Обновлено: 03.07.2024

В современной электронике сигналы делят на три типа: аналоговый, дискретный и цифровой. Все они используются в своей области технологий. Сегодня мы с вами обсудим, что из себя представляют эти сигналы, и где они могут нам встретиться.

Аналоговый сигнал, как можно догадаться из его названия, является неким аналогом реальной физической величины (температура, интенсивность излучения и так далее). Все реальные физические величины изменяются непрерывно и с какой угодно малой точностью, то есть число состояний физической величины стремится к бесконечности. Следовательно, все это справедливо и к аналоговому сигналу в электронике.

В связи с этим открывается масса возможностей использования аналогового сигнала. Так как число его состояний по факту бесконечно, то с его помощью можно закодировать огромное количество информации. Но на сегодняшний день не найдено таких аналоговых схем с помощью которых мы могли бы работать с информацией в привычном для нас виде.

Аналоговые сигналы встречаются нам повсюду. Вся воспринимаемая нами информация при помощи органов чувств переводится в электрические сигналы, которые обрабатывает уже наш мозг. Аналоговое телевидение - один из видов телевещания, но в данный момент идет замена его на цифровое. Так же радио работает с аналоговыми сигналами.

Дискретные сигналы отличаются от аналоговых тем, что они изменяются не непрерывно, а периодично, и количество состояний такого сигнала, в теории, может быть бесконечным. Такие сигналы представляют собой последовательность отсчетов какой-либо величины.

Дискретный сигнал является чем то промежуточным между аналоговым и цифровым сигналами.

Цифровой сигнал так же, как и дискретный является периодичным, но в отличии от последнего обладает ограниченным набором значений. Чаще всего применяется двоичное представление, в котором сигнал может принимать только 2 значения: высокий и низкий логические уровни (1 и 0). Все значения сигнала, которые находятся между условно принятыми логическими состояниями 0 и 1, являются переходными и не могут иметь какого-либо значения в конкретной системе.

Цифровые сигналы повсеместно используются в вычислительной технике. Любой микропроцессор оперирует именно цифровыми сигналами.

В настоящее время все вычисления основаны на работе какого-либо микропроцессора или микроконтроллера, который оперирует лишь цифровыми сигналами. Поэтому возникает необходимость в преобразовании получаемых от различных физических систем аналоговых сигналов в цифровые сигналы, для их последующей обработки.

Устройства, занимающиеся преобразованием аналогового сигнала в цифровой, называются аналого-цифровыми преобразователями (АЦП). О них читайте в будущих статьях. Если не хотите ничего пропустить, то обязательно подписывайтесь на канал! Всего вам доброго и до скорых встреч!

Каждый день люди сталкиваются с использованием электронных приборов. Без них невозможна современная жизнь. Ведь речь идет о телевизоре, радио, компьютере, телефоне, мультиварке и прочем. Раньше, еще несколько лет назад, никто не задумывался о том, какой сигнал используется в каждом работоспособном приборе. Сейчас же слова «аналоговый», «цифровой», «дискретный» уже давно на слуху. Некоторые виды сигналов из перечисленных являются качественными и надежными.

Цифровая передача стала использоваться намного позже, чем аналоговая. Это связано с тем, что такой сигнал намного проще обслуживать, да и техника на тот момент не была настолько усовершенствована.

С понятием «дискретность» сталкивается каждый человек постоянно. Если переводить это слово с латинского языка, то означать оно будет «прерывистость». Углубляясь далеко в науку, можно сказать, что дискретный сигнал представляет собой метод передачи информации, который подразумевает изменение во времени среды-переносчика. Последняя принимает любое значение из всех возможных. Сейчас дискретность уходит на второй план, после того, как было принято решение производить системы на чипе. Они являются целостными, а все компоненты тесно взаимодействуют друг с другом. В дискретности же все с точностью наоборот – каждая деталь завершена и связана с другими за счет специальных линий связи.

Сигнал

Сигнал представляет собой специальный код, который передается в пространство одной или несколькими системами. Эта формулировка является общей.

Описываемый код передачи данных задается математической функцией. Она характеризует все возможные изменения параметров. В радиотехнической теории эта модель считается базовой. В ней же аналогом сигнала был назван шум. Он представляет собой функцию времени, которая свободно взаимодействует с переданным кодом и искажает его.

В статье охарактеризованы виды сигналов: дискретный, аналоговый и цифровой. Также коротко дана основная теория по описываемой теме.

Виды сигналов

Существует несколько типов классификации имеющихся сигналов. Рассмотрим, какие бывают виды.

1. По физической среде носителя данных разделяют электрический сигнал, оптический, акустический и электромагнитный. Имеется еще несколько видов, однако они малоизвестны.
2. По способу задания сигналы делятся на регулярные и нерегулярные. Первые представляют собой детерминированные методы передачи данных, которые задаются аналитической функцией. Случайные же формулируются за счет теории вероятности, а также они принимают любые значения в различные промежутки времени.
3. В зависимости от функций, которые описывают все параметры сигнала, методы передачи данных могут быть аналоговыми, дискретными, цифровыми (способ, который является квантованным по уровню). Они используются для обеспечения работы многих электрических приборов.

Теперь читателю известны все виды передачи сигналов. Разобраться в них не составит труда любому человеку, главное - немного подумать и вспомнить школьный курс физики.

Для чего обрабатывается сигнал?

Сигнал обрабатывается с целью передачи и получения информации, которая в нем зашифрована. Как только она будет извлечена, ее можно использовать различными способами. В отдельных ситуациях ее переформатируют.

Существует и другая причина обработки всех сигналов. Она заключается в небольшом сжатии частот (чтобы не повредить информацию). После этого ее форматируют и передают на медленных скоростях.

В аналоговом и цифровом сигналах используются особенные методы. В частности, фильтрация, свертка, корреляция. Они необходимы для восстановления сигнала, если он поврежден или имеет шум.

Создание и формирование

Зачастую для формирования сигналов необходим аналого-цифровой (АЦП) и цифро-аналоговый (ЦАП) преобразователи. Чаще всего они оба используются лишь в ситуации с применением DSP-технологий. В остальных случаях подойдет только использование ЦАП.

При создании физических аналоговых кодов с дальнейшим применением цифровых методов полагаются на полученную информацию, которая передается со специальных приборов.

Динамический диапазон

Аналоговый сигнал

Аналоговый сигнал является непрерывным во времени способом передачи данных. Недостатком его можно назвать присутствие шума, который иногда приводит к полной потере информации. Очень часто возникают такие ситуации, что невозможно определить, где в коде важные данные, а где обычные искажения.

Именно из-за этого цифровая обработка сигналов приобрела большую популярность и постепенно вытесняет аналоговую.

Цифровой сигнал

Цифровой сигнал является особым потоком данных, он описывается за счет дискретных функций. Его амплитуда может принять определенное значение из уже заданных. Если аналоговый сигнал способен поступать с огромным количеством шумов, то цифровой отфильтровывает большую часть полученных помех.

Помимо этого, такой вид передачи данных переносит информацию без лишней смысловой нагрузки. Через один физический канал может быть отправлено сразу несколько кодов.

Виды цифрового сигнала не существуют, так как он выделяется как отдельный и самостоятельный метод передачи данных. Он представляет собой двоичный поток. В наше время такой сигнал считается самым популярным. Это связано с простотой использования.

Применение цифрового сигнала

Чем же отличается цифровой электрический сигнал от других? Тем, что он способен совершать в ретрансляторе полную регенерацию. Когда в оборудование связи поступает сигнал, имеющий малейшие помехи, он сразу же меняет свою форму на цифровую. Это позволяет, например, телевышке снова сформировать сигнал, но уже без шумового эффекта.

В том случае, если код поступает уже с большими искажениями, то, к сожалению, восстановлению он не подлежит. Если брать в сравнении аналоговую связь, то в аналогичной ситуации ретранслятор может извлечь часть данных, затрачивая много энергии.

Обсуждая сотовую связь разных форматов, при сильном искажении на цифровой линии разговаривать практически невозможно, так как не слышны слова или целые фразы. Аналоговая связь в таком случае более действенна, ведь можно продолжать вести диалог.

Именно из-за подобных неполадок цифровой сигнал ретрансляторы формируют очень часто для того, чтобы сократить разрыв линии связи.

Дискретный сигнал

Сейчас каждый человек пользуется мобильным телефоном или какой-то «звонилкой» на своем компьютере. Одна из задач приборов или программного обеспечения – это передача сигнала, в данном случае голосового потока. Для переноса непрерывной волны необходим канал, который имел бы пропускную способность высшего уровня. Именно поэтому было предпринято решение использовать дискретный сигнал. Он создает не саму волну, а ее цифровой вид. Почему же? Потому что передача идет от техники (например, телефона или компьютера). В чем плюсы такого вида переноса информации? С его помощью уменьшается общее количество передаваемых данных, а также легче организуется пакетная отправка.

Понятие «дискретизация» уже давно стабильно используется в работе вычислительной техники. Благодаря такому сигналу передается не непрерывная информация, которая полностью закодирована специальными символами и буквами, а данные, собранные в особенные блоки. Они являются отдельными и законченными частицами. Такой метод кодировки уже давно отодвинулся на второй план, однако не исчез полностью. С помощью него можно легко передавать небольшие куски информации.

Сравнение цифрового и аналогового сигналов

Покупая технику, вряд ли кто-то думает о том, какие виды сигналов использованы в том или другом приборе, а об их среде и природе уж тем более. Но иногда все же приходится разбираться с понятиями.

Уже давно стало ясно, что аналоговые технологии теряют спрос, ведь их использование нерационально. Взамен приходит цифровая связь. Нужно понимать, о чем идет речь и от чего отказывается человечество.

Если говорить коротко, то аналоговый сигнал – способ передачи информации, который подразумевает описание данных непрерывными функциями времени. По сути, говоря конкретно, амплитуда колебаний может быть равна любому значению, находящемуся в определенных границах.

Цифровая обработка сигналов описывается дискретными функциями времени. Иначе говоря, амплитуда колебаний этого метода равна строго заданным значениям.

Переходя от теории к практике, надо сказать о том, что аналоговому сигналу характерны помехи. С цифровым же таких проблем нет, потому что он успешно их «сглаживает». За счет новых технологий такой метод передачи данных способен своими силами без вмешательства ученого восстановить всю исходную информацию.

Говоря о телевидении, можно уже с уверенностью сказать: аналоговая передача давно изжила себя. Большинство потребителей переходят на цифровой сигнал. Минус последнего заключается в том, что если аналоговую передачу способен принимать любой прибор, то более современный способ – только специальная техника. Хоть и спрос на устаревший метод уже давно упал, все же такие виды сигналов до сих пор не способны полностью уйти из повседневной жизни.

Аналоговые, дискретные и цифровые сигналы

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 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.

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.

На приведенном ниже рисунке изображен пример подобного рода аналогового сигнала.

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.

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.

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).

Цифровые сигналы

Когда дискретный сигнал принимает только какие-то фиксированные значения (которые могут быть расположены по сетке с определенным шагом), такие что они могут быть представлены как количество квантовых величин, такой дискретный сигнал называется цифровым. То есть цифровой сигнал — это такой дискретный сигнал, который квантован не только по промежуткам времени, но и по уровню.

Практически дискретные и цифровые сигналы в ряде задач отождествляются, и могут быть легко заданы в форме отсчетов с помощью вычислительного устройства.

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.

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.

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.

Если Вам понравилась эта статья, поделитесь ссылкой на неё в социальных сетях. Это сильно поможет развитию нашего сайта!

Этим постом мы открываем серию публикаций, посвященных основам цифровой обработки сигналов (ЦОС). При создании этих публикаций мы руководствовались целью рассказать о теме ЦОС простыми словами. Мы не будем зацикливаться на формулах, а больше внимания уделим так называемой физике процесса, рассмотрим практические примеры и постараемся понять базовые принципы. Надеемся, что публикации будут интересны как новичкам в ЦОС, так и тем, кто хорошо разбирается в рассматриваемой области, но возможно хочет взглянуть на привычные вещи через новую призму.

В данном посте освещены 3 темы по основам цифровой обработки сигналов:

Основы ЦОС 1 – введение

Ориентироваться мы всё же будем в первую очередь на тех, кто только открывает для себя новый мир ЦОС, и не до конца понимает, что же это такое, связанно ли оно с компьютерами и программированием, или всё же с паянием микросхем? На эти и многие другие вопросы мы дадим ответы в нашей серии публикаций.

Первый важный вопрос, на который мы хотим ответить - зачем. Зачем нам важно в этом разбираться? Где мы можем применить эти знания, и где в нашей повседневной жизни мы сталкиваемся с ЦОС?

Для ответа на этот вопрос далеко ходить не придётся - достаточно взять свой смартфон. Это устройство проигрывает аудио и видео, обрабатывает фото, передаёт и принимает информацию по сети, оценивает собственное положение в пространстве, сканирует отпечаток пальца или профиль лица пользователя – и всё это достижимо за счёт ЦОС!

• Современные медицинские устройства не обходятся без ЦОС.
• Умные транспортные средства обрабатывают сигналы с множества датчиков и самостоятельно оценивают дорожную обстановку.
• Радарные станции, контролирующие взлёт и посадку самолётов на аэродромах, телекоммуникации и системы глобального позиционирования – всё опирается на алгоритмы ЦОС.

Проще говоря, ЦОС сегодня окружает на повсюду, и от неё зависят наши комфорт и безопасность.

Пришло время определений, и начнём мы с определения сигнала. Сигнал – это физический процесс, несущий в себе информацию. Если мы получаем информацию из какого-то физического процесса – для нас этот процесс становится сигналом.

Обычно сигналы мы визуализируем на графиках, так нагляднее. Рассмотрим примеры.

• График изменения температуры в районе международного аэропорта Логан в течение одного месяца. По оси Х на графике отложено время, по оси Y – градусы. Это одномерный сигнал.
• Или запись электрокардиограммы. Это также одномерный сигнал, изменение напряжения на электродах во времени.
• Речь человека – изменение звукового давления во времени.

Но сигналы также могут изменяться в пространстве. Например, изображение! Оно отражает изменение цвета и освещённости в пространстве. И если мы рассмотрим цифровое изображение, то оно обычно состоит из пикселей. Значения яркости отдельных пикселей изменяются в пространстве, каждую строчку пикселей можно рассматривать, как отдельный одномерный сигнал.

И здесь важно отметить слово «рассматриваем». Для обработки сигналов мы используем определённый математический аппарат. Что такое значения яркости пикселей одной строки? Это числа. Вектор чисел, над которыми можно осуществлять, например, арифметические операции. Или отобразить на графике, отложив по оси икс положение пикселей в пространстве.

Сложив несколько строк, мы получаем матрицу. Изображения часто представляются именно в виде численных матриц. Представление – это, по сути, математическая модель сигнала, то, над чем мы можем оперировать. Представили изображение в виде матрицы – и мы можем применять линейную алгебру. Или, например, мы можем описать сигнал формулой – и определить его значение подставив параметры в любой момент времени.

Математическое описание для рассматриваемого физического процесса мы выбираем в зависимости от решаемой задачи и от доступной нам математики. Об этом мы более подробно поговорим в следующих публикациях. А пока что краткий экскурс в историю и ещё одно базовое определение.

Обработка сигналов – это выполнение действий над сигналом для изменения его характеристик или получения информации. Подобные действия раньше осуществлялись без использования компьютеров и микросхем.

Рассмотрим типичный пример – усиление аналогового электрического сигнала. Аналоговые электрические цепи состоят из транзисторов, резисторов, конденсаторов и т.д.

На картинке представлен усилительный каскад, он позволяет нам из сигнала малой амплитуды получить сигнал большей амплитуды. Происходит изменениехарактеристик сигнала, то есть его обработка. Цепи детекторов фазы и частоты могут помочь нам оценить характеристики электрического сигнала, то есть получить информацию.

Аналоговые цепи оперируют непрерывными сигналами, в то время как цифровые устройства обрабатывают дискретные отсчёты нулей и единиц – цифровые сигналы.

Вот пример прохождения цифрового сигнала через микросхему. По сути, здесь также происходит изменение величины входного сигнала, и микросхема представляет собой цифровой усилитель!

Но для чего нам вообще использовать цифровые сигналы и устройства?

Цифровые сигналы стали впервые использоваться в системах связи, так как они были более устойчивы к шумам и помехам. Здесь можно провести аналогию с азбукой морзе – вы, наверное, помните, как в фильмах, когда систем связи перестаёт работать, герои вспоминают про азбуку морзе и начинают нажимать тангенту, передавая точки и тире. Такой простейший сигнал доходит в самых трудных условиях.

Нули и единицы цифрового сигнала – по сути точки и тире. Ими можно закодировать любую информацию, так же как мы кодируем буквы в азбуке Морзе.

Развитие цифровой связи привело к развитию цифровой вычислительной техники, и в итоге мы теперь имеем программируемые цифровые вычислители, которые присутствуют практически в каждом устройстве.

Но и аналоговая обработка никуда не делась, современные устройства также зачастую содержат в себе аналоговые цепи наряду с цифровыми.

Вот мы наконец и добрались до главного определения:

Цифровая обработка сигналов – способ обработки сигналов на основе численных методов с использованием цифровой вычислительной техники.

Вот так выглядит обобщённая схема системы ЦОС – она описывает общий случай обработки физического, то есть аналогового, сигнала, цифровым вычислителем.

На входе и входе системы обработки непрерывный аналоговый сигнал, который проходит через специальное устройство – аналого-цифровой преобразователь, и только после этого в виде последовательности нулей и единиц попадает на цифровой вычислитель. Выходная последовательность преобразуется обратно в аналоговую форму цифро-аналоговым преобразователем. О том, что это за устройства и как они работают мы подробно расскажем в отдельной публикации. Но в принципе ЦОС может осуществляться над изначально цифровым сигналом, и преобразование в аналоговую форму не требуется.

А о том, что же это за цифровой сигнал, и как мы можем получить его из аналогового – в следующей публикации!

Основы ЦОС 2 – cигналы, шумы и помехи

Во-первых давайте попробуем понять, что такое цифровой сигнал, и как он соотносится с аналоговым. Для этого рассмотрим процесс оцифровки аналогового сигнала. Исходный аналоговый сигнал непрерывен, и мы можем узнать его значение в любой момент времени.

Запишем его как x(t). Подставляем любое значение времени t – получаем значение сигнала x.

Для того, чтобы представить этот аналоговый сигнал в цифровом нужно осуществить две операции:

При дискретизации мы берём отсчёты сигнала только в конкретные моменты времени. Дискретный сигнал уже не является непрерывным, его значения известны нам только в выбранных точках.

Мы записываем его как x(n). n – номер дискретного отсчёта. Подставили номер отсчёта n – получили значение из дискретной последовательности. В нашем случае отсчёты по оси времени расположены друг от друга на одинаковом расстоянии. Мы взяли временную сетку с равномерным шагом. Шаг этот называется периодом дискретизации – Δt. Точные значения сигнала, не попавшие во временную сетку с периодом дискретизации нам уже недоступны.

Квантование – это представление значений сигнала конечным числом уровней, то есть округление его точных значений.

На данном графике представлен непрерывный квантованный сигнал. Мы выбрали целочисленные уровни, и в тот момент времени, когда сигнал, например, превышает значение в 2.5 он приравнивается к тройке, а когда значение опускается ниже двух с половиной – он округляется вниз до двойки.

Ну и наконец цифровой сигнал. Он является квантованным по уровню и дискретным во времени.

В нашем случае цифровой сигнал – это дискретная последовательность целочисленных значений. И если мы представим наши уровни не в десятичном, а в двоичном виде – то мы получаем ту самую последовательность нулей и единиц, о которой мы говорили ранее.

Важно заметить, что при квантовании теряется точность. Каждый отсчёт цифрового сигнала отличается от соответствующего отсчёта дискретного сигнала на величину, равную разнице реального значения и ближайшего уровня квантования. Сигнал разницы часто называют ошибкой или шумом квантования.

Теперь поговорим о том, что может помешать нам получить информацию из сигнала, а именно о:

Начнём с шумов. Если говорить просто, где есть сигнал, там будет и шум, так как шум присутствует повсюду. Упорядоченные процессы физического мира соседствуют со случайными, и зафиксировать одни без других практически невозможно. У нас нет времени рассказывать о всех случайных процессах во вселенной, поэтому давайте ограничимся наиболее распространёнными видами шумов при ЦОС.

Начнём с теплового шума. Большинство устройств обработки имеют в своём составе электрические цепи. Цифровые вычислители также являются электрическими цепями, через которые проходят электрические сигналы. А в любом проводнике электрического сигнала присутствует тепловой шум, обусловленный хаотичным движением подвижных частиц – носителей заряда.

Электрический сигнал может быть преобразован в электромагнитную, звуковую, световую и прочие формы и передан по соответствующим физическим каналам. В этих каналах так же присутствуют хаотично движущиеся частицы, как например в атмосфере.

Сигнал ошибки квантования, упомянутый ранее, нам также проще относить к категории шумов, хотя по факту он не является случайным и зависит от сигнала.

Подводя итог: шумы, как правило, случайны по своей природе, и их источниками являются физические процессы.

Помехи же, как правило, случайными процессами не являются, и источники их часто имеют так называемое человеческое происхождение. К примеру – линия электропередач мешает вам принимать телевизионный сигнал, расположенные рядом станции сотовой связи вызывают замирания сигнала. Иногда помеха создаётся специально, чтобы подавить средства обнаружения противника в рамках радиоэлектронной борьбы. Помехи могут иметь и естественное происхождение, например засветка солнцем в системах спутниковой связи.

Искажения – это нежелательные изменения сигнала, вызванные неидеальностью среды передачи или системы обработки. Шум и помеха существуют отдельно от сигнала, от них часто можно отфильтровать, в то время как искажения происходят с самим сигналом. И в этом случае мы безвозвратно теряем информацию.

Пример – ограничение в усилителе. Выходной сигнал устройства не может быть выше определённого значения, и при большом коэффициенте усиления мы наблюдаем изменения формы сигнала – пики обрезаются. Выходной сигнал перестаёт напоминать входной. Но и даже такие искажения могут быть полезны, например, рок музыкантам – эффект перегруза в гитарах достигается именно по описанному принципу.

Мы часто говорим о сигнале, как об источнике информации, но вокруг нас протекает множество физических процессов. Что из них полезный сигнал, что шум, а что помеха?

На самом деле всё относительно. Рассмотрим простой пример. Вы находитесь в многолюдном кафе. То, что говорит вам ваш собеседник является полезным сигналом. В то время как беседа людей за соседним столиком для вас является помехой. Но если вы захотите узнать, о чём же там так оживлённо спорят, то в это случае уже речь вашего собеседника будет мешать вам это сделать.

Выделение сигнала на фоне шума или помехи – одна из задач ЦОС, и в следующей публикации мы попробуем очертить остальные задачи.

Основы ЦОС 3 – cигналы, шумы и помехи

Основные задачи ЦОС можно сгруппировать в следующие категории:

• эквализация или исправление сигнала,
• фильтрация сигнала,
• идентификация системы,
• анализ и оценка параметров сигнала,
• сжатие.

Первые три категории соответствуют представленной схеме – здесь присутствуют входной сигнал, система обработки и выходной сигнал. В каждом из трёх случаев что-то является неизвестным и искомым. Под системой же здесь подразумевается любая среда прохождения, намеренно или ненамеренно изменяющая входной сигнал. Будь то кабель, атмосфера или цифровой вычислитель.

Эквализация – задача поиска входного сигнала при известных параметрах системы и выходного сигнала. Иногда эту задачу также называют инверсией, потому что мы как бы исправляем то, что система делает с сигналом. Находим его первозданный вид.

Мы знаем, как неидеальности системы могут влиять на сигнал, например, в каких частотных диапазонах он будет подавляться сильнее. К примеру, как акустика комнаты и параметры усилителей и динамиков могут подавить высокие частоты и усилить средние. Эквалайзер позволит нам контролировать усиление в определённых полосах для компенсации влияния системы.

Фильтрация – одна из самых распространённых задач ЦОС.

Мы ищем выходной сигнал. Но на самом деле мы скорее отделяем полезный сигнал от смеси сигнала с шумом или помехой, подобно тому, как простейший водный фильтр помогает нам отделить пригодную для питья воду от песка и мелких частиц.

Идентификация системы применяется в том случае, когда измерить точные параметры среды прохождения сигнала не представляется возможным, и нужна модель среды.

К примеру – многолучевое распространение радиосигнала в условиях городской застройки. Точно просчитать, от каких зданий и как сигнал переотразится достаточно сложно, но! мы знаем передаваемый сигнал, записываем принятый сигнал, и далее пробуем найти наилучшую модель, описывающую среду распространения, которая затем может быть использована при модификации и эксплуатации системы. Или же получение модели является целью исследовательской задачи, например при зондировании земли.

Теперь рассмотрим анализ и оценку параметров сигнала. Это широкий класс задач, связанный с получением информации из сигнала. Часто этот процесс идёт после исправления или фильтрации сигнала.

Анализ спектра принятого эфира позволит нам сделать заключение о наличии или отсутствии того или иного частотного компонента в принятой смеси сигналов и шумов.

Оценка параметра частоты отраженного сигнала, принимаемого автомобильным радаром, позволит на основе эффекта Доплера оценить относительную скорость.

Ну и наконец сжатие сигнала. Оно применяется в тех случаях, когда мы хотим уменьшить количество передаваемой или хранимой информации. Часто это достигается за счёт потери в точности представления.

Большинство аудиофайлов на вашем телефоне хранятся в сжатом виде, потоковое видео, которое вы смотрите, приходит к вам также в сжатом виде. Алгоритмы и устройства компрессии данных – также часть мира ЦОС.

Большинство практических примеров в курсе мы будем рассматривать в среде MATLAB, поэтому следующая публикация будет посвящена введению в MATLAB для решения задач ЦОС.

p, blockquote 1,0,0,0,0 -->

p, blockquote 2,0,0,0,0 -->

Аналоговый сигнал

Это природный тип сигналов окружает нас повсеместно и постоянно. Звук, изображение, тактильные ощущения, запах, вкус и команды мозга. Все возникающие, во Вселенной без участия человека, сигналы являются аналоговыми.

p, blockquote 3,0,0,0,0 -->

В электронике, электротехнике и системах связи аналоговую передачу данных применяют со времени изобретения электричества. Характерной особенностью является непрерывность и плавность изменения параметров. Графически сеанс аналоговой связи можно описать как непрерывную кривую, соответствующую величине электрического напряжения в определённый момент времени. Линия изменяется плавно, разрывы возникают только при обрыве связи. В природе и электронике аналоговые данные генерируются и распространяются непрерывно. Отсутствие непрерывного сигнала означает тишину или черный экран.

p, blockquote 4,0,0,0,0 -->

В непрерывных системах связи аналогом звука, изображения и любых других данных является электрические или электромагнитные импульсы. Например, громкость и тембр голоса передаются от микрофона на динамик посредством электрического сигнала. Громкость зависит от величины, а тембр от частоты напряжения. Поэтому при голосовой связи сначала напряжение становится аналогом звука, а потом звук аналогом напряжения. Таким же образом происходит передача любых данных в аналоговых системах связи.

p, blockquote 5,0,0,0,0 -->

Что такое дискретный сигнал

В цифровой системе хранения и передачи данных, отсутствие сигнала, также является формой обмена информацией. В какой-то момент времени он равен нулю, в другой принимает какое-либо значение. Поэтому дискретным называют сигнал прерывный, отсюда и название discretus или разделённый. Аналоговые данные разбиваются на отдельные блоки, обрабатываются и передаются в виде цифрового кода.

p, blockquote 6,0,0,0,0 -->

p, blockquote 7,0,0,0,0 -->

Дискретность не подразумевает разрыв связи. В цифровых системах широко используется двоичная система обработки и обмена информацией. Двоичная подразумевает кодировку данных с помощью единицы и нулей. В доли секунды сигнал прерывисто принимает значение 1 или 0. Вместо непрерывной кривой имеем отдельные дискретные значения. Определенный набор нулей и единичек уже несёт в себе какую либо информацию. Примитивный набор это бит или двоичный разряд. Сам по себе он ничего не значит. Данные могут кодироваться только при объединении восьми битов в следующую по сложности комбинацию – байт. Чем больше объединённых байтов, тем больше и точнее можно описать передаваемую информацию.

p, blockquote 8,0,1,0,0 -->

На качество генерируемых данных влияет не только количество объединённых битов, но и скорость передачи. Непрерывная аналоговая кривая должна быть разбита на как много больше мини участков прерывного сигнала. Полученный таким образом звук и цвет будут соответствовать оригиналу. Качественный дискретный сигнал формирует точную копию аналогового. Например, звуковая дорожка MP3 закодированная со скоростью 320 000 бит в секунду (320 kbps) значительно лучше кодированной в 128 kbps. Дорожки скоростью меньше 128 слушать вообще невозможно.

p, blockquote 9,0,0,0,0 -->

Чем отличается непрерывный сигнал от дискретного

На первый взгляд отличия в сигналах можно не различить. Оба передаются в виде электрических импульсов по проводам или электромагнитными волнами в эфире. Преобразовываются в звук и изображение, выводятся на динамики и экран. Но разница существенна. Отличие аналогового сигнала от цифрового обусловлено особенностями обработки и передачи данных.

p, blockquote 10,0,0,0,0 -->

Аналоговые данные не кодируются и не шифруются, просто отображаются в электрические или электромагнитные импульсы. Приёмник преобразовывает импульсы в полном соответствии с полученным сигналом. Передаваемый и принимаемый импульс многогранен и характеризуются постоянным плавным изменением с течением времени. Величина и частота определяют параметры информации. Примером может быть соответствие определённого цвета экрана заданному напряжению. С течением времени цвета плавно меняются следуя изменению напряжения.

Казалось бы, природное происхождение, простота генерации, передачи и приёма благоприятствуют использованию аналогового сигнала. Но в дело вмешиваются электрические и электромагнитные помехи. Это могут быть электромагнитные наводки от электрических сетей, работающих механизмов, рельеф местности, грозы, бури на солнце, шумы создаваемые работой передающего и принимающего оборудования, прочие. Они изменяют плавную кривую. На приёмник информация поступает с изменениями. Шипение, хрипы и искаженное изображение обычная история для аналоговой связи.

p, blockquote 12,0,0,0,0 -->

Цифровая технология использует совсем иной принцип передачи. Аналоговые данные сначала кодируются и только потом передаются. Кодировка заключается в описании непрерывной кривой аналоговой информации. В каждый конкретный момент времени, передаваемый импульс имеет значение единицы или нуля, и определенная последовательность битов отображает всю полноту оригинальной картинки или звука.

p, blockquote 14,0,0,0,0 -->

p, blockquote 15,0,0,0,0 -->

Примером непрерывных и дискретных сигналов могут служить старая проводная и новая сотовая связь. Через старые АТС иногда невозможно было разговаривать с соседним домом. Шумы и плохое усиление сигнала мешали слышать друг друга. Что бы вести полноценную беседу, приходилось громко кричать самому и прислушиваться к собеседнику. Другое дело сотовая связь основанная на цифровой технологии. Звук закодирован и хорошо передаётся на далёкие расстояния. Отчетливо слышно собеседника даже с другого континента.

p, blockquote 16,1,0,0,0 -->

Оба вида связи не лишены недостатков, а ключевыми отличиями являются:

1. Аналоговый подвержен помехам и поступает с искажениями. В то время как цифровой доходит полностью без искажений или отсутствует вовсе.
2. Принять или перехватить аналоговое вещание может любой приёмник такого принципа. Дискретная передача адресована конкретному адресату, кодируется и мало доступна к перехвату.
3. Объём передаваемых данных у аналоговой связи конечен, поэтому она практически исчерпала себя в передаче теле сигнала. Напротив с развитием технологии преобразования аналоговой информации в цифровой код растут объемы и качество трансляции. Например, главным отличием цифрового от аналогового телевидения является превосходное качество изображения.

Цифровая технология выигрывает по всем показателям. Споры идут только среди любителей музыки. Многие меломаны и звукорежиссеры утверждают, что могут различить аналоговый оригинал и цифровую копию. Однако большинство слушателей этого сделать не в состоянии. Да и с развитием цифровых систем аналоговые данные кодируются точнее. Оригинальное звучание и цифровая копия делаются практически неразличимым.

p, blockquote 18,0,0,0,0 -->

Как аналоговый сигнал преобразуется в цифровой и наоборот

Первой в цифровую форму преобразовали математическую, физическую и компьютерную информацию. Описать формулы и расчеты не составило труда. А вот для преображения аналоговой действительности в цифровые массивы уже потребовались специальные устройства. Ими стали аналого-цифровые преобразователи или сокращенно АЦП. Они предназначены для преобразования различных физических величин в цифровые коды. Обратное действие совершают устройства ЦАП.

p, blockquote 19,0,0,0,0 -->

Любые цифровые передатчики и приёмники оснащены такими преобразователями. Например, сотовому телефону, поступивший звук необходимо обработать и передать в оцифрованном виде. В то же время необходимо принять от другого абонента код, преобразовать и передать напряжение на динамик. Так же и с изображением на смартфонах и в телевизорах. В любом случае первоначальной информацией выступает напряжение.

p, blockquote 20,0,0,0,0 -->

p, blockquote 21,0,0,0,0 -->

Существует много видов АЦП, но самыми распространёнными являются следующие:

• параллельного преобразования;
• последовательного приближения;
• дельта-сигма, с балансировкой заряда.

Преобразования в АЦП понятийно связаны с измерением и сравнением. Кодировка, это процесс сравнения полученных от источника данных с эталоном. То есть полученная аналоговая величина сравнивается с эталонной (с заданным напряжением). Эталоном выступает информация о конкретном цвете, звуке и т.п. Она соответствует заложенным в устройство представлениям о преобразуемом сигнале. Потом данные эталонной величины кодируются для передачи. Во время аналого-цифровой обработки физических превращений сигнала не происходит. С аналогового делается цифровой матрица (модель).

p, blockquote 23,0,0,0,0 -->

Упрощенно работу любого АЦП можно представить так:

1. Измерение через определенные интервалы времени амплитуды напряжения.
2. Сравнение с эталоном и формирование данных.
3. Отгрузка оцифрованных сведений об изменениях амплитуды на передатчик.

p, blockquote 25,0,0,0,0 -->

Как выглядят спектры аналогового и дискретного сигнала

Изображение сигналов можно представить как две функции. На рисунке наглядно представлено, чем отличается непрерывный сигнал от дискретного. Напряжение исходного изменяется плавно, обработанного прерывисто. Спектр дискретного периодически ступенчато совпадает с непрерывным.

p, blockquote 26,0,0,0,0 -->

p, blockquote 27,0,0,0,0 -->

Изменения дискретного происходят резко, через определённый период времени. Уровень в цифровой системе зашифровывается и любую величину напряжения описывают двоичным кодом. От частоты измерений зависит сглаженность преобразования и оригинальность передаваемых данных. Чем точнее описан уровень сигнала и чем чаще проводится и обрабатывается измерение, тем точнее совпадает спектр начального и переданного сигналов.

p, blockquote 28,0,0,0,0 -->

p, blockquote 29,0,0,0,0 -->

Какие системы связи используют цифровой сигнал а какие аналоговый

Несмотря на архаичность аналоговая технология ещё используется для телефонной и радио связи. Многие проводные сети до сих пор остаются аналоговыми. В основном это традиционные телефонные линии местных операторов. Но, для магистральной передачи данных связи уже повсеместно используют цифровые каналы. Так же аналоговая технология применяется в простых и дешёвых переносных радиостанциях.

p, blockquote 30,0,0,0,0 -->

Во всех вновь создаваемых системах используют цифровую технологию обработки сигнала. Это оптоволоконные и проводные линии, сигнализация и телеметрия, военная и гражданская промышленная связь. И конечно же на цифровое вещание переходит телевидение. Аналоговый способ передачи данных исчерпал себя. На смену пришла новая высококачественная и защищенная связь.

p, blockquote 31,0,0,0,0 -->

Список книг помогающих разобраться в аналоговых и цифровых сигналах

Более подробно изучить и сравнить принципы обработки и передачи данных можно прочитав следующую литературу:

Старая добрая аналоговая связь быстро сдаёт позиции. Несмотря на модернизацию и улучшения, возможность обмена данными достигла предела. К тому же, остались старые болезни – искажения и шумы. В то же время цифровая связь лишена этих недостатков, и передаёт большие объёмы информации быстро, качественно, без ошибок.

Читайте также:

  
• Как убрать сайт из черного списка касперского
  
• Как пользоваться пневмоподвеской в nfs heat ps4
  
• Как сканировать qr код на сони иксперия
  
• Coreldraw x3 это какая версия
  
• Как установить реал гитар в фл студио 20