Аналоговый и цифровой сигнал. Типы сигналов и как это действует
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.
Цифро-аналоговые и аналого-цифровые преобразователи — ЭЛЕКТРОТЕХНИКА И ЭЛЕКТРОНИКА: БЫТОВАЯ ТЕХНИКА. В 2 Ч. ЧАСТЬ 2
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
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.
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.
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
Цифровой звук
В отличие от аналогового цифровой сигнал не имитирует акустический звук. Цифровой звук присваивает отдельным точкам во времени цифровые значения, которые отражают высоту амплитуды в данной точке. Второе отличие цифрового звука от аналогового состоит в том, что цифровой звук дискретен.
Как известно, цифровая информация хранится в байтах, каждый из которых состоит из 8 бит. Бит – минимальная единица цифровой информации, которая может принимать всего два значения – ноль или единицу.
Так как же превратить непрерывный аналоговый сигнал в последовательность нолей и единиц, да еще и правильно привязать эту информацию к линии времени? Перевод звука в цифровой формат делится на две операции сэмплирование и квантование. Сэмплирование – дискретизирует время, а квантование – амплитуду. Именно эти операции и выполняет ваш аудио интерфейс.
В любом аудио интерфейсе есть АЦП (аналого-цифровой преобразователь) и ЦАП (цифро-аналоговый преобразователь). Рассмотрим, как работает запись звука, когда для записи используется микрофон и компьютер с подключенным к нему аудиоинтерфейсом.
Когда вы начнете воспроизведение аудиофайла, будет запущен обратный процесс. Цифровая информация будет отправлена из компьютера вашему аудиоинтерфейсу. Его ЦАП обеспечит обратную конвертацию полученной информации в непрерывный электрический сигнал с переменным напряжением. Далее сигнал будет усилен и воспроизведен вашей акустической системой.
Это означает, что в нашем сигнале должна быть максимальная частота, которая никогда не будет превышена. Когда мы установим самую высокую частоту, останется умножить ее на два и получить требуемую частоту сэмплирования. Также, согласно теореме, все частоты больше половины частоты сэмплирования должны быть убраны из входного сигнала.
Поскольку человек слышит звуки от 20 Hz до 20 kHz частота сэмплирования в 40 kHz должна быть подходящей для кодирования любых слышимых человеком звуков. С небольшим запасом на работу фильтра, который отрабатывает перед конвертацией в цифровой формат, в cd стандарте аудио срезаются звуки выше 22 050Hz, а частота сэмплирования составляет 44 100 Hz.
Теперь рассмотрим, какие именно цифры присваивает АЦП значениям амплитуды при выполнении конвертации аналогового сигнала.
Компьютер может присваивать амплитуде конечное число значений. Как уже было сказано выше, любая информация в компьютере является последовательностью бит, каждый из которых принимает значения нуля или единицы.
Цифровое выражение из n-бит предполагает 2 n различных вариантов значений, то есть 2 n различных вариантов последовательностей нолей и единиц. В таблице приведены варианты последовательностей для n = 2,3,4.
| n = 2 4 варианта значений |
n = 3 8 вариантов значений |
n = 4 16 вариантов значений |
|---|---|---|
| 00 01 10 11 |
000 001 010 011 100 101 110 111 |
0000 0001 0010 0011 0100 0101 0110 0111 1000 1001 1010 1011 1100 1101 1110 1111 |
| n = 2 4 варианта значений |
n = 3 8 вариантов значений |
n = 4 16 вариантов значений |
|---|---|---|
| 00 01 10 11 |
000 001 010 011 100 101 110 111 |
0000 0001 0010 0011 0100 0101 0110 0111 1000 1001 1010 1011 1100 1101 1110 1111 |
Цифровое представление аудио сигналов — YourSoundPath
Широтно-импульсная модуляция
Проблема АПЦ в том, что оно работает только в одну сторону, то есть Arduino не способна формировать аналоговый сигнал, а может выдать только цифровой на выходах. А хотелось бы, присоединив светодиод, управлять его яркостью, или, например, скоростью вращения мотора.
Но на самом деле этим устройствам и не требуется изменение напряжения. Более того, светодиод очень чувствителен к таким изменениям, ему нужен строго определённый уровень электронов на входе. Если будет больше — он скорее сгорит, чем увеличит яркость. Да и мотор наиболее эффективен при определённом уровне.
Чтобы всё-таки сделать их управляемыми используют так называемую широтно-импульсную модуляцию (ШИМ или PWM) .
Генератор ШИМ работает только на определённых портах, которые подписаны как PWM , и позволяет использовать градацию от 0 до 255.
По сути ШИМ является некоторой заменой аналогового сигнала, поэтому для её записи используют команду analogWrite .
