения музыки на виниловых пластинках часто становится ритуалом, добавляя эмоциональную и тактильную составляющую к опыту прослушивания. В результате, даже с развитием цифровых технологий, аналоговые аудиосистемы продолжают пользоваться популярностью среди меломанов и музыкантов.
Андрей Повный