Сигналами называют информационные коды, которые применяются людьми для того, чтобы передавать сообщения в информационной системе. Сигнал может подаваться, но его получение не обязательно. Тогда как сообщением можно считать только такой сигнал (или совокупность сигналов), который был принят и декодирован получателем (аналоговый и цифровой сигнал).
Одними из первых методов передачи информации без участия людей или других живых существ были сигнальные костры. При возникновении опасности последовательно разводились костры от одного поста к другому. Далее мы будем рассматривать способ передачи информации при помощи электромагнитных сигналов и подробно остановимся на рассмотрении темы аналоговый и цифровой сигнал .
Любой сигнал может быть представлен в виде функции, которая описывает изменения его характеристик. Такое представление удобно для изучения устройств и систем радиотехники. Помимо сигнала в радиотехнике есть еще шум, который является его альтернативой. Шум не несет полезной информации и искажает сигнал, взаимодействуя с ним.
Само понятие дает возможность отвлечься от конкретных физических величин при рассмотрении явлений, связанных с кодированием и декодированием информации. Математическая модель сигнала в исследованиях позволяет опираться на параметры функции времени.
Типы сигналов
Сигналы по физической среде носителя информации делятся на электрические, оптические, акустические и электромагнитные.
По методу задания сигнал может быть регулярным и нерегулярным. Регулярный сигнал представляется детерминированной функцией времени. Нерегулярный сигнал в радиотехнике представлен хаотической функцией времени и анализируется вероятностным подходом.
Сигналы в зависимости от функции, которая описывает их параметры могут быть аналоговыми и дискретными. Дискретный сигнал, который был подвергнут квантованию называется цифровым сигналом.
Обработка сигнала
Аналоговый и цифровой сигнал обрабатывается и направлен на то, чтобы передать и получить информацию, закодированную в сигнале. После извлечения информации ее можно применять в разных целях. В частных случаях информация подвергается форматированию.
Аналоговые сигналы подвергаются усилению, фильтрации, модуляции и демодуляции. Цифровые же помимо этого еще могут подвергаться сжатию, обнаружению и др.
Аналоговый сигнал
Наши органы чувств воспринимают всю поступающую в них информацию в аналоговом виде. К примеру, если мы видим проезжающий мимо автомобиль, мы видим его движение непрерывно. Если бы наш мозг мог получать информацию о его положении раз в 10 секунд, люди бы постоянно попадали под колеса. Но мы можем оценивать расстояние куда быстрее и это расстояние в каждый момент времени четко определено.
Абсолютно то же самое происходит и с другой информацией, мы можем оценивать громкость в любой момент, чувствовать какое давление наши пальцы оказывают на предметы и т.п. Иными словами, практически вся информация, которая может возникать в природе имеет аналоговый вид. Передавать подобную информацию проще всего аналоговыми сигналами, которые являются непрерывными и определены в любой момент времени.
Чтобы понять, как выглядит аналоговый электрический сигнал, можно представить себе график, на котором будет отображена амплитуда по вертикальной оси и время по горизонтальной оси. Если мы, к примеру, замеряем изменение температуры, то на графике появится непрерывная линия, отображающая ее значение в каждый момент времени. Чтобы передать такой сигнал с помощью электрического тока, нам надо сопоставить значение температуры со значением напряжения. Так, например, 35.342 градуса по Цельсию могут быть закодированы как напряжение 3.5342 В.
Аналоговые сигналы раньше использовались во всех видах связи. Чтобы избежать помех такой сигнал нужно усиливать. Чем выше уровень шума, то есть помех, тем сильнее надо усиливать сигнал, чтобы его можно было принять без искажения. Такой метод обработки сигнала затрачивает много энергии на выделение тепла. При этом усиленный сигнал может сам стать причиной помех для других каналов связи.
Сейчас аналоговые сигналы еще применяются в телевидении и радио, для преобразования входного сигнала в микрофонах. Но, в целом, этот тип сигнала повсеместно вытеснен или вытесняется цифровыми сигналами.
Цифровой сигнал
Цифровой сигнал представлен последовательностью цифровых значений. Чаще всего сейчас применяются двоичные цифровые сигналы, так как они используются в двоичной электронике и легче кодируются.
В отличие от предыдущего типа сигнала цифровой сигнал имеет два значения «1» и «0». Если мы вспомним наш пример с измерением температуры, то тут сигнал будет сформирован иначе. Если напряжение, которое подается аналоговым сигналом соответствует значению измеряемой температуры, то в цифровом сигнале для каждого значения температуры будет подаваться определенное количество импульсов напряжения. Сам импульс напряжения тут будет равен «1», а отсутствие напряжения – «0». Приемная аппаратура будет декодировать импульсы и восстановит исходные данные.
Представив, как будет выглядеть цифровой сигнал на графике, мы увидим, что переход от нулевого значения к максимальному производится резко. Именно эта особенность позволяет принимающей аппаратуре более четко «видеть» сигнал. Если возникают какие-либо помехи, приемнику проще декодировать сигнал, нежели чем при аналоговой передаче.
Однако цифровой сигнал с очень большим уровнем шума восстановить невозможно, тогда как из аналогового типа при большом искажении еще есть возможность «выудить» информацию. Это связано с эффектом обрыва. Суть эффекта в том, что цифровые сигналы могут передаваться на определенные расстояния, а затем просто обрываются. Этот эффект возникает повсеместно и решается простой регенерацией сигнала. Там, где сигнал обрывается, нужно вставить повторитель или уменьшить длину линии связи. Повторитель не усиливает сигнал, а распознает его изначальный вид и выдает его точную копию и может использоваться сколь угодно в цепи. Такие способы повторения сигнала активно применяются в сетевых технологиях.
Помимо всего прочего аналоговый и цифровой сигнал различается и возможность кодирования и шифрования информации. Это является одной из причин перехода мобильной связи на «цифру».
Аналоговый и цифровой сигнал и цифро-аналоговое преобразования
Следует еще немного рассказать о том, как аналоговая информация передается по цифровым каналам связи. Вновь прибегнем к примерам. Как уже говорилось звук – это аналоговый сигнал.
Что происходит в мобильных телефонах, которые передают информацию по цифровым каналам
Звук, попадая в микрофон подвергается аналого-цифровому преобразованию (АЦП). Этот процесс состоит из 3 ступеней. Берутся отдельные значения сигнала через одинаковые отрезки времени, этот процесс называется дискретизация. По теореме Котельникова о пропускной способности каналов, частота взятия этих значений должна быть вдвое выше, чем самая высокая частота сигнала. То есть, если в нашем канале стоит ограничение на частоту в 4 кГц, то частота дискретизации будет составлять 8 кГц.
Далее все выбранные значения сигнала округляются или, иначе говоря, квантуются. Чем больше уровней при этом будет создано, тем выше будет точность восстановленного сигнала на приемнике. Затем все значения преобразуются в двоичный код, который передается на базовую станцию и затем доходит до другого абонента, являющегося приемником. В телефоне приемника происходит процедура цифро-аналогового преобразования (ЦАП). Это обратная процедура, цель которой на выходе получить сигнал как можно более идентичный исходному. Далее уже аналоговый сигнал выходит в виде звука из динамика телефона.
Аналоговая величина – величина, значения которой в заданном интервале изменяются непрерывно. Её конкретное значение зависит только от точности прибора, производящего измерения. Это, например, температура.
Дискретная величина – величина, значения которой изменяются скачкообразно. Например, число студентов в аудитории. Измерительный сигнал – сигнал, содержащий количественную информацию об измеряемой физической величине. Например, напряжение на выходе термоэлектрического преобразователя, измеряющего температуру.
Сигнал данных – форма представления сообщения данных с помощью физической величины, изменения одного или нескольких параметров которой, отображает его изменение.
В микропроцессорной технике сигналами являются электрические величины (ток, напряжение). Представляющий параметр сигнала данных – параметр сигнала данных, изменение которого отображает изменение сообщения данных (амплитуда, частота, фаза, длительность импульса, длительность паузы).
– сигнал данных, у которого каждый из представляющих параметров описывается функцией времени и непрерывным множеством возможных значений, т.е. аналоговые сигналы описываются непрерывной (или кусочно-непрерывной) функцией x a (t), причём сама функция и аргумент t могут принимать любые значения на некоторых интервалах
Аналоговый сигнал f (t) называется периодическим, если существует действительное число T, такое, что f (t + T) = f (t) для любых t, при этом T называется периодом сигнала.
Дискретный сигнал данных – отличается от аналоговых тем, что его значения известны лишь в дискретные моменты времени. Дискретные сигналы описываются решётчатыми функциями – последовательностями – x д (nT), где T = const – интервал (период) дискретизации, n = 0, 1, 2, … .
Сама функция x д (nT) может в дискретные моменты принимать произвольные значения на некотором интервале. Эти значения функции называются выборками или отсчётами функции. Другим обозначением решётчатой функции x(nT) является x(n) или xn. Последовательность x(n) может быть конечной или бесконечной, в зависимости от интервала определения функции.
Квантованный сигнал данных – отличается от аналоговых или дискретных разбиением диапазона значений непрерывной или дискретной величины на конечное число интервалов. Простейшим видом квантования является деление целочисленного значения на натуральное число, называемое коэффициентом квантования.
Цифровой сигнал данных – сигнал, у которого каждый из представляющих параметров описывается функцией дискретного времени и конечным множеством возможных значений. Цифровые сигналы описываются квантованными решётчатыми функциями x ц (nT). При получении цифрового сигнала из аналогового происходят дискретизация и квантование.
Двоичный цифровой сигнал – сигнал данных, в котором используется способ представления информации о величине параметра в виде многоразрядной комбинации двух величин – нуля и единицы – и называемый обычно двоичным кодом.
Модуляция – процесс изменения одного или нескольких параметров высокочастотного несущего колебания по закону низкочастотного информационного сигнала (сообщения).
В наше время двоичные цифровые сигналы в связи с простотой кодирования и обработки используются в цифровых электронных устройствах. Для передачи цифрового сигнала по каналам связи (например, электрическим или радиоканалам) используются различные виды модуляции.
Рассмотрим примеры представляющих параметров сигналов данных на примере различных видов модуляции (см. рис. 1). Кроме рассмотренных видов модуляции, также существуют фазовая (ФМ), время-импульсная (ВИМ), и другие модуляции.
Рис. 1. Различные виды модуляции сигналов – различные представляющие параметры сигналов данных
Для понимания сущности цифрового сигнала рассмотрим следующую классификацию. В цифровой технике выделяют сигналы (рис. 2):
произвольные по величине и непрерывные во времени (аналоговые);
произвольные по величине и дискретные по времени (дискретные);
квантованные по величине и непрерывные по времени (квантованные);
квантованные по величине и дискретные по времени (цифровые).
Рис. 2. Аналоговый, дискретный, квантованный и цифровой сигналы
Аналоговые сигналы часто используют для представления непрерывно изменяющихся физических величин. Например, аналоговый электрический сигнал, снимаемый , несёт информацию об изменении температуры, сигнал с микрофона – о быстрых изменениях давления в звуковой волне и т.п.
В области цифровой и импульсной техники терминология не является установившейся. Так, дискретный сигнал – это сигнал, значения представляющего параметра которого известны только в определённые моменты времени, а также это сигнал, в отличие от аналогового, представляющий параметр которого может принимать только фиксированные значения (обычно два: логический «ноль» или логическую «единицу»).
Во втором случае было бы правильно называть сигнал квантованным, но промышленные модули называются «модулями ввода дискретных сигналов». Кроме использования для передачи информации различных физических величин, сигналы различаются также представляющими параметрами.
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.
В сфере информации и связи сигналом назван специальный носитель каких-либо данных, который используется для передачи сообщений. Он может быть создан, но не принят, последнее условие не обязательно. Если же сигнал является сообщением, то его «ловля» считается необходимой.
Описываемый код 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 имеющихся сигналов. Рассмотрим, какие бывают виды.
- По физической среде носителя данных разделяют электрический сигнал, оптический, акустический и электромагнитный. Имеется еще несколько видов, однако они малоизвестны.
- 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.
- 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 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
Вычисляется разностью большего и меньшего уровня громкости, которые выражены в децибелах. Он полностью зависит от произведения и особенностей исполнения. Речь идет как о музыкальных треках, так и об обычных диалогах между людьми. Если брать, например, диктора, который читает новости, то его динамический диапазон колеблется в районе 25-30 дБ. А во время чтения какого-либо произведения он может вырастать до 50 дБ.
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 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.
Практически с самого момента зарождения человеческие племена столкнулось с необходимостью не только накапливать информацию, но и обмениваться ею друг с другом. Однако если с ближними сделать это было не так уже и сложно (язык и письменность), то с теми, кто находился на дальних расстояниях, данный процесс вызывал некоторые проблемы.
Со временем они были решены с помощью изобретения сигнала. поначалу были довольно примитивными (дымовые, звуковые и т. п.), но постепенно человечество открывало новые законы природы, что способствовало изобретению новых способов для передачи информации. Давайте узнаем, какие виды сигналов бывают, а также рассмотрим, какими из них чаще всего пользуются в современном обществе.
Что называется сигналом
Под этим словом подразумевается закодированная одной системой информация, которая передается по специальному каналу и может быть декодирована другой системой.
Многие ученые полагают, что способность биологических организмов или даже отдельных клеток взаимодействовать между собою (сигнализируя о наличии питательных веществ или опасности) стала основной движущей силой эволюции.
В качестве сигнала может выступать каждый физический процесс, параметры которого адаптируются под тип передаваемых данных. К примеру, в системе телефонной связи передатчик преобразует слова говорящего абонента в электрический сигнал напряжения, который по проводам передается к принимающему аппарату, возле коего находится слушающий человек.
Сигнал и сообщение
Эти два понятия весьма близки по значению - они содержат в себе определенные данные, передающиеся от отправителя к получателю. Однако между ними есть ощутимое отличие.
Для реализации поставленной цели сообщение обязательно должно быть принято адресатом. То есть его жизненный цикл состоит из трех этапов: кодирование информации - передача - декодирование сообщения.
В случае с сигналом его принятие не является обязательным условием его существования. То есть зашифрованную в нем информацию возможно декодировать, но будет ли это сделано кем-то - неизвестно.
Классификация по разным критериям сигналов: основные виды
В природе существует немало разновидностей сигналов, обладающих разными особенностями. В связи с этим для их классификации используют различные критерии этих явлений. Таким образом, выделяют три категории:
- По способу подачи (регулярный/нерегулярный).
- По типу физической природы.
- По типу функции, описывающей параметры.
Сигналы по типу физической природы
В зависимости от способа образования, виды сигналов бывают следующими.
- Электрические (носитель информации - изменяющиеся во времени ток или напряжение в электрической цепи).
- Магнитные.
- Электромагнитные.
- Тепловые.
- Сигналы ионизирующих излучений.
- Оптические/световые.
- Акустические (звуковые).
Виды сигналов последние два также являются простейшими примерами коммуникационных технических операций, цель которых - оповещение об особенностях сложившейся ситуации.
Чаще всего их используют для предупреждения об опасности или неисправностях системы.
Нередко звуковые и оптические разновидности используются в качестве координирующих для налаженной работы автоматизированного оборудования. Так некоторые виды сигналов управления (команды) являются стимулирующими для системы, чтобы начать действовать.
К примеру, в противопожарных сигнализациях при обнаружении следов дыма датчиками они издают пронзительный звук. Тот, в свою очередь, воспринимается системой как управляющий сигнал для тушения очага возгорания.
Еще одним примером того, как сигнал (виды сигналов по типу физической природы перечислены выше) активизирует работу системы в случае опасности, является терморегуляция человеческого организма. Так, если вследствие различных факторов температура тела повышается, клетки «информируют» мозг об этом, и он включает «систему охлаждения организма», более известную всем как потоотделение.
По типу функции
По данному параметру выделяется разные категории.
- Аналоговые (непрерывные).
- Квантовые.
- Дискретные (импульсные).
- Цифровой сигнал.
Все эти виды сигналов - электрические. Обусловлено это тем, что их не только легче обрабатывать, но и они без труда передаются на длинные дистанции.
Что такое аналоговый сигнал и его виды
Такое название носят сигналы естественного происхождения, изменяющиеся непрерывно во времени (континуальные) и способные принимать разные значения на некотором интервале.
Благодаря своим свойствам, они прекрасно подходят для передачи данных в телефонной связи, радиовещании, а также телевидении.
Фактически, все остальные виды сигналов (цифровые, квантовые и дискретные) по своей природе - это преобразованные аналоговые.
В зависимости от непрерывных пространств и соответствующих физических величин, выделяются разные виды аналоговых сигналов.
- Прямая.
- Отрезок.
- Окружность.
- Пространства, характеризующиеся многомерностью.
Квантованный сигнал
Как уже было сказано в прошлом пункте, это все тот же аналоговый вид, однако его отличие состоит в том, что он подвергся квантованию. При этом вся область значений его поддалась разбивке на уровни. Их количество представляется в числах заданной разрядности.
Обычно данный процесс на практике используется при сжатии звуковых или оптических сигналов. Чем больше уровней квантования, тем более точной становится трансформация аналогового вида в квантовый.
Рассматриваемая разновидность также относится к тем, которые возникли искусственным путем.
Во многих классификациях видов сигналов сигнал этот не выделяется. Однако он существует.
Дискретный вид
Этот сигнал также относится к искусственным и имеет конечное число уровней (значений). Как правило, их два или три.
На практике различие дискретного и аналогового способов передачи сигналов можно проиллюстрировать, сравнив запись звука на виниловой пластинке и компакт-диске. На первой информация подана в виде непрерывной звуковой дорожки. А вот на втором - в виде выжженных лазером точек с разной отражающей способностью.
Этот вид передачи данных возникает путем преобразования непрерывного аналогового сигнала в набор дискретных значений в форме двоичных кодов.
Упомянутый процесс именуется дискретизацией. В зависимости от количества символов в кодовых комбинациях (равномерное/неравномерное) его делят на два вида.
Цифровые сигналы
Сегодня этот способ передачи информации настойчиво вытесняет аналоговый. Как и два предыдущих, он также является искусственным. На практике он представлен в виде последовательности цифровых значений.
В отличие от аналогового, рассматриваемый намного быстрее и качественнее передает данные, параллельно очищая их от шумовых помех. Одновременно в этом заключается и слабость цифрового сигнала (виды сигналов остальные - в предыдущих трех пунктах). Дело в том, что фильтрованная таким способом информация теряет «зашумленные» частицы с данными.
На практике это означает, что из передаваемого изображения исчезают целые куски. А если речь идет о звуке - слова или даже целые предложения.
Фактически, любой аналоговый сигнал может быть модулирован в цифровой. Для этого он подвергается одновременно двум процессам: дискретизации и квантованию. Являясь отдельным способом передачи информации, цифровой сигнал не делится на виды.
Его популярность способствует тому, что в последние годы телевизоры нового поколения создаются специально для цифрового, а не аналогового способа передачи изображения и звука. Однако их можно подключать к обычным телевизионным кабелям с помощью адаптеров.
Модуляция сигналов
Все вышеперечисленные способы передачи данных связаны с таким явлением, как модуляция (для цифровых сигналов - манипуляция). Зачем она нужна?
Как известно, электромагнитные волны (с помощью которых переносятся разные виды сигналов) склонны к затуханию, а это существенно уменьшает дальность их передачи. Чтобы этого не произошло, низкочастотные колебания переносятся в область длинных высокочастотных волн. Это явление и называется модуляцией (манипуляцией).
Помимо увеличения расстояния передачи данных, благодаря ей повышается помехоустойчивость сигналов. А также появляется возможность одновременно организовывать сразу несколько независимых каналов передачи информации.
Сам процесс выглядит следующим образом. В прибор, именуемый модулятором, поступают одновременно два сигнала: низкочастотный (несет определенную информацию) и высокочастотный (безинформационный, зато способен передаваться на длинные дистанции). В этом устройстве они преобразуются в один, который одновременно совмещает в себе достоинства их обоих.
Виды выходных сигналов зависят от измененного параметра входного несущего высокочастотного колебания.
Если оно гармоническое - такой процесс модуляции именуется аналоговым.
Если периодическое - импульсным.
Если несущим сигналом является просто постоянный ток - такая разновидность называется шумоподобной.
Первых два вида модуляции сигналов, в свою очередь, делятся на подвиды.
Аналоговая модуляция бывает такой.
- Амплитудная (АМ) - изменение амплитуды несущего сигнала.
- Фазовая (ФМ) - меняется фаза.
- Частотная - влиянию подвергается только частота.
Виды модуляции сигналов импульсных (дискретных).
- Амплитудно-импульсная (АИМ).
- Частотно-импульсная (ЧИМ).
- Широтно-испульсная (ШИМ).
- Фазо-импульсная (ФИМ).
Рассмотрев, какие существуют способы передачи данных, можно сделать вывод, что, независимо от их вида, все они играют важную роль в жизни человека, помогая ему всесторонне развиваться и защищая от возможных опасностей.
Что касается аналогового и цифрового сигналов (с помощью которых передается информация в современном мире) то, вероятнее всего, в ближайшие двадцать лет в развитых странах первый будет практически полностью вытеснен вторым.
Проведем классификацию сигналов. Сигналы подразделяют на:
детерминированные;
случайные.
Детерминированными называют сигналы, которые точно определены в любые моменты времени. В отличие от них некоторые параметры случайных сигналов заранее предсказать невозможно.
Строго говоря, так как выдача источником сообщений (например, датчиком) того или иного конкретного сообщения случайна, то предсказать точно изменение значений параметров сигнала невозможно. Следовательно, сигнал принципиально имеет случайный характер. Детерминированные сигналы имеют весьма ограниченное самостоятельное значение только для целей наладки и регулировки информационной и вычислительной техники, играя роль эталонов.
В зависимости от структуры параметров сигналы подразделяются на:
дискретные;
непрерывные;
дискретно-непрерывные.
Сигнал считают дискретным по данному параметру, если число значений, которое может принимать этот параметр, конечно (счетно). В противном случае сигнал считают непрерывным по данному параметру. Сигнал, дискретный по одному параметру и непрерывный по другому, называют дискретно-непрерывным.
В соответствии с этим выделяют следующие виды сигналов (рис. 1.4.):
а) Непрерывные по уровню и времени (аналоговые) – это сигналы на выходе микрофонов, датчиков температуры, давления и т.д.
б) Непрерывные по уровню, но дискретные по времени. Такие сигналы получают в результате дискретизации по времени аналоговых сигналов.
Рис. 1.4. Разновидности сигналов.
Под дискретизацией подразумевают преобразование функции непрерывного времени (в частности непрерывного сигнала) в функцию дискретного времени, представляющую последовательность величин, называемых координатами, выборками или отсчетами (sample value).
Наибольшее распространение получил метод дискретизации, при котором роль координат выполняют мгновенные значения непрерывной функции (сигнала), взятые в определенные моменты времени S(t i), где i=1,…,n. Временные интервалы между этими моментами называют интервалами выборки (sample interval). Такой вид дискретизации часто называют амплитудно-импульсной модуляцией (АИМ).
в) Дискретные по уровню, непрерывные по времени. Такие сигналы получают из непрерывных в результате квантования по уровню.
Под квантованием по уровню (или просто квантованием) подразумевают преобразование некоторой величины с непрерывной шкалой значений (например, амплитуда сигнала) в величину, имеющую дискретную шкалу значений.
Эту непрерывную шкалу значений разбивают на 2m+1 интервалов, называемых шагами квантования. Из множества мгновенных значений, принадлежащих j-тому шагу квантования, только одно значение S j является разрешенным, оно называется j-тым уровнями квантования. Квантование сводится к замене любого мгновенного значения непрерывного сигнала одним из конечного множества уровней квантования (обычно ближайшим):
S j , где j=-m,-m+1,…,-1,0,1,…,m.
Совокупность значений S j образует дискретную шкалу уровней квантования. Если эта шкала равномерна, т.е. разность ΔS j = S j - S j-1 постоянна, квантование называется равномерным. В противном случае – неравномерным. Благодаря простоте технической реализации равномерное квантование получило наиболее широкое распространение.
г) Дискретные по уровню и времени. Такие сигналы получают, осуществляя дискретизацию и квантование одновременно. Данные сигналы легко представить в цифровой форме (digital sample), т.е. в виде чисел с конечным числом разрядов, заменив каждый импульс числом, обозначающий номер уровня квантования, которого достиг импульс в конкретный момент времени. По этой причине данные сигналы часто называют цифровыми.
Толчком к представлению непрерывных сигналов в дискретной (цифровой) форме послужила необходимость засекречивания речевых сигналов во время 2-ой мировой войны. Еще большим стимулом к цифровому преобразованию непрерывных сигналов явилось создание ЭВМ, которые используются в качестве источника или приемника сигналов во многих системах передачи информации.
Приведем примеры цифрового преобразования непрерывных сигналов. Например, в цифровых телефонных системах (стандарт G.711) замена аналогового сигнала последовательностью отсчетов происходит с частотой 2F=8000 Гц, Т д = 125 мкс.(Так как диапазон частот телефонного сигнала составляет 300-3400 Гц, а частота выборки по теореме Найквиста-Котельникова должна быть как минимум в два раза больше максимальной частоты преобразовываемого сигнала F). Далее каждый импульс заменяется в 8-ми разрядном аналого-цифровом преобразователе (АЦП – ADC-Analog-to-Digital Converter) двоичным кодом, учитывающим знак и амплитуду отсчета (256 уровней квантования). Такой процесс квантования носит название импульсно-кодовой модуляции (ИКМ или PCM – Pulse Code Modulation). При этом используется нелинейный закон квантования, названный "A=87,6", который лучше учитывает природу восприятия человеком речевых сигналов. Скорость передачи одного телефонного сообщения оказывается 8×8000=64 Кбит/с. 30-канальная система передачи телефонных сообщений (система первого уровня иерархии стандарта МККТТ – PDH-E1) с временным разделением каналов работает уже со скоростью 2048 Кбит/с.
При цифровой записи музыки на CD (Compact Disk - компакт-диск), вмещающим максимум 74 минуты стереозвучания, используют частоту дискретизации 2F≈44,1 КГц (так как предел слышимости человеческого уха 20 кГц плюс 10%-ный запас) и 16-ти разрядное линейное квантование каждой выборки (65536 уровней звукового сигнала, для речи достаточно 7-8 разрядов).
Использование дискретных (цифровых) сигналов резко снижает вероятность получения искаженной информации, потому что:
в этом случае применимы эффективные методы кодирования, которые обеспечивают обнаружение и исправление ошибок (см. тему 6);
можно избежать свойственного непрерывному сигналу эффекта накопления искажений в процессе их передачи и обработке, поскольку квантованный сигнал легко восстановить до первоначального уровня всякий раз, когда величина накопленных искажений приблизиться к половине шага квантования.
Кроме того, в этом случае обработку и хранение информации можно осуществлять средствами вычислительной техники.
