Sygnał analogowy jest funkcją argumentu ciągłego (czasu). Jeśli wykres jest okresowo przerywany, jak to ma miejsce w sekwencji impulsów, na przykład, mówi się już o pewnej dyskretności paczki.
Historia terminu
Inżynieria komputerowa
Jeśli przeczytasz uważnie, nie jest napisane nigdzie, skąd wzięła się definicja - analog. Na Zachodzie termin ten jest używany od lat czterdziestych przez profesjonalistów komputerowych. To właśnie w czasie II wojny światowej pierwszy systemy komputerowe zwany cyfrowym. A do wyróżnienia trzeba było wymyślić nowe epitety.
Do świata sprzęt AGD pojęcie analogu wkroczyło dopiero na początku lat 80-tych, kiedy pierwszy Procesory Intel, a świat bawił się zabawkami na ZX-Spectrum, emulator urządzeń dzisiaj można uzyskać w Internecie. Rozgrywka wymagała niezwykłej wytrwałości, umiejętności i doskonałej reakcji. Wraz z dziećmi zbierali pudła i bili wrogich kosmitów i dorosłych. Współczesne gry są znacznie gorsze od pierwszych ptaków, które na chwilę zawładnęły umysłami graczy.
Nagrywanie dźwięku i telefonia
Na początku lat 80. zaczęła pojawiać się muzyka pop w obróbce elektronicznej. Telegraf muzyczny został zaprezentowany publiczności w 1876 roku, ale nie zyskał uznania. Muzyka popularna lubi publiczność w najszerszym tego słowa znaczeniu. Telegraf był w stanie wydać pojedynczy dźwięk, przekazać go na odległość, gdzie został odtworzony przez głośnik o specjalnej konstrukcji. I chociaż The Beatles użyli organów elektronicznych do stworzenia Sergeant Pepper, syntezator wszedł do użytku pod koniec lat 70-tych. Naprawdę popularne i cyfrowe narzędzie stało się już w połowie lat 80.: pamiętaj Modern Talking. Wcześniej syntezatory były używane obwody analogowe począwszy od Novachord w 1939 roku.
Przeciętny obywatel nie musiał więc rozróżniać technologii analogowych i cyfrowych, dopóki te ostatnie nie zadomowiły się w życiu codziennym. Słowo analog jest w domenie publicznej od wczesnych lat 80-tych. Jeśli chodzi o pochodzenie terminu, tradycyjnie uważa się, że wskaźnik został zapożyczony z telefonii, a później przeniósł się do nagrywania dźwięku. Wibracje analogowe są przekazywane bezpośrednio do głośnika, a głos jest natychmiast słyszalny. Sygnał jest podobny do ludzkiej mowy, staje się elektrycznym analogiem.
Jeśli do głośnika zostanie doprowadzony sygnał cyfrowy, usłyszysz nieopisaną kakofonię dźwięków różnych klawiszy. Ta „mowa” jest znana każdemu, kto ładował programy i gry z taśmy magnetycznej do pamięci komputera. Nie wygląda jak człowiek, ponieważ jest cyfrowy. Jeśli chodzi o sygnał dyskretny, to w najprostszych systemach podawany jest bezpośrednio do głośnika, który pełni rolę integratora. Sukces lub porażka przedsiębiorstwa zależy wyłącznie od właściwych parametrów.
W tym samym czasie termin ten pojawił się w nagraniach dźwiękowych, gdzie muzyka i głos trafiały bezpośrednio z mikrofonu na taśmę. Nagrywanie magnetyczne stało się analogiem prawdziwych artystów. Płyty winylowe są jak muzycy i nadal są uważani za najlepszego nośnika wszelkich kompozycji. Chociaż wykazują ograniczoną żywotność. Płyty CD często zawierają teraz dźwięk cyfrowy dekodowane przez dekoder. Według Wikipedii nowa era rozpoczęła się w 1975 roku (en.wikipedia.org/wiki/History_of_sound_recording).
Pomiary elektryczne
W sygnale analogowym istnieje proporcjonalność między napięciem lub prądem a odpowiedzią urządzenia odtwarzającego. Uważa się, że termin ten pochodzi z greckich analogos. Co to znaczy proporcjonalny. Porównanie jest jednak podobne do powyższego: sygnał jest podobny do głosu odtwarzanego przez głośniki.
Ponadto w technologii stosuje się inny termin w odniesieniu do sygnałów analogowych - ciągły. Co odpowiada powyższej definicji.
informacje ogólne
Energia sygnału
Jak wynika z definicji, sygnał analogowy ma nieskończoną energię i nie jest ograniczony w czasie. Dlatego jego parametry są uśredniane. Na przykład napięcie 220 V obecne na wylocie nazywa się RMS ze wskazanego powodu. Dlatego stosowane są wartości efektywne (uśrednione w pewnym przedziale). Już teraz widać, że na wyjściu jest sygnał analogowy o częstotliwości 50 Hz.
Jeśli chodzi o dyskrecję, stosuje się wartości skończone. Na przykład kupując paralizator, musisz upewnić się, że energia uderzenia nie przekracza określonej wartości, mierzonej w dżulach. W przeciwnym razie wystąpią problemy z użytkowaniem lub podczas kontroli. Ponieważ zaczynając od konkretne znaczenie energii, paralizator jest używany tylko przez siły specjalne, z ustaloną górną granicą. Inne są z zasady nielegalne, a ich użycie może spowodować śmierć.
Energia impulsu znajduje się poprzez pomnożenie prądu i napięcia przez czas trwania. A to pokazuje skończoność parametru dla sygnałów dyskretnych. W technice są też sekwencje cyfrowe. Różni się od dyskretnego sygnału cyfrowego parametrami zakodowanymi na stałe:
- Trwanie.
- Amplituda.
- Obecność dwóch danych stanów: 0 i 1.
- Bity maszynowe 0 i 1 są dodawane do wcześniej uzgodnionych słów i zrozumiałych dla uczestników (język asemblera).
Wzajemna konwersja sygnałów
Dodatkową definicją sygnału analogowego jest jego pozorna przypadkowość, brak widocznych reguł lub podobieństwo do pewnych procesów naturalnych. Na przykład sinusoida może opisywać obrót Ziemi wokół Słońca. To jest sygnał analogowy. W teorii obwodów i sygnałów sinusoida jest reprezentowana przez obracający się wektor amplitudy. A faza prądu i napięcia jest inna - są to dwa różne wektory, powodujące procesy reaktywne. Co obserwuje się w cewkach indukcyjnych i kondensatorach.
Z definicji wynika, że sygnał analogowy jest łatwo konwertowany na dyskretny. Każdy blok impulsowy power odcina napięcie wejściowe z gniazdka na paczki. Dlatego zajmuje się konwersją sygnału analogowego o częstotliwości 50 Hz na dyskretne impulsy ultradźwiękowe. Zmieniając parametry krojenia, zasilacz dostosowuje wartości wyjściowe do wymagań obciążenia elektrycznego.
Wewnątrz odbiornika fal radiowych z detektorem amplitudy zachodzi proces odwrotny. Po wyprostowaniu sygnału na diodach powstają impulsy o różnych amplitudach. Informacja jest osadzona w kopercie takiego sygnału, linii łączącej szczyty wiadomości. Filtr zajmuje się konwersją dyskretnych impulsów na wartość analogową. Zasada opiera się na integracji energii: podczas obecności napięcia ładunek kondensatora wzrasta, następnie w odstępie między szczytami powstaje prąd z powodu wcześniej nagromadzonego dopływu elektronów. Powstała fala jest podawana do wzmacniacza niskich częstotliwości, później do głośników, gdzie wynik jest słyszany przez innych.
Sygnał cyfrowy jest kodowany inaczej. Tam amplituda impulsu jest osadzona w słowie maszynowym. Składa się z jedynek i zer, wymagane jest dekodowanie. Operacja realizowana jest za pomocą urządzeń elektronicznych: karta graficzna, produkty oprogramowania. Wszyscy pobierali kodeki K-Lite z Internetu, tak właśnie jest. Kierowca zajmuje się dekodowaniem sygnału cyfrowego i przetwarzaniem go na wyjście na głośniki i wyświetlacz.
Nie musisz się spieszyć, gdy adapter nazywa się akceleratorem 3D i na odwrót. Pierwszy konwertuje tylko dany sygnał. Na przykład za wejściem cyfrowym DVI zawsze znajduje się adapter. Zajmuje się tylko konwersją liczb z jedynek i zer do wyświetlania na matrycy ekranu. Pobiera informacje o jasności i wartościach pikseli RGB. Jeśli chodzi o akcelerator 3D, urządzenie może (ale nie musi) zawierać adapter, ale głównym zadaniem są skomplikowane obliczenia do budowy obrazów trójwymiarowych. Takie podejście pozwala na rozładowanie procesor i przyspieszyć swój komputer.
Z analogowego na cyfrowy sygnał jest konwertowany na ADC. Dzieje się to programowo lub wewnątrz mikroukładu. Niektóre systemy łączą obie metody. Procedura rozpoczyna się od odczytów, które mieszczą się w określonym obszarze. Każdy, po przekształceniu, staje się słowem maszynowym zawierającym obliczoną liczbę. Następnie odczyty są pakowane w paczki, możliwe staje się przesłanie złożonego systemu do innych abonentów.
Zasady próbkowania są znormalizowane przez twierdzenie Kotelnikowa, które pokazuje maksymalną częstotliwość próbkowania. Częściej zabrania się czytania, ponieważ informacje są tracone. Mówiąc prościej, sześciokrotne przekroczenie częstotliwości próbkowania ponad górną granicę widma sygnału jest uważane za wystarczające. Większe zapasy są uważane za dodatkową korzyść, gwarantującą dobra jakość. Każdy widział wskazówki dotyczące częstotliwości próbkowania nagrań audio. Zwykle ustawienie wynosi powyżej 44 kHz. Powodem są osobliwości ludzkiego słuchu: górna granica widma to 10 kHz. Dlatego częstotliwość próbkowania 44 kHz jest wystarczająca dla przeciętnej transmisji dźwięku.
Różnica między sygnałem dyskretnym a cyfrowym
Wreszcie osoba z otaczającego świata zwykle odbiera informacje analogowe. Jeśli oko zobaczy migające światło, widzenie peryferyjne uchwyci otaczający krajobraz. Dlatego efekt końcowy nie jest postrzegany jako dyskretny. Oczywiście można spróbować stworzyć inną percepcję, ale jest to trudne i okaże się całkowicie sztuczne. Jest to podstawa do używania alfabetu Morse'a, który składa się z kropek i kresek, które można łatwo odróżnić na tle szumu. Dyskretne uderzenia klawisza telegraficznego trudno pomylić z naturalnymi sygnałami, nawet w obecności silnego szumu.
Podobnie linie cyfrowe są wprowadzane do technologii w celu wyeliminowania zakłóceń. Każdy miłośnik wideo próbuje zdobyć zakodowaną kopię filmu w najwyższej rozdzielczości. Informacje cyfrowe mogą być przesyłane na duże odległości bez najmniejszych zniekształceń. Pomocnikami stają się znane po obu stronach zasady tworzenia wcześniej ułożonych słów. Czasami w sygnale cyfrowym osadzone są nadmiarowe informacje, co pozwala na poprawienie lub zauważenie błędów. Eliminuje to błędne postrzeganie.
Sygnały impulsowe
Aby być bardziej precyzyjnym, dyskretne sygnały są podawane przez zliczenia w określonych punktach w czasie. Oczywiste jest, że taka sekwencja nie powstaje w rzeczywistości ze względu na fakt, że front i recesja mają skończoną długość. Impuls nie jest przesyłany natychmiast. Dlatego widmo sekwencji nie jest uważane za dyskretne. Więc sygnał nie może być tak nazwany. W praktyce wyróżniamy dwie klasy:
- Analogowe sygnały impulsowe - których widmo znajduje się w transformacji Fouriera, a więc ciągłe, przynajmniej w pewnych obszarach. Wynik działania napięcia lub prądu na obwód znajduje się w operacji splotu.
- Dyskretne sygnały impulsowe również wykazują dyskretne widmo, operacje na nich przeprowadzane są poprzez dyskretne transformaty Fouriera. Dlatego stosuje się również splot dyskretny.
Te wyjaśnienia są ważne dla literatów, którzy przeczytali, że sygnały impulsowe są analogowe. Dyskretne są nazwane według cech widma. Termin analog służy do rozróżnienia. Epitet ciągły ma zastosowanie, jak już wspomniano powyżej, w związku z cechami widma.
Wyjaśnienie: tylko widmo nieskończonej sekwencji impulsów jest uważane za ściśle dyskretne. W przypadku paczki składowe harmoniczne są zawsze niejasne. Takie widmo przypomina sekwencję impulsów o modulowanej amplitudzie.
Sygnał analogowy to sygnał danych, w którym każdy z reprezentujących parametrów jest opisany funkcją czasu i ciągłym zestawem możliwych wartości.
Istnieją dwie przestrzenie sygnałów - przestrzeń L (sygnały ciągłe) i przestrzeń l (L mała) - przestrzeń ciągów. Przestrzeń l (L jest mała) to przestrzeń współczynników Fouriera (przeliczalny zbiór liczb definiujących funkcję ciągłą na skończonym przedziale dziedziny definicji), przestrzeń L to przestrzeń sygnałów ciągłych (analogowych) w dziedzinie definicji. W pewnych warunkach przestrzeń L jest jednoznacznie odwzorowana na przestrzeń l (na przykład dwa pierwsze twierdzenia o dyskretyzacji Kotelnikowa).
Sygnały analogowe opisywane są ciągłymi funkcjami czasu, dlatego sygnał analogowy jest czasami określany jako sygnał ciągły. Sygnały analogowe są przeciwieństwem dyskretnych (skwantowanych, cyfrowych). Przykłady przestrzeni ciągłych i odpowiadających im wielkości fizycznych:
bezpośrednie: napięcie elektryczne
obwód: położenie wirnika, koła, przekładni, wskazówek zegara analogowego lub faza sygnału nośnego
segment: położenie tłoka, dźwigni sterującej, termometr cieczowy lub sygnał elektryczny ograniczony amplitudą różne przestrzenie wielowymiarowe: kolor, sygnał modulowany kwadraturowo.
Właściwości sygnałów analogowych są w dużej mierze przeciwne do właściwości sygnałów skwantowanych lub cyfrowych.
Brak dyskretnych poziomów sygnałów, które można wyraźnie od siebie odróżnić, prowadzi do niemożności zastosowania pojęcia informacji do jej opisu w takiej postaci, w jakiej jest ona rozumiana technologie cyfrowe. „Ilość informacji” zawartych w jednym odczycie będzie ograniczona jedynie zakresem dynamicznym przyrządu pomiarowego.
Brak redundancji. Z ciągłości przestrzeni wartości wynika, że wszelkie zakłócenia wprowadzone do sygnału są nie do odróżnienia od samego sygnału, a zatem pierwotna amplituda nie może zostać przywrócona. W rzeczywistości filtrowanie jest możliwe na przykład metodami częstotliwościowymi, jeśli znane są jakiekolwiek dodatkowe informacje o właściwościach tego sygnału (w szczególności pasmo częstotliwości).
Wniosek:
Sygnały analogowe są często używane do reprezentowania stale zmieniających się wielkości fizycznych. Na przykład analogowy sygnał elektryczny pobrany z termopary niesie informację o zmianie temperatury, sygnał z mikrofonu o szybkich zmianach ciśnienia w fali dźwiękowej i tak dalej.
2.2 Sygnał cyfrowy
Sygnał cyfrowy to sygnał danych, w którym każdy z reprezentowanych parametrów jest opisany funkcją czasu dyskretnego i skończonym zbiorem możliwych wartości.
Sygnały są dyskretnymi impulsami elektrycznymi lub świetlnymi. Dzięki tej metodzie cała przepustowość kanału komunikacyjnego jest wykorzystywana do transmisji jednego sygnału. Sygnał cyfrowy wykorzystuje całą szerokość pasma kabla. Szerokość pasma to różnica między maksymalną a minimalną częstotliwością, jaką można przesłać kablem. Każde urządzenie w takich sieciach przesyła dane w obu kierunkach, a niektóre mogą jednocześnie odbierać i przesyłać. Systemy wąskopasmowe (baseband) przesyłają dane w postaci sygnału cyfrowego o pojedynczej częstotliwości.
Dyskretny sygnał cyfrowy jest trudniejszy do przesłania na duże odległości niż sygnał analogowy, dlatego jest wstępnie modulowany po stronie nadajnika i demodulowany po stronie odbiornika informacji. Zastosowanie algorytmów sprawdzania i odtwarzania informacji cyfrowych w systemach cyfrowych może znacząco zwiększyć niezawodność transmisji informacji.
Komentarz. Należy pamiętać, że prawdziwy sygnał cyfrowy jest z natury rzeczy analogowy. Ze względu na szumy i zmiany parametrów linii transmisyjnych ma wahania amplitudy, fazy/częstotliwości (jitter), polaryzacji. Ale ten sygnał analogowy (impulsowy i dyskretny) ma właściwości liczby. Dzięki temu możliwe staje się wykorzystanie metod numerycznych do jego przetwarzania (przetwarzania komputerowego).
Sygnał definiuje się jako napięcie lub prąd, które mogą być przesyłane jako wiadomość lub informacja. Ze swej natury wszystkie sygnały są analogowe, zarówno DC, jak i AC, cyfrowe lub impulsowe. Jednak zwyczajowo rozróżnia się sygnały analogowe i cyfrowe.
Sygnał cyfrowy to sygnał, który został w określony sposób przetworzony i zamieniony na liczby. Zazwyczaj te sygnały cyfrowe są połączone z rzeczywistymi sygnałami analogowymi, ale czasami nie ma między nimi połączenia. Przykładem jest transfer danych w języku lokalnym sieć komputerowa(LAN) lub inne szybkie sieci.
W przypadku cyfrowego przetwarzania sygnału (DSP) sygnał analogowy jest przetwarzany na postać binarną przez urządzenie zwane przetwornikiem analogowo-cyfrowym (ADC). Wyjście ADC jest binarną reprezentacją sygnału analogowego, który jest następnie przetwarzany przez arytmetyczny procesor sygnału cyfrowego (DSP). Po przetworzeniu informacje zawarte w sygnale mogą być z powrotem przetworzone do postaci analogowej za pomocą przetwornika cyfrowo-analogowego (DAC).
Innym kluczowym pojęciem w definiowaniu sygnału jest fakt, że sygnał zawsze niesie ze sobą jakąś informację. To prowadzi nas do kluczowego problemu przetwarzania fizycznych sygnałów analogowych - problemu ekstrakcji informacji.
Cele przetwarzania sygnałów.
Głównym celem przetwarzania sygnałów jest potrzeba pozyskania informacji w nich zawartych. Ta informacja jest zwykle obecna w amplitudzie sygnału (bezwzględnej lub względnej), w częstotliwości lub zawartości widmowej, w fazie lub we względnych zależnościach czasowych kilku sygnałów.
Po wydobyciu żądanych informacji z sygnału można ich użyć różne sposoby. W niektórych przypadkach pożądane jest przeformatowanie informacji zawartych w sygnale.
W szczególności podczas transmisji następuje zmiana formatu sygnału sygnał dźwiękowy w systemie telefonii wielodostępu z podziałem częstotliwości (FDMA). W tym przypadku stosuje się metody analogowe do umieszczania wielu kanałów głosowych w widmie częstotliwości do transmisji za pośrednictwem przekaźnika mikrofalowego, kabla koncentrycznego lub światłowodowego.
W przypadku komunikacji cyfrowej, analogowe informacje audio są najpierw konwertowane na cyfrowe za pomocą przetwornika ADC. Informacje cyfrowe reprezentujące poszczególne kanały audio są multipleksowane w czasie (wielokrotny dostęp z podziałem czasu, TDMA) i przesyłane przez szeregowe łącze cyfrowe (jak w systemie PCM).
Innym powodem przetwarzania sygnału jest kompresja szerokości pasma sygnału (bez znacznej utraty informacji), a następnie formatowanie i przesyłanie informacji ze zmniejszoną prędkością, co może zawęzić wymaganą szerokość pasma kanału. Szybkie modemy i systemy adaptacyjnej modulacji kodu impulsowego (ADPCM) w dużym stopniu wykorzystują algorytmy redundancji danych (kompresji), podobnie jak cyfrowe systemy komunikacji mobilnej, systemy nagrywania dźwięku MPEG i telewizja wysokiej rozdzielczości (HDTV).
Przemysłowe systemy akwizycji i kontroli danych wykorzystują informacje otrzymane z czujników do generowania odpowiednich sygnałów opinia, które z kolei bezpośrednio kontrolują proces. Należy zauważyć, że systemy te wymagają zarówno przetworników ADC, jak i DAC, a także czujników, kondycjonerów sygnału i procesorów DSP (lub mikrokontrolerów).
W niektórych przypadkach w sygnale zawierającym informacje pojawiają się szumy, a głównym celem jest przywrócenie sygnału. Techniki takie jak filtrowanie, autokorelacja, splot itp. są często wykorzystywane do realizacji tego zadania zarówno w domenie analogowej, jak i cyfrowej.
CEL PRZETWARZANIA SYGNAŁU- Ekstrakcja informacji o sygnale (amplituda, faza, częstotliwość, składowe widmowe, taktowanie)
- Konwersja formatu sygnału (telefonia z podziałem kanałów FDMA, TDMA, CDMA)
- Kompresja danych (modemy, Telefony komórkowe, telewizja HDTV, kompresja MPEG)
- Tworzenie sygnałów zwrotnych (sterowanie procesem przemysłowym)
- Ekstrakcja sygnału z szumu (filtrowanie, autokorelacja, splot)
- Ekstrakcja i przechowywanie sygnału w postaci cyfrowej do dalszego przetwarzania (FFT)
Kondycjonowanie sygnału
W większości powyższych sytuacji (związanych z wykorzystaniem technologii DSP) potrzebny jest zarówno ADC, jak i DAC. Jednak w niektórych przypadkach wymagany jest tylko DAC, gdy sygnały analogowe mogą być generowane bezpośrednio na podstawie DSP i DAC. dobry przykład to wyświetlacze zeskanowane wideo, w których generowany cyfrowo sygnał steruje obrazem wideo lub blokiem RAMDAC (Digital to Analogue Pixel Array Converter).
Innym przykładem jest sztucznie syntetyzowana muzyka i mowa. W rzeczywistości, generując fizyczne sygnały analogowe przy użyciu wyłącznie metod cyfrowych, opierają się na informacjach uzyskanych wcześniej ze źródeł podobnych fizycznych sygnałów analogowych. W systemach wyświetlaczy dane na wyświetlaczu muszą przekazywać operatorowi istotne informacje. Przy opracowywaniu systemów dźwiękowych określa się statystyczne właściwości generowanych dźwięków, które wcześniej określono za pomocą powszechne stosowanie Metody DSP (źródło dźwięku, mikrofon, przedwzmacniacz, ADC itp.).
Metody i technologie przetwarzania sygnałów
Sygnały mogą być przetwarzane przy użyciu technik analogowych (przetwarzanie sygnału analogowego lub ASP), technik cyfrowych (przetwarzanie sygnału cyfrowego lub DSP) lub kombinacji technik analogowych i cyfrowych (przetwarzanie sygnału połączonego lub MSP). W niektórych przypadkach wybór metod jest jasny, w innych nie ma jasności w wyborze, a ostateczna decyzja opiera się na pewnych względach.
Jeśli chodzi o procesor DSP, jego główna różnica w stosunku do tradycyjnej komputerowej analizy danych polega na dużej szybkości i wydajności złożonych funkcji przetwarzania cyfrowego, takich jak filtrowanie, analiza i kompresja danych w czasie rzeczywistym.
Termin „łączone przetwarzanie sygnałów” oznacza, że system wykonuje zarówno przetwarzanie analogowe, jak i cyfrowe. Taki układ może być zaimplementowany jako płytka drukowana, hybrydowy układ scalony (IC) lub pojedynczy układ scalony ze zintegrowanymi elementami. Przetworniki ADC i DAC są uważane za połączone urządzenia przetwarzające sygnał, ponieważ w każdym z nich zaimplementowano zarówno funkcje analogowe, jak i cyfrowe.
Ostatnie postępy w technologii chipów o bardzo wysokiej integracji (VLSI) umożliwiają złożone przetwarzanie (cyfrowe i analogowe) na jednym chipie. Sama natura DSP sugeruje, że funkcje te mogą być wykonywane w czasie rzeczywistym.
Porównanie przetwarzania sygnałów analogowych i cyfrowych
Dzisiejszy inżynier staje przed wyborem właściwej kombinacji metod analogowych i cyfrowych w celu rozwiązania problemu przetwarzania sygnału. Niemożliwe jest przetwarzanie fizycznych sygnałów analogowych wyłącznie metodami cyfrowymi, ponieważ wszystkie czujniki (mikrofony, termopary, kryształy piezoelektryczne, głowice dyski magnetyczne itp.) są urządzeniami analogowymi.
Niektóre rodzaje sygnałów wymagają obecności obwodów normalizacyjnych do dalszego przetwarzania sygnałów zarówno w metodach analogowych, jak i cyfrowych. Obwody kondycjonowania sygnału to procesory analogowe, które wykonują funkcje takie jak wzmacnianie, akumulacja (w oprzyrządowaniu i przedwzmacniaczach (wzmacniaczach buforowych), wykrywanie sygnału na tle szumu tła (za pomocą precyzyjnych wzmacniaczy trybu wspólnego, korektorów i odbiorników liniowych), dynamiczne kompresja zakresu (przez wzmacniacze logarytmiczne, logarytmiczne przetworniki cyfrowo-analogowe i PGA) oraz filtrowanie (pasywne lub aktywne).
Kilka metod realizacji procesu przetwarzania sygnału pokazano na rysunku 1. Górny obszar rysunku przedstawia podejście czysto analogowe. Pozostałe obszary pokazują implementację DSP. Należy zauważyć, że po wybraniu technologii DSP następną decyzją musi być zlokalizowanie ADC na ścieżce przetwarzania sygnału.
PRZETWARZANIE SYGNAŁU ANALOGOWEGO I CYFROWEGO
Rysunek 1. Metody przetwarzania sygnału
Ogólnie rzecz biorąc, ponieważ przetwornik ADC został przesunięty bliżej czujnika, większość przetwarzania sygnału analogowego jest teraz wykonywana przez przetwornik ADC. Wzrost możliwości ADC można wyrazić w zwiększeniu częstotliwości próbkowania, rozszerzeniu zakresu dynamicznego, zwiększeniu rozdzielczości, odcięciu szumu wejściowego, zastosowaniu filtrowania wejściowego i programowalnych wzmacniaczy (PGA), obecności napięcia odniesienia na chipie itp. Wszystkie wymienione dodatki zwiększają poziom funkcjonalności i upraszczają system.
W obecności nowoczesne technologie W produkcji przetworników cyfrowo-analogowych i przetworników cyfrowo-analogowych o wysokich częstotliwościach próbkowania i rozdzielczościach dokonano znacznego postępu w integracji coraz większej liczby obwodów bezpośrednio z przetwornikiem cyfrowo-analogowym.
W dziedzinie pomiarów istnieją na przykład 24-bitowe przetworniki ADC z wbudowanymi programowalnymi wzmacniaczami (PGA), które umożliwiają bezpośrednią digitalizację pełnoskalowych sygnałów mostkowych 10 mV, bez późniejszej normalizacji (na przykład seria AD773x).
Przy częstotliwościach głosu i dźwięku powszechne są złożone urządzenia kodująco-dekodujące - kodeki (Analog Front End, AFE), które mają wbudowany obwód analogowy, który spełnia minimalne wymagania dla zewnętrznych komponentów normalizacyjnych (AD1819B i AD73322).
Istnieją również kodeki wideo (AFE) do zastosowań takich jak przetwarzanie obrazu CCD (CCD) i inne (takie jak serie AD9814, AD9816 i AD984X).
Przykład realizacji
Jako przykład zastosowania DSP porównajmy analogowe i cyfrowe filtry dolnoprzepustowe (LPF), każdy o częstotliwości odcięcia 1 kHz.
Filtr cyfrowy jest zaimplementowany jako typowy system cyfrowy pokazano na rysunku 2. Zauważ, że diagram zawiera kilka ukrytych założeń. Po pierwsze, w celu dokładnego przetworzenia sygnału zakłada się, że ścieżka ADC/DAC ma wystarczającą częstotliwość próbkowania, rozdzielczość i zakres dynamiki. Po drugie, aby zakończyć wszystkie obliczenia w przedziale próbkowania (1/f s), urządzenie DSP musi być wystarczająco szybkie. Po trzecie, na wejściu ADC i wyjściu DAC-a nadal potrzebne są filtry analogowe do ograniczania i przywracania widma sygnału (filtr antyaliasingowy i antyobrazowy), choć wymagania dotyczące ich wydajności są niskie . Mając na uwadze te założenia, można porównać filtry cyfrowe i analogowe.
Rysunek 2. Schemat strukturalny filtr cyfrowy
Wymagana częstotliwość odcięcia dla obu filtrów wynosi 1 kHz. Konwersja analogowa jest realizowana pierwszego rodzaju szóstego rzędu (charakteryzującego się obecnością tętnienia wzmocnienia w paśmie przepuszczania i brakiem tętnienia poza pasmem przepuszczania). Jego charakterystykę przedstawiono na rysunku 2. W praktyce filtr ten może być reprezentowany przez trzy filtry drugiego rzędu, z których każdy zbudowany jest na wzmacniaczu operacyjnym i kilku kondensatorach. Przez nowoczesne systemy Projektowanie wspomagane komputerowo (CAD) filtrów Stworzenie filtra szóstego rzędu jest dość łatwe, ale spełnienie specyfikacji płaskości 0,5 dB wymaga precyzyjnego doboru komponentów.
129-współczynnikowy cyfrowy filtr FIR pokazany na rysunku 2 ma tętnienie tylko 0,002 dB w paśmie przepuszczania, liniową odpowiedź fazową i znacznie bardziej stromy spadek. W praktyce takich cech nie da się zrealizować metodami analogowymi. Kolejną oczywistą zaletą układu jest to, że filtr cyfrowy nie wymaga dopasowywania elementów i nie podlega dryfowi parametrów, ponieważ częstotliwość taktowania filtru jest stabilizowana przez rezonator kwarcowy. Filtr o 129 współczynnikach wymaga 129 operacji multiply-accumulate (MAC) w celu obliczenia próbki wyjściowej. Obliczenia te muszą być wykonane w interwale próbkowania 1/fs, aby zapewnić działanie w czasie rzeczywistym. W tym przykładzie częstotliwość próbkowania wynosi 10 kHz, więc 100 µs jest wystarczające do przetwarzania, jeśli nie są wymagane żadne znaczące dodatkowe obliczenia. Rodzina procesorów DSP ADSP-21xx może zakończyć cały proces mnożenia i akumulacji (i inne funkcje wymagane do implementacji filtra) w jednym cyklu instrukcji. Dlatego filtr o 129 współczynnikach wymaga prędkości większej niż 129/100 µs = 1,3 miliona operacji na sekundę (MIPS). Istniejące procesory DSP są znacznie szybsze, a zatem nie są czynnikiem ograniczającym dla tych aplikacji. Seria 16-bitowych urządzeń stałoprzecinkowych ADSP-218x osiąga wydajność do 75 MIPS. Listing 1 pokazuje kod asemblera, który implementuje filtr na procesorach DSP z rodziny ADSP-21xx. Zauważ, że rzeczywiste wiersze kodu wykonywalnego są oznaczone strzałkami; reszta to komentarze.
Rysunek 3. Filtry analogowe i cyfrowe
Oczywiście w praktyce istnieje wiele innych czynników, które są brane pod uwagę przy porównywaniu filtrów analogowych i cyfrowych lub ogólnie metod przetwarzania sygnałów analogowych i cyfrowych. Nowoczesne systemy przetwarzania sygnałów łączą metody analogowe i cyfrowe w celu osiągnięcia pożądanej funkcji i wykorzystania najlepsze praktyki zarówno analogowe, jak i cyfrowe.
PROGRAM MONTAŻU:
FILTR JODŁOWY DO ADSP-21XX (POJEDYNCZA PRECYZJA)
MODUŁ fir_sub; ( Filtr podprogramu FIR Parametry wywołania podprogramu I0 --> Najstarsze dane w linii opóźnienia I4 --> Początek tabeli współczynników filtra L0 = Długość filtra (N) L4 = Długość filtra (N) M1,M5 = 1 CNTR = Długość filtra - 1 (N-1) Zwracane wartości MR1 = Wynik sumowania (zaokrąglony i ograniczony) I0 --> Najstarsze dane w linii opóźnienia I4 --> Początek tabeli współczynników filtru Rejestry zmian MX0,MY0,MR Czas pracy (N - 1) + 6 cykli = N + 5 cykli Wszystkie współczynniki są w formacie 1.15 ) WEJŚCIE jodła; jodła: MR=0, MX0=DM(I0,M1), MY0=PM(I4,M5) CNTR=N-1; Rób konwolucję DO CE; splot: MR=MR+MX0*MY0(SS), MX0=DM(I0,M1), MY0=PM(I4,M5); MR=MR+MX0*MY0(RND); JEŚLI SN SAT MR; RTS; .ENDMOD; PRZETWARZANIE SYGNAŁU W CZASIE RZECZYWISTYM
Literatura:
Wraz z artykułem „Rodzaje sygnałów” czytają:
Każdy sygnał, czy to analogowy, czy cyfrowy, jest falą elektromagnetyczną, która rozchodzi się z określoną częstotliwością. W zależności od tego, który sygnał jest rozprowadzany, urządzenie odbierające ten sygnał określa, który obraz zostanie odpowiednio wyświetlony na ekranie wraz z dźwiękiem.
Na przykład wieża telewizyjna lub stacja radiowa mogą przesyłać zarówno sygnały analogowe, jak i cyfrowe. Dźwięk przesyłany jest w formie analogowej, a już przez urządzenie odbiorcze zamieniany jest na fale elektromagnetyczne. Jak już wspomniano, oscylacje rozchodzą się z określoną częstotliwością. Im wyższa częstotliwość dźwięku, tym wyższe wibracje, co skutkuje głośniejszym brzmieniem głosu na wyjściu.
Ogólnie rzecz biorąc, sygnał analogowy rozchodzi się w sposób ciągły, podczas gdy sygnał cyfrowy rozchodzi się dyskretnie (nieciągle), tj. amplituda oscylacji przyjmuje określone wartości w jednostce czasu.
Kontynuując przykład analogowego sygnału audio, otrzymamy proces, w którym fale elektromagnetyczne rozchodzą się za pomocą nadajnika (anteny). Dlatego Ponieważ propagacja sygnału analogowego zachodzi w sposób ciągły, oscylacje są sumowane, a częstotliwość nośna pojawia się na wyjściu, które jest główne, tj. odbiornik jest do niego dostrojony.
W samym odbiorniku częstotliwość ta jest odseparowana od innych drgań, które zamieniane są na dźwięk.
Wady przesyłania informacji za pomocą sygnału analogowego są oczywiste:
- Powstaje duża liczba ingerencja;
- Przesyłane jest więcej nadmiarowych informacji;
- Bezpieczeństwo transmisji sygnału
O ile w nadaniu transmisja informacji za pomocą sygnału analogowego jest mniej zauważalna, to w telewizji niezwykle istotna jest kwestia przejścia na transmisję cyfrową.
Główne zalety sygnału cyfrowego nad sygnałem analogowym to:
- Wyższy poziom ochrony. Bezpieczeństwo transmisji sygnału cyfrowego polega na tym, że „cyfra” jest przesyłana w postaci zaszyfrowanej;
- Łatwość odbioru sygnału. Sygnał cyfrowy można odbierać w dowolnej odległości od miejsca zamieszkania;
- Nadawanie cyfrowe jest w stanie zapewnić ogromną liczbę kanałów. To właśnie ta okazja zapewnia fanom telewizji cyfrowej dużą liczbę kanałów telewizyjnych do oglądania filmów i programów;
- Jakość transmisji jest o kilka rzędów wielkości wyższa niż w przypadku transmisji analogowej. Sygnał cyfrowy zapewnia filtrowanie odebranych danych, możliwe jest również odtworzenie oryginalnych informacji.
W związku z tym do konwersji sygnału analogowego na cyfrowy i odwrotnie używane są specjalne urządzenia.
- Urządzenie, które przekształca sygnał analogowy w sygnał cyfrowy, nazywa się konwerterem analogowo-cyfrowym (ADC);
- Urządzenie konwertujące sygnał cyfrowy na analogowy nazywa się przetwornikiem cyfrowo-analogowym (DAC).
W związku z tym przetwornik ADC jest zainstalowany w nadajniku, a przetwornik cyfrowo-analogowy jest zainstalowany w odbiorniku i konwertuje sygnał dyskretny na analogowy odpowiadający głosowi.
Dlaczego sygnał cyfrowy jest bezpieczniejszy?
Transmisja sygnału cyfrowego jest szyfrowana, a urządzenie cyfrowo-analogowe musi posiadać kod deszyfrujący. ADC może również przesyłać cyfrowy adres odbiornika. Nawet jeśli sygnał zostanie przechwycony, nie będzie można go całkowicie odszyfrować z powodu braku części kodu. Ta właściwość transmisji cyfrowej jest szeroko stosowana w komunikacji mobilnej.
Zatem główna różnica między sygnałem analogowym a cyfrowym polega na odmiennej strukturze przesyłanego sygnału. Sygnały analogowe to ciągły strumień oscylacji o zmiennej amplitudzie i częstotliwości.
Sygnał cyfrowy - dyskretne (przerywane) oscylacje, których wartości zależą od medium transmisyjnego.
Czasami konsumenci mają pytanie, w jaki sposób sygnał jest transmitowany w telewizji.
W telewizji przed przesłaniem sygnału w postaci cyfrowej sygnał analogowy musi zostać zdigitalizowany. Następnie należy wybrać medium, w którym będzie odbywać się transmisja: kabel miedziany, powietrze, światłowód.
Na przykład wielu użytkowników jest przekonanych, że telewizja kablowa to tylko cyfrowa transmisja danych. To nie jest prawda. Telewizja kablowa jest zarówno analogowy, jak i widok cyfrowy transmisja sygnału.
Na co dzień ludzie stykają się z urządzeniami elektronicznymi. Bez nich współczesne życie jest niemożliwe. W końcu mówimy o telewizorze, radiu, komputerze, telefonie, multicookerze i nie tylko. Wcześniej, kilka lat temu, nikt nie myślał o tym, jaki sygnał jest używany w każdym sprawnym urządzeniu. Teraz od dawna słychać słowa „analogowy”, „cyfrowy”, „dyskretny”. Niektóre z wymienionych sygnałów są wysokiej jakości i niezawodne.
Transmisja cyfrowa weszła do użytku znacznie później niż analogowa. Wynika to z faktu, że taki sygnał jest znacznie łatwiejszy w utrzymaniu, a technologia w tamtym czasie nie była tak ulepszona.
Każda osoba nieustannie boryka się z pojęciem „dyskretności”. Jeśli przetłumaczysz to słowo z łaciny, będzie to oznaczać „nieciągłość”. Zagłębiając się w naukę, można powiedzieć, że sygnał dyskretny to metoda przekazywania informacji, która implikuje zmianę w czasie nośnika. Ten ostatni przyjmuje dowolną wartość ze wszystkich możliwych. Teraz dyskrecja schodzi na dalszy plan, po podjęciu decyzji o produkcji układów na chipie. Są integralne, a wszystkie komponenty ściśle ze sobą współdziałają. W dyskrecji wszystko jest dokładnie na odwrót - każdy szczegół jest dopracowany i połączony z innymi specjalnymi liniami komunikacyjnymi.
Sygnał
Sygnał to specjalny kod, który jest przesyłany w kosmos przez jeden lub więcej systemów. To sformułowanie jest ogólne.
W dziedzinie informacji i komunikacji sygnał jest specjalnym nośnikiem wszelkich danych, które służą do przesyłania wiadomości. Można go utworzyć, ale nie można go zaakceptować, ostatni warunek jest opcjonalny. Jeśli sygnał jest wiadomością, to „złapanie” jest uważane za konieczne.
Opisany kod jest podany przez funkcję matematyczną. Charakteryzuje wszystkie możliwe zmiany parametrów. W teorii inżynierii radiowej model ten jest uważany za podstawowy. W nim szum został nazwany analogiem sygnału. Jest to funkcja czasu, która swobodnie oddziałuje z przesyłanym kodem i zniekształca go.
W artykule opisano rodzaje sygnałów: dyskretne, analogowe i cyfrowe. Pokrótce podana jest również główna teoria na opisywany temat.
Rodzaje sygnałów
Dostępnych jest kilka sygnałów. Przyjrzyjmy się typom.
- W zależności od nośnika fizycznego nośnika danych dzieli się sygnał elektryczny, optyczny, akustyczny i elektromagnetyczny. Istnieje kilka innych gatunków, ale są one mało znane.
- Zgodnie z metodą ustawiania sygnały dzielą się na regularne i nieregularne. Te pierwsze są deterministycznymi metodami przesyłania danych, które są określone przez funkcję analityczną. Losowe są formułowane na podstawie teorii prawdopodobieństwa, a także przyjmują dowolne wartości w różnych odstępach czasu.
- W zależności od funkcji, które opisują wszystkie parametry sygnału, metody transmisji danych mogą być analogowe, dyskretne, cyfrowe (metoda kwantyzacji poziomu). Służą do zapewnienia działania wielu urządzeń elektrycznych.
Czytelnik jest już zaznajomiony ze wszystkimi rodzajami sygnalizacji. Żadnej osobie nie będzie trudno je zrozumieć, najważniejsze jest trochę pomyśleć i zapamiętać szkolny kurs fizyki.
Dlaczego sygnał jest przetwarzany?
Sygnał jest przetwarzany w celu przesyłania i odbierania zaszyfrowanych w nim informacji. Po wydobyciu można go używać na wiele sposobów. W niektórych sytuacjach jest ponownie sformatowany.
Jest jeszcze jeden powód przetwarzania wszystkich sygnałów. Polega na lekkiej kompresji częstotliwości (aby nie uszkodzić informacji). Następnie jest formatowany i przesyłany z małą prędkością.
Sygnały analogowe i cyfrowe wykorzystują specjalne techniki. W szczególności filtrowanie, splot, korelacja. Są one niezbędne do przywrócenia sygnału, jeśli jest uszkodzony lub ma szum.
Tworzenie i formacja
Często do generowania sygnałów potrzebny jest przetwornik analogowo-cyfrowy (ADC), najczęściej oba są używane tylko w sytuacji z wykorzystaniem technologii DSP. W innych przypadkach odpowiednie jest tylko użycie przetwornika cyfrowo-analogowego.
Tworząc fizyczne kody analogowe z dalszym wykorzystaniem metod cyfrowych, opierają się na otrzymanych informacjach, które są przesyłane ze specjalnych urządzeń.
Zakres dynamiczny
Jest obliczana jako różnica między wyższym i niższym poziomem głośności, które są wyrażone w decybelach. To całkowicie zależy od pracy i cech spektaklu. Mówimy zarówno o utworach muzycznych, jak i zwykłych dialogach między ludźmi. Jeśli weźmiemy na przykład spikera, który czyta wiadomości, to jego dynamika oscyluje w okolicach 25-30 dB. A podczas czytania pracy może wzrosnąć nawet do 50 dB.
sygnał analogowy
Sygnał analogowy to ciągły w czasie sposób przesyłania danych. Jego wadą jest obecność szumu, który czasami prowadzi do całkowitej utraty informacji. Bardzo często zdarzają się takie sytuacje, że nie da się określić, gdzie w kodzie znajdują się ważne dane, a gdzie zwykłe zniekształcenia.
Z tego powodu cyfrowe przetwarzanie sygnału zyskało dużą popularność i stopniowo wypiera analogowe.
sygnał cyfrowy
Sygnał cyfrowy jest szczególny, opisany funkcjami dyskretnymi. Jego amplituda może przyjąć pewną wartość od już podanych. Jeśli sygnał analogowy jest w stanie odbierać duże ilości szumów, to cyfrowy odfiltrowuje większość odbieranych zakłóceń.
Ponadto ten rodzaj przesyłania danych przenosi informacje bez zbędnego obciążenia semantycznego. W jednym kanale fizycznym można przesłać kilka kodów jednocześnie.
Rodzaje sygnału cyfrowego nie istnieją, ponieważ wyróżnia się jako oddzielna i niezależna metoda transmisji danych. Jest to strumień binarny. W dzisiejszych czasach taki sygnał jest uważany za najpopularniejszy. Ma to związek z łatwością użytkowania.
Aplikacja sygnału cyfrowego
Czym różni się cyfrowy sygnał elektryczny od innych? Fakt, że jest w stanie wykonać pełną regenerację w repeaterze. Kiedy sygnał z najmniejszymi zakłóceniami dostanie się do sprzętu komunikacyjnego, natychmiast zmienia swoją formę na cyfrową. Dzięki temu np. wieża telewizyjna może ponownie utworzyć sygnał, ale bez efektu szumu.
W przypadku, gdy kod dotrze już z dużymi zniekształceniami, niestety nie można go przywrócić. Jeśli porównamy komunikację analogową, to w podobnej sytuacji repeater może wydobyć część danych, zużywając dużo energii.
Dyskusja komunikacja komórkowa różne formaty, z silnymi zniekształceniami na linii cyfrowej, rozmowa jest prawie niemożliwa, ponieważ nie słychać słów ani całych fraz. Komunikacja analogowa w tym przypadku jest bardziej skuteczna, ponieważ możesz nadal prowadzić dialog.
To właśnie z powodu takich problemów wzmacniacze często formują sygnał cyfrowy w celu zmniejszenia luki w linii komunikacyjnej.
dyskretny sygnał
Teraz wszyscy używają telefon komórkowy lub jakiś "dialer" na twoim komputerze. Jedno z zadań urządzeń lub oprogramowanie to transmisja sygnału, w tym przypadku strumienia głosu. Aby przenieść ciągłą falę, potrzebny jest kanał, który miałby wydajność Najwyższy poziom. Dlatego podjęto decyzję o wykorzystaniu sygnału dyskretnego. Nie tworzy samej fali, ale jej postać cyfrową. Czemu? Ponieważ transmisja pochodzi z technologii (na przykład telefon lub komputer). Jakie są zalety tego rodzaju przekazu informacji? Z jego pomocą zmniejsza się łączna ilość przesyłanych danych, a wysyłanie wsadowe jest również łatwiejsze do zorganizowania.
Pojęcie „dyskretyzacji” od dawna jest stabilnie stosowane w pracach technologii komputerowej. Dzięki takiemu sygnałowi przesyłana jest nieciągła informacja, która jest całkowicie zaszyfrowana znaki specjalne i litery, ale dane zebrane w specjalnych blokach. Są to oddzielne i kompletne cząstki. Ta metoda kodowania od dawna została zepchnięta na dalszy plan, ale nie zniknęła całkowicie. Dzięki niemu z łatwością przeniesiesz małe fragmenty informacji.
Porównanie sygnałów cyfrowych i analogowych
Kupując sprzęt, mało kto myśli o tym, jakie rodzaje sygnałów są używane w tym czy innym urządzeniu, a tym bardziej o ich otoczeniu i naturze. Ale czasami nadal masz do czynienia z koncepcjami.
Od dawna wiadomo, że technologie analogowe tracą popyt, ponieważ ich stosowanie jest nieracjonalne. Zamiast tego pojawia się komunikacja cyfrowa. Musisz zrozumieć co w pytaniu i czego ludzkość odmawia.
W skrócie sygnał analogowy to sposób przekazywania informacji, który implikuje opis danych za pomocą ciągłych funkcji czasu. W rzeczywistości, mówiąc konkretnie, amplituda oscylacji może być równa dowolnej wartości mieszczącej się w pewnych granicach.
Przetwarzanie sygnału cyfrowego jest opisane dyskretnymi funkcjami czasu. Innymi słowy, amplituda oscylacji tej metody jest równa ściśle określonym wartościom.
Przechodząc od teorii do praktyki trzeba powiedzieć, że sygnał analogowy charakteryzuje się zakłóceniami. Z cyfrą takich problemów nie ma, bo skutecznie je „wygładza”. Dzięki nowym technologiom ta metoda transmisji danych jest w stanie samodzielnie odtworzyć wszystkie oryginalne informacje bez udziału naukowca.
Mówiąc o telewizji, możemy już śmiało powiedzieć: transmisja analogowa już dawno przeżyła swoją przydatność. Większość konsumentów przechodzi na sygnał cyfrowy. Wadą tego ostatniego jest to, że jeśli jakiekolwiek urządzenie może odbierać transmisję analogową, to bardziej nowoczesna metoda jest tylko specjalną techniką. Chociaż popyt na przestarzała metoda już dawno opadły, jednak tego typu sygnały wciąż nie są w stanie całkowicie wycofać się z codzienności.
