Аналоговые данные

Разбираемся с АЦП и ЦАП, какие задачи они решают, в чем их достоинства и недостатки.

Сигнал — это любая переменная содержащая какой-либо вид информации. Причем эту информацию можно передавать на расстояние, переносить на устройства хранения, выводить на экран и через динамики или совершать с ней подобные действия. Существующие аналоговый и цифровой кардинально отличаются природой происхождения, способом передачи и хранения.

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.

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.

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.

Анализ этого случая начнем с того, где
может возникнуть потребность в такого
вида передачах. Аналоговая модуляция
цифровых данных возникает там, где нет
цифровых каналов. Цифровое кодирование
аналоговых данных возникает тогда,
когда весть цифровые каналы. Где возникает
потребность передавать аналоговые
данные с помощью аналоговых сигналов?

Прежде всего, такая потребность возникает
при использовании радио каналов. Если
передавать аудио информацию в голосовом
диапазоне (300 – 3000 Гц), то потребуется
антенна диаметром в несколько километров.
Модуляция, т.е. объединение исходного
сигнала m(t)
и несущей частоты fc
, позволяет нужным образом изменять
параметры исходного сигнала и, тем
самым, упростить решение ряда технических
проблем. Кроме этого, модуляция позволяет
использовать методы мультиплексирования.
(О мультиплексировании мы поговорим в
разделе 2.4., а в разделе 2.3. и 2.5. мы
рассмотрим подробнее использование
электромагнитных волн для передачи).

Три способа модуляции показаны на рис.
2-13. Это амплитудная модуляция, частотная
и фазовая.

При амплитудной модуляции форма
результирующего сигнала определяется
формулой:

где fc
– частота несущей,

na
– индекс модуляции, который определяют
как отношение амплитуды исходного
сигнала к амплитуде несущего сигнала.

В наших обозначениях

Форма результирующего сигнала при
частотной модуляции определяется
следующим выражением:

где nf
– индекс частотной модуляции.

Сигнал, получаемый фазовой модуляцией,
определяет соотношение:

где np
– индекс частотной модуляции.

Хотя все эти три вида модуляции порождают
сигнал S(t),
спектр которого симметричен относительно
fc
, но в случае амплитудной модуляции он
проще по составу. В случае частотной и
фазовой модуляций требуется, в общем
случае, более широкая полоса пропускания.

Широко распространенным случаем
аналоговой модуляции является метод
квадратичной амплитудной модуляции
QAM (Quadrature
Amplitude Modulation).
Именно этот метод используется в
асимметричных цифровых линиях – ADSL
(подробнее об этом в разделе 2.5.4). Метод
QAM – это комбинация
амплитудной и фазовой модуляций. Идея
этого метода состоит в том, что можно
по одной и той же линии послать одновременно
два разных сигнала с одинаковой несущей
частотой, но сдвинутых по фазе друг
относительно друга на 90º. Каждый сигнал
генерируется методом амплитудной
модуляции.

Итак, как аналоговые, так и цифровые
данные могут кодироваться как аналоговым,
так и цифровым сигналом. Конкретный
выбор зависит от специфики конкретного
приложения и имеющихся средств.

Передача
цифровых данных с помощью цифровых
сигналов в простейшем случае осуществляется
за счет сопоставления двоичной 1
определенного уровня потенциала, а
двоичному 0 – другого уровня. Более
изощренные способы кодировки позволяют
повысить эффективность передачи, за
счет изменения спектра сигнала и
самосинхронизации приемника и передатчика.

Передача цифровых данных с помощью
аналоговых сигналов используется при
наличии аналоговых каналов для передачи
данных. Основными методами являются
амплитудная модуляция, частотная и
фазовая. С целью увеличения битовой
скорости применяют комбинации этих
методов.

Аналоговые данные, также как аудио или
видео, кодируются цифровым сигналом
для передачи по цифровым каналам,
поскольку эти каналы обладают рядом
преимуществ, по сравнению с аналоговыми.
Наиболее распространенными методами
являются методы импульсно кодовой
модуляции и Дельта модуляции.

Аналоговые данные передают с помощью
аналоговых сигналов, изменяя полосу
частот так, чтобы можно было бы
воспользоваться имеющейся средой
передачи данных. Основными методами
здесь являются методы частотной,
амплитудной и фазовой модуляции, а также
их комбинации, например, квадратичная
амплитудная модуляция.

Информация
передаётся по сети в виде электромагнитных
сигналов. Сигналы могут быть двух видов:
аналоговые и цифровые.

Аналоговый
сигнал,
например, передаёт голос по телефонным
линиям связи, когда звуковой сигнал
преобразуется в мембране микрофона в
электрический. Таким образом, аналоговый
сигнал – это непрерывный волновой
сигнал.

Цифровой
сигнал
– в отличие от аналогового – дискретный,
прерывистый, ре передаёт либо 1, либо 0:
есть импульс – 1, нет импульса – 0. Такие
сигналы – основа коммуникации практически
во всех современных компьютерах.

Но
если аналоговый сигнал может передаваться
на большое расстояние, для чего специально
готовится – усиливается, преобразовывается
– цифровой сигнал этими свойствами не
обладает. Для передачи по каналам связи
его необходимо преобразовать в аналоговый
сигнал. Такое преобразование осуществляет
модем
(модулятор/демодулятор). После
преобразования ц

ифровой
сигнал может быть передан по обычному
аналоговому каналу связи на другой
компьютер.

Канал
связи соединяет отправителя и получателя
информации. Чаще всего в роли обоих
выступают компьютеры. Каналом связи
для передачи данных могут использовать
различные элементы: витую пару,
коаксиальный кабель, оптоволокно,
беспроводную связь, ретрансляторы,
спутники и т.д.

Витая
пара
– провода телефонной связи, но скрученные
– для исключения резонансных эффектов.
Могут быть использованы для медленной
передачи данных. Чудеса современных
техников и программистов могут увеличить
скорость передачи данных по витой паре
до 10 мегабит в секунду максимум, реально
– гораздо меньше. Плохо защищена от
внешних воздействий. Относительно
дешёвая.

Коаксиальный
кабель
– телевизионный кабель в жёсткой
оболочке. Более защищён от внешних
воздействий и обеспечивает более высокую
скорость передачи – до 200 мегабит в
секунду.

Кабели
из оптического
волокна
(оптоволокно)
– состоит из тысяч сплетённых нитей
стеклянных или полимерных световодов
– каждый тоньше человеческого волоса.
Данные передаются с помощью световых
импульсов, посылаемых лазером со
скоростью от 500 килобит до нескольких
миллиардов бит в секунду. Необходим для
передачи больших объёмов данных. Обычно
используется для устройства бэкбона
сети (backbone)
или стержня, магистрали сети, но не
отдельных устройств компании.

Как
правило, оптоволокно используется для
устройства корпоративного ввода/вывода
(trunk
line
– транк), тогда как витая пара и коаксиал
– для разводки сети внутри зданий
компании.

Беспроводная
связь существует в спектре частот
электромагнитных сигналов.

Микроволновые
системы
– передают высокочастотные радиосигналы
через атмосферу и широко распространены
для передачи больших объёмов данных на
дальние расстояния. Поскольку этот тип
сигналов передаётся по прямой и не может
огибать Землю по её контуру, для дальней
передачи применяются наземные
ретрансляторы, расположенные через 50
км. Другой способ ретрансляции –
спутники. Спутниковые системы связи
становятся особенно эффективными при
передаче гигантских объёмов данных на
географически значимые расстояния
одновременно многим пространственно
распределённым пользователям. В этом
случае ни кабельная, ни микроволновая
с ретрансляторами система не выдерживают
конкуренцию по стоимости.

Наиболее
распространённые виды беспроводной
связи: сотовый телефон, пейджер, радар.

Названия
«цифроаналоговый» и «аналого-цифровой»
не очень удачны: на самом деле в
преобразователях используется не
«цифра», а код. И «аналоги» в ЦАП и АЦП
разные: в ЦАП это квантованная величина,
а в АЦП – непрерывная. Непрерывная
величина может принимать бесчисленное
множество значений в пределах определённого
диапазона, а квантованная – конечное
множество.

Между тем, термины
ЦАП и АЦП прочно вошли в научно-технический
обиход, и мы их не будем трогать, но будем
знать отмеченную условность.

На входе ЦАП и на
выходе АЦП имеет место двоичный код
числа. Значения напряжения на выходе
ЦАП и на входе АЦП обычно изменяются в
пределах нескольких вольт, а ток на
выходе ЦАП – в пределах нескольких
миллиампер.

Введенные
понятия АЦ- и ЦА-преобразований опираются
на фундаментальные положения о различных
формах представления информации.

Различают
аналоговую и кодовую (цифровую) формы
представления информации. Согласно
одному из определений, информация
есть отраженное разнообразие. Из
этого следует, что форма представления
информации есть не что иное, как способ
отображения исходного разнообразия.
При
аналоговом представлении результат
отображения похож на отображаемое,
аналогичен ему; при кодовом представлении
отображение условно, и описывающая его
функция более или менее произвольна.

Кодовое
представление называют цифровым, когда
кодовые символы трактуются как цифры.
Пример нецифрового кодового представления
информации – система морских сигнальных
флажков; легко найти и другие примеры.

Не
следует смешивать пару понятий
«аналог–код» с парой понятий
«непрерывное–дискретное (прерывистое)».
Справедливо, что кодовые символы всегда
дискретны
по смыслу; но
это не препятствует их передаче плавно
меняющимися сигналами. Так, фонемы в
«членораздельной» речи мы воспринимаем
как отдельные дискретные единицы, в то
время как речевой сигнал на осциллограмме
выглядит как непрерывная функция
времени. Обратно, аналоговое представление
информации может быть прерывистым во
времени или в пространстве
(дискретизированным), а также и по размеру
(квантованным), например, выходной сигнал
ЦАП, заведомо аналоговый, квантован по
размеру. Отметим, что существуют
«дискретно-аналоговые» измерительные
приборы: в них перемещение указателя
имитируется переключением светодиодов
в линейке, в которой светится всегда
один светодиод из многих, расположенных
вплотную друг к другу.

Достоинства
аналогового представления – наглядность,
простота обнаружения тенденций изменения,
богатство деталей; недостатки – сложность
обработки (обычно для каждой операции
требуется самостоятельный функциональный
блок) и подверженность искажениям
(например, на электрический аналоговый
сигнал влияет сопротивление линии). При
цифровом представлении обработка, как
математическая, так и логическая, может
выполняться унифицированными средствами.
Что же касается искажений, то, благодаря
смысловой дискретности кодовых символов,
не слишком большие искажения не меняют
их смысла. Поэтому, в частности,
теоретически возможна сколь угодно
высокая точность цифрового представления
измерительной
информации, зависящая только от
разрядности кода (реально точность
определяется погрешностью получения
информации,
но и в этом отношении цифровые средства
по ряду причин оказываются лучше).

Поскольку
достоинства аналогового и кодового
представлений дополняют друг друга, во
многих случаях целесообразно применять
эти формы представления совместно.

Важно,
что аналоговая и кодовая формы
представления информации не разделены
непроницаемой перегородкой; в дальнейшем
будут отмечены для некоторых конкретных
кодов «аналоговые свойства», которые
зачастую оказываются полезными для
реализации АЦ-преобразования.

Прежде
чем приступать к анализу процедур
аналого-цифрового и цифро-аналогового
преобразования, следует ознакомиться
с основ­ными видами электрических
сигналов, которые в дальнейшем будут
служить объектами упомянутых
преобразований. В самом общем случае
такие сигналы можно разделить на четыре
класса:

• произвольные
  по величине и непрерывные по времени
  (рис. 1.5 а,
  б);
• произвольные
  по величине и дискретные по времени
  (рис. 1.5 в);
• квантованные
  по величине и непрерывные по времени
  (рис. 1.5 г);
• квантованные
  по величине и дискретные по времени
  (рис. 1.5 д).

а)
непрерывный (произвольный) по величине
и непрерывный по времени;

б)
кусочно-непрерывный по величине и
непрерывный по времени;

в)
произвольный по величине и дискретный
по времени;

г)
квантовый по величине и непрерывный по
времени;

д)
квантовый по величине и дискретный по
времени.

Сигналы
s(t)
и
s'(t),
показанные на рис. 1.5 а
и
рис 1.5 б,
принадлежат
одному классу и чаще всего называются
аналоговыми,
поскольку
их можно толковать как электрическое
отображение реальных физи­ческих
процессов. Аналоговые сигналы задаются
по оси времени на несчетном множестве
точек и являются непрерывными или
конти­нуальными.
По
оси ординат такие сигналы также могут
принимать любые значения в определенном
интервале. Однако, как показано на рис
1.5 б, функция s'(t)
в
принципе может иметь и разрывы в
некото­рых точках (t)
на
рис 1.5 б), поэтому из двух определений
— «анало­говые» и «континуальные»
для такого рода функций наиболее
кор­ректным было бы определение
«континуальные». Тем не менее, в дальнейшем
изложении для обозначения сигнала s(t),
произвольного
по величине и непрерывного по времени,
будем пользоваться бо­лее привычным
для специалистов термином «аналоговый».

Сигнал,
показанный на рис. 1.5 г, задан на
всей временной оси, однако величина его
может принимать только дискретные
значе­ния. В подобном случае говорят
о сигнале, квантованном по уров­ню.
Чтобы отличить дискретность сигнала
по уровню от дискрет­ности по времени,
термин «дискретный» будет применяться
только к дискретизации по времени,
дискретность же по уровню будет
ха­рактеризоваться термином
«квантование».

Квантование
используют
в том случае, когда необходимо
преоб­разовать сигнал в цифровую
форму. Для этого весь диапазон измене­ния
величины сигнала разбивают на счетное
число уровней и каждо­му уровню
присваивают определенный номер, который
затем кодируют двоичным кодом с конечным
числом разрядов. Величина сигнала
из­меряется в заданных точках на оси
времени. Такой сигнал — дискрет­ный
по времени и квантованный по уровню,
называется цифровым.
Он
показан на рис. 1.5 д.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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).

Упрощенно работу любого АЦП можно представить так:

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

Качество передаваемой информации зависит от двух параметров — точности и частоты измерений. Чем точнее измеряется и зашифровывается входящее напряжение, тем качественней передаваемая информация. Поэтому, имеет большое значение, сколько бит может зашифровать преобразователь. Чем плотнее информационный поток, тем точней передача данных. Это выражается в красках экрана, контрастности картинки и чистоте звука. Следующим важным показателем является дискретизация, то есть частота измерений. Чем чаще, тем меньше провалов в измерениях и необходимости сглаживания. В совокупности, чем чаще и точнее преобразователь может измерять и обрабатывать полученное напряжение, тем он лучше.

Аналоговые данные

👍 Проверено Автор24

На тему «Аналоговые данные»

Статья от экспертов

Финитные спектры и поля ограниченной протяженности

В статье рассматриваются оценки точности восстановления многомерных полей по дискретным отсчетам на основе теории аппроксимации функций системами полиномиальных базисных сплайнов различных степеней. Применительно к многомерным функциональным зависимостям, заданным на ограниченных носителях, например на площадях или объемах конечных размеров, появляется проблема оценки потерь информации, возникающих при применении многомерных аналогов дискретной модели КотельниковаШеннона. Одной из основных причин ошибок дискретизации является инфинитность спектров сигналов.

Устройство для преобразования данных из цифрового формата в аналоговый и обратно

Цифро-аналоговый преобразователь — это устройство преобразующее входной цифровой сигнал в аналоговый.

На вход устройства поступают дискретные отсчеты в виде цифрового кода, которые затем преобразуются в напряжение. Напряжение это соответствует набору уровней, как и случае с АЦП, многие ЦАП, используют равномерный уровни при преобразовании.

Уровень напряжения остается неизменным до момента прихода следующего отсчета на вход, таким образом формируется ступенчатый непрерывный сигнал, который в дальнейшем может быть сглажен фильтром нижних частот.

Один из простейших видов ЦАП широтно-импульсный модулятор (ШИМ) он часто используется для управления скоростью электромоторов.

Аналого-цифровой преобразователь

Аналого-цифровой преобразователь или АЦП — это устройство, преобразующее входной аналоговый сигнал в дискретный цифровой код. АЦП осуществляет операции дискретизации и квантования. Напомню, при дискретизации, отсчеты непрерывного сигнала берутся только в определенные моменты или дискреты времени, а при квантовании значение сигнала в эти моменты времени округляется до одного из фиксированных уровней, квантованные уровни затем представляются в двоичном виде. Таким образом, мы получаем цифровой сигнал из аналогового.

Как устроен АЦП

В большинстве АЦП есть устройство выборки и хранения, которые фиксируют и сохраняют значение напряжения на своем входе, в моменты замыкания ключа, а моменты замыкания ключа определяется задающим генератором, именно его частота и определяет частоту дискретизации выходного сигнала. Сигнал на выходе устройства выборки и хранения затем, округляется до одного из уровней квантования.

Как же АЦП понимает, с каким уровней квантования проассоциировать значение сигнала?

Допустим, мы зафиксировали значение на втором ходе, это наш пороговый уровень, и когда изменяющейся во времени сигнал на первом входе больше этого уровня, устройство показывает 1, когда меньше 0.

Теперь представим, что компараторов несколько, когда входной сигнал превышает определённый уровень, срабатывает соответствующий компаратор, выходы всех компараторов затем преобразуется схемой приоритетного кодера в двоичное представление. АЦП в которых каждом из уровней квантования соответствует компаратор называются АЦП прямого преобразования или флеш АЦП.

Характеристики АЦП

Во-первых, АЦП отличаются по частоте дискретизации, она определяется задающим генератором. В зависимости от назначения частота дискретизации может измеряться в килогерцах, мегагерцах и даже гигагерц.

Далее идет разрядность, то есть количество бит в коде, которыми мы представляем отсчеты сигнала. От количества бит, зависит количество уровней квантования, оно определяется, как 2 в степени количество бит, если у нас 3 бита, то это 8 возможных уровней квантования, если у нас 8 бит это 256 уровней.

Диапазон входного сигнала это минимальные и максимальные значения напряжения на входе АЦП при которых устройство работает корректно. Слишком маленький сигнал АЦП может не различить и принять за нулевой уровень, слишком большие могут вызвать искажения, которые приведут к потере информации. Обычно АЦП оперируют единицами вольт.

Отношение сигнал-шум об этом параметре есть подробная статья.

Передаточная характеристика — это по определению зависимость числового эквивалента выходного кода от величины входного аналогового сигнала, она имеет вид ступенчатой функции.

Посмотрим на рисунок выше, окрестность значения входного напряжения 0,5 вольт будет приравнено к четвертому уровню квантования, то есть значение к примеру 0,52 или 0,47 также будут представлены кодом 100.

Если мы рассматриваем АЦП с равномерным квантованием, то длина всех ступенек будет одинаковой, в некоторых АЦП специально используются неравномерное квантование, но их мы пока не рассматриваем. Неравномерность ступенек в АЦП с равномерным квантование это одна из характеристик неидеальности, мы называем ее нелинейностью.

Нелинейность АЦП

Нелинейность АЦП — это отличие реальной передаточной характеристики от линейной.

Линейная система передает входной сигнал на выход, без изменения его формы, возможно усиление или аттенюация.

Нелинейная система искажает форму выходного сигнала. В том случае, когда характеристика отличается от прямой линии, форма пиков сигнала изменяется это называется нелинейным искажением, крайне нежелательно явление. При искажениях мы безвозвратно теряем информацию.

Для АЦП, желательно, чтобы в рабочем диапазоне входных сигналов формы передаточных характеристик аппроксимировались прямой, но на практике небольшие отклонения все же присутствуют, поэтому для всех АЦП производитель указывает параметры интегральной и дифференциальной нелинейности.

Шум квантования

В АЦП происходит округление реального значения аналогового сигнала. Точность представления, то насколько близок уровень квантования к реальному значению зависит от разрядности АЦП, количества бит.

Сигнал ошибки или разницы мы называем шумом квантования, хотя шумом его можно считать только в рамках математической модели, так как он зависит от сигнала.

Если мы квантуем непрерывный сигнал, то и шум квантования будет непрерывным. Если мы говорим о квантовании дискретного сигнала, то и на ошибки также будет дискретным. Понятно, что для того чтобы уменьшить шум квантования надо повышать разрядность АЦП, но из-за этого увеличивается стоимость, энергопотребление, могут понизиться другие характеристики.

Существует техника уменьшения влияния шума квантования без увеличения разрядности, и с ними вы можете ознакомиться самостоятельно при желании.

Джиттер

Джиттер это фазовый шум вызванный нестабильностью задающего генератора. Когда мы рассматриваем идеальный процесс дискретизации непрерывного сигнала, шаг временной сетке или период дискретизации неизменен, но в реальности импульсы задающего генератора могут идти не через равные промежутки времени, это приводит к тому что мы передаем устройству выборки и хранения не совсем то значение, которое должны были бы передать в случае идеально ровной временной сетки.

Эти отклонения, от так называемых реальных значений, также можно представить в виде дискретного шума. Нестабильность генераторов обычно измеряется в пика и фемпто секундах, поэтому на медленный АЦП она особо не влияет.

Шум квантования вносит гораздо больший вклад, но если сам сигнал изменяется очень быстро, если мы говорим о частотах дискретизации в сотни мегагерц и единицах гигагерц, то в этом случае уже джиттер может стать главной проблемой.

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.

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.

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.

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.

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.

Дискретный сигнал как азбука Морзе, только вместо точек и тире — чёткие биты. Ничего более, шумы и помехи им не мешают. Цифровой информации главное дойти до цели. Цифры без примесей передадут данные и без изменений перевоплотятся в звук и цвет. Но слабый сигнал может не донести полную картину. Как пример — пропадание слов или изображения полностью. Поэтому сотовые передатчики, устанавливают как можно ближе друг от друга, также используют повторители.

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.

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

• Аналоговый подвержен помехам и поступает с искажениями. В то время как цифровой доходит полностью без искажений или отсутствует вовсе.
• Принять или перехватить аналоговое вещание может любой приёмник такого принципа. Дискретная передача адресована конкретному адресату, кодируется и мало доступна к перехвату.
• 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.

Список книг помогающих разобраться в аналоговых и цифровых сигналах

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

• Сато Ю. Обработка сигналов. Первое знакомство. / Пер. с яп.; под ред. Ёсифуми Амэмия. — М: Изд-кий дом «Додэка-XXI», 2002. Книга даёт основы знаний о способах ЦОС. Адресована радиолюбителям, студентам и школьникам, только начинающим изучение систем передачи данных.
• Введение в цифровую фильтрацию /под ред. Р. Богнера и А. Константинидиса; перевод с англ. — М: Изд-во «Мир», 1977. В этой книге популярно и доступно изложена информация о различных системах обработки данных. Сравниваются аналоговая и цифровая системы, описаны плюсы и минусы.
• Сергиенко А.Б. Цифровая обработка сигналов (второе издание) — СПб: Изд-во «Питер», 2006. Электронный учебно-методический комплекс по дисциплине «Цифровая обработка сигналов». Представлены курс лекций, лабораторный практикум и методические рекомендации по самостоятельной работе. Предназначена для преподавателей и самостоятельного изучения для студентов уровня подготовки бакалавр.
• Лайонс Р. Цифровая обработка сигналов. 2-е изд. Пер. с англ. – М.: ООО «Бином-Пресс», 2006. Книга представляет подробную информацию о ЦОС. Написана понятным языком и снабжена большим количеством иллюстрации. Одна из самых простых и понятных книг на русском языке.

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.

Повышай знания с онлайн-тренажером от Автор24!

• Напиши термин
• Выбери определение из предложенных или загрузи свое
• Тренажер от Автор24 поможет тебе выучить термины с помощью удобных и приятных
  карточек