Аналоговый сигнал — определение и особенности
Появление термина, обозначающего такой способ передачи данных, тесно связано с такими сферами, как вычислительная техника, телефония и звукозаписывающая индустрия, электрические измерения.
Вычислительная техника
В 40-х годах создаются первые вычислительные системы, предназначенные для сбора и обработки цифровой информации. В начале 80-х годов с появлением новых моделей компьютеров на базе процессоров Intel возможности вычислительной техники расширились. Именно в этот период появляется данный термин.
Звукозапись и телефония
Понятие непрерывного способа передачи данных изначально связано с телефонией. Непрерывные колебания поступают на динамик устройства, становятся электрическим аналогом, затем преобразуются в сигнал, подобный голосу.
Электрические измерения
Непрерывный поток воспроизводится приемным устройством пропорционально таким электрическим параметрам, как напряжение, сила тока. Именно с началом измерения указанных выше электрических величин связывают появление этого термина.
Сигнал: виды сигналов, особенности, сферы применения и отзывы. Виды модуляции сигналов.
- Может характеризоваться постоянным значением параметра, изменятся только по времени;
- Изменяется уровень величины, но во времени остается постоянным;
- Меняется как по значению величины, так и по временному параметру.
Общая информация
Энергия потока
Так как аналоговый сигнал – это непрерывный поток данных, то энергия его бесконечна. Однако в качестве значения данной характеристики обычно используют усредненную для определенного промежутка времени величину, так, к примеру, переменный электрический ток в телефонной сети, отвечающий за передачу голоса, имеет среднее напряжение 60 В.
Взаимное преобразование различных по природе потоков
Непрерывный поток данных преобразуется в дискретный (прерывистый). Достаточно воспользоваться импульсным блоком питания, который сформирует входное напряжение в виде дискретных ультразвуковых пачек. Преобразование проводится программой либо технически через микросхемы.
Отличия дискретного и цифрового сигналов
Один из способов передачи данных, описываемых в данной статье, – дискретный, имеющий сходные характеристики с аналоговым, но отличающийся от него тем, что он является прерывистым.
По сравнению с дискретным и аналоговым, цифровой сигнал, наоборот, характеризуется конкретными параметрами:
- Строго определённой своими характеристиками длительностью;
- Ярко выраженной амплитудой;
- Наличием двух состояний: «0» либо «1».
- Формированием из битов машинных слов, необходимых для дальнейшей обработки информации, ее представлении в доступном и понятном виде для пользователя.
Благодаря этим особенностям, цифровая передача и хранение информации в последнее время находят очень широкое применение в различных отраслях техники, электроники, связи.
Важно! Самое основное, чем отличается аналоговая информация от дискретной, – это прерывистость передачи последней при помощи соответствующего потока данных. Однако, несмотря на данное различие, дискретная информация не является цифровой, так как ее характеристики в процессе существования могут обладать как ограниченным, так и неограниченным диапазоном значений.
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 передачи данных задается математической функцией. Она характеризует все возможные изменения параметров. В радиотехнической теории эта модель считается базовой. В ней же аналогом сигнала был назван шум. Он представляет собой функцию времени, которая свободно взаимодействует с переданным кодом и искажает его.
Принцип работы и особенности источников бесперебойного питани
Чтобы получить данные, содержащиеся в описанных выше потоках, их обрабатывают через процессы усиления, фильтрации, модуляции и демодуляции. Лишь после этого они будут представлены в понятном для пользователя виде и использованы по назначению.
Цифровое представление аналогового аудиосигнала. Краткий ликбез / Хабр
- Измерение через определенные интервалы времени амплитуды напряжения.
- Сравнение с эталоном и формирование данных.
- Отгрузка оцифрованных сведений об изменениях амплитуды на передатчик.
Создание и формирование
Для создания непрерывного потока используют такое специальное оборудование, как генераторы. Собирают их, используя различные транзисторы (полевые и биполярные), трансформаторы.
Важной характеристикой любой системы динамических измерений считается ее динамический диапазон. Четкого определения данного параметра для сигнала пока не существует, поэтому принято считать, что это соотношение наибольшего и наименьшего его значений, измеренных системой в определенный промежуток времени.
Для каждого потока важно, чтобы его динамический диапазон максимально соответствовал аналогичной характеристике системы либо устройства, предназначенного для преобразования, передачи и хранения его величин. От правильного подбора зависит, насколько точно будет передана и преобразована информация любого потока.
Дискретный сигнал
Дискретный способ передачи информации подразумевает либо изменение во времени при постоянной величине, либо, напротив, изменения по уровню без перерыва по времени.
Пример. В период, равный одной миллисекунде, дискретный сигнал равен какой-либо величине. По истечении этого времени сигнал резко изменяется в какую-либо сторону и остаётся неизменным ещё одну миллисекунду, после чего цикл повторяется.
Многие специалисты уточняют, что данный тип кода – промежуточное звено между аналоговым и цифровым способами передачи данных. Отчасти это так и есть, и многие из тех, кто родился раньше «нулевых» помнят, как в своё время все пользователи повально переходили на цифровое телевещание.
Аналоговый сигнал. Виды сигналов: аналоговый, цифровой, дискретный
- Монтаж кабеля для Умного Дома Как я уже писал, самым неразумным способом экономии в строительстве…
- Датчики присутствия в умном доме Статья обновлена в ноябре 2024 года. Добавлено много мыслей, обновлены…
- Ещё раз о входах и выходах контроллера Моя статья про входы и выходы ПЛК — одна из…
- Умный Дом на центральном контроллере (ПЛК) Небольшой ликбез про построение системы Умный Дом на центральном контроллере…
- Умный Дом на ПЛК: управление освещением Рассмотрим классическое управление светом без всякого умного дома: Три варианта…
- Умный Дом на ПЛК: управление климатом Функция управления отоплением объединяет управление следующими системами: Радиаторное отопление (пассивные…
- Контроль доступа на ОВЕН ПЛК и EasyHome Описание задачи Задача стояла так: в квартире есть входная дверь,…
Типы входов и выходов
В системах ввода/вывода применяются различные способы обработки, преобразования и локализации сигналов. Работа и производительность ПЛК-системы зависят от статической/динамической оценки сигнала (обнаружения события), процедур хранения/не хранения, наличия оптоизоляции и т.д.
Системы ввода/вывода в целом демонстрируют модульную функцию, которая предусматривает конфигурирование ПЛК-системы в соответствии с потребностями машины/процесса, а также последующее расширение (вплоть до максимальной конфигурации).
Системы ввода/вывода могут быть смонтированы либо вблизи модулей обработки сигналов, либо вблизи датчиков и приводов машины/процесса отдельно от модулей обработки сигналов.
Аналоговый вход
Аналоговый вход (analogue input)Устройство, которое преобразовывает непрерывный сигнал в дискретное мультибитовое двоичное число для работы в системе программируемых контроллеров.
Аналоговый выход
аналоговый выход (analogue output)Устройство, которое преобразовывает мультибитовое двоичное число из системы программируемых контроллеров в непрерывный сигнал.
Цифровой вход
цифровой вход типа 1 (type 1 digital input): Устройство для измерительных сигналов, получаемых от механических контактов устройств переключения, например реле, кнопок, выключателей и т.п. Преобразует фактически сигнал с двумя состояниями в однобитовое двоичное число.
Примечание — Цифровые входы типа 1 могут быть непригодны в случае использования полупроводниковых приборов, таких, как датчики, бесконтактные переключатели и т.д.
цифровой вход типа 2 (type 2 digital input): Устройство для измерительных сигналов от полупроводниковых устройств переключения, например двухпроводных бесконтактных переключателей. Преобразует фактически сигнал с двумя состояниями в однобитовое двоичное число.
1 Приводимые здесь двухпроводные бесконтактные переключатели соответствуют IEC 60947-5-2.
2 Данный класс цифрового входа может использоваться вместо классов 1 и 3.
цифровой вход типа 3 (type 3 digital input): Устройство для измерительных сигналов, получаемых от полупроводниковых устройств переключения, например двухпроводных бесконтактных переключателей. Преобразует фактически сигнал с двумя состояниями в однобитовое двоичное число.
1 Данный класс цифрового входа может также использоваться вместо класса 1.
Цифровой выход
цифровой выход (digital output): Устройство, которое преобразует однобитовое двоичное число в сигнал с двумя состояниями.
В словаре Даля
Рассматривая виды передачи сигналов, необходимо сказать о том, где применяется цифровой вариант. Чем же отличается он от многих других при передаче и при использовании? Дело в том, что, поступая в ретранслятор, он полностью регенерируется.
Когда в оборудование поступает сигнал, который в процессе передачи получил шумы и помехи, он сразу же форматируется. Благодаря этому телевышки могут сформировать сигнал заново, избегая использования шумового эффекта.
Аналоговая связь в этом случае будет намного лучше, так как при получении информации с большим количеством искажений, ее можно извлечь хотя бы частично. Если говорить о цифровом варианте, то это невозможно. Если более 50 % сигнала будет иметь шум, то можно считать, что информация полностью утрачена.
Многие люди, обсуждая сотовую связь, причем совершенно разных форматов и способов передачи, говорили, что иногда практически невозможно разговаривать. Люди могут не слышать слова или же фразы. Такое может происходить только на цифровой линии, если имеется шум.
Если говорить об аналоговой связи, то в этом случае разговор будет можно продолжать далее. Из-за таких неполадок ретрансляторы формируют сигнал всегда по новой, для того чтобы сократить разрывы.
Дискретная и аналоговая информация.
- Медленные замирания (затенение) – возникновение препятствий на пути следования радиоволны. Если радиоволна распространяется в пространстве и встречает препятствия, причем эти препятствия то появляются, то исчезают.
Что происходит с сигналом в канале связи
С ним происходят ослабления, задержка, доплеровский сдвиг, шумы и тому подобное.
Ослабление
Сигнал ослабевает за счет рассеивания в пространстве. Например, у нас есть источник радиосигнала, всенаправленный и изотропный, т.е. он во все стороны излучает одинаково. Получается сферический фронт волны. На одном расстоянии r1 и на другом r2.
Пусть излучаемая мощность 100 Вт, все эти 100 ватт распределяются по всей сфере. Приемные антенны не большие, они охватывают только небольшой участок пространства. И количество мощности, проходящее через небольшой участок пространства, будет разный на расстоянии r1 и r2. Потому что плотность мощности на расстоянии r1 будет выше, чем на расстоянии r2.
Площадь сферы равна S=4pi*R^2. И эта формула фигурирует во всех формулах оценки дальности радиосвязи. Потому что радиоволна равномерно рассеивается в пространстве. И помимо того, что сигнал сам ослабевает по мере распространения в пространстве, электромагнитная волна проходит через некую среду, которую пытается нагреть и за счет этого теряет свою энергию.
Задержка распространения сигнала
Не смотря на то, что электромагнитная волна, это самое быстрое, что есть у нас во вселенной, тем не менее скорость распространения этой волны конечна. И поддается измерениям. Например, на 1 км задержка распространения ~3.3 мкс.
На что влияет задержка распространения? Обычно, мы точно не знаем расстояние между передатчиком и приемником с точность до микрон. И задержка распространения, которая нам неизвестна, мы не знаем расстояние и не знаем за какое время примем этот сигнал. И соответственно мы не знаем начальную фазу сигнала.
Доплеровский сдвиг частоты
Воздействие помех и шумов
И в эфире есть шумы и собственные шумы приемника. Про шумы подробнее в отдельной статье.
Замирания сигнала
Замирания сигнала это процесс, когда у сигнала, случайным образом скачет амплитуда и фаза. То больше амплитуда, то меньше. Выделяют:
Когда есть источник, есть приемник, есть множество путей распространения радиоволны, одна волна может прийти прямой, другая переотраженной.
Например, одна волна прошла 100 км, другая 101 км, к чему это приводит? Если две электромагнитные волны проделали разный путь, то фазы у этих сигналов тоже будут разные. Соответственно, если сигналы сложились в противофазе, то сигналы друг друга подавили, если сложились в фазе, то друг друга усилили.
Из-за многолучевого распространения, каждый луч проделывает разное расстояние, это приводит к тому, что начальная фаза каждого луча отличается. И когда в приемнике эти сигналы складываются, они могут друг друга усиливать либо ослаблять. Это приводит к тому, что амплитуда результирующего сигнала постоянно изменяется, это и есть быстрые замирания.
Сигналы, модуляция и манипуляция
В этом разделе показаны основные способы изменения одного или нескольких параметров гармонического сигнала. Вводятся понятия амплитудной, частотной и фазовой модуляции. В частности, выделяется линейная частотная модуляция, применяемая в задачах радиолокации. Показаны основные характеристики сигналов, спектры модулированных сигналов в зависимости от параметров модуляции.
Для удобства на языке Python создан набор функций, осуществляющих перечисленные виды модуляции. Пример реализации ЛЧМ-сигнала:
Также в этом разделе из теории передачи дискретных сообщений описаны виды цифровой модуляции — манипуляции. Как и в случае с аналоговыми сигналами, цифровые гармонические последовательности могут быть манипулированы по амплитуде, фазе и частоте (либо по нескольким параметрам сразу).
| N | ДПФ | БПФ | Отношение числа комплексных сложений | Отношение числа комплексных умножений | ||
|---|---|---|---|---|---|---|
| Число операций умножения | Число операций сложения | Число операций умножения | Число операций сложения | |||
| 2 | 4 | 2 | 1 | 2 | 4 | 1 |
| 4 | 16 | 12 | 4 | 8 | 4 | 1.5 |
| 8 | 64 | 56 | 12 | 24 | 5.3 | 2.3 |
| 16 | 256 | 240 | 32 | 64 | 8 | 3.75 |
| 32 | 1024 | 992 | 80 | 160 | 12.8 | 6.2 |
| 64 | 4096 | 4032 | 192 | 384 | 21.3 | 10.5 |
| 128 | 16384 | 16256 | 448 | 896 | 36.6 | 18.1 |
| . | . | . | . | . | . | . |
| 4096 | 16777216 | 16773120 | 24576 | 49152 | 683 | 341 |
| 8192 | 67108864 | 67100672 | 53248 | 106496 | 1260 | 630 |
Курс лекций «Основы цифровой обработки сигналов» / Хабр
- Сигналы: аналоговые, дискретные, цифровые. Z-преобразование,
- Преобразование Фурье: амплитудный и фазовый сигнала, ДПФ и БПФ,
- Свертка и корреляция. Линейная и циклическая свертка. Быстрая свёртка,
- Случайные процессы. Белый шум. Функция плотности вероятностей,
- Детерминированные сигналы. Модуляция: АМ, ЧМ, ФМ, ЛЧМ. Манипуляция,
- Фильтрация сигналов: БИХ, КИХ фильтры,
- Оконные функции в задачах фильтрации. Детектирование слабых сигналов,
- Ресемплинг: децимация и интерполяция. CIC-фильтры, фильтры скользящего среднего,
- Непараметрические методы спектрального анализа,
- Усреднение по частоте и по времени. Полифазный БПФ.
Ресемплинг. Децимация и интерполяция
Децимация (прореживание) – понижение частоты дискретизации. Интерполяция – повышение частоты дискретизации.
График АЧХ фильтра в зависимости от коэффициента децимации:
Также в этом разделе обсуждается вопрос увеличения разрядности данных на выходе CIC фильтра в зависимости от его параметров. Это особенно важно в задачах программной реализации, в частности на ПЛИС.
Для практической реализации CIC фильтров на Python разработан отдельный класс CicFilter, реализующий методы децимации и интерполяции. Также показаны примеры изменения частоты дискретизации с помощью встроенных методов из scipy пакета Python.
Наконец, в этом разделе приведен особый класс фильтров — скользящего среднего. Показано три способа реализации: через свертку сигналов, с помощью КИХ-фильтра и БИХ-фильтра.
При сжатии с потерями
акцент делается не на избежание потерь информации, а на спекуляцию с субъективными восприятиями (Психоакустика). Например, ухо взрослого человек обычно не воспринимает частоты выше 16kHz. Используя этот факт, кодек сжатия с потерями может просто жестко срезать все частоты выше 16kHz, так как «все равно никто не услышит разницу».
Другой пример — эффект маскировки. Слабые амплитуды, которые перекрываются сильными амплитудами, могут быть воспроизведены с меньшим качеством. При громких низких частотах тихие средние частоты не улавливаются ухом. Например, если присутствует звук в 1kHz с уровнем громкости в 80dB, то 2kHz-звук с громкостью 40dB больше не слышим.
UPD:
Если по каким-либо причинам аудиофайлы не загружаются, можете их скачать здесь: cloud.mail.ru/public/HbzU/YEsT34i4c
Чем отличается непрерывный сигнал от дискретного в электротехнике и быту?
Что такое дискретный
Дискретный сигнал — тот, который в некотором интервале может принимать определённое число значений. К таким сигналам относятся показания цифровых часов или приборов, а также тексты в книгах.
Благодаря достижениям в цифровой технике большинство электронных устройств в настоящее время являются цифровыми и работают с ДС. В то же время физические сигналы в природе имеют аналоговый вид. Преобразование НС в дискретный вид производится путём дискретизации его с помощью специальных устройств (АЦП). Обратное преобразование сигнала производится с помощью ЦАП.
Достоинствами цифровых систем, работающих на ДС, являются:
- высокая помехозащищённость и возможность работы каналов связи при больших шумах;
- простота передачи команд управления каналами;
- возможность цифровой обработки сигналов;
- лёгкость засекречивания.
Возможность дискретизации непрерывного сигнала с любой желаемой точностью (для возрастания точности достаточно уменьшить шаг) принципиально важна с точки зрения информатики. Компьютер — цифровая машина, то есть внутреннее представление информации в нём дискретно. Дискретизация входных сигналов (если она непрерывна) позволяет сделать их пригодными для дискретной обработки.
Что такое аналоговый сигнал
- пониженную помехозащищённость — это свойство связано с тем, что из-за непрерывности системы помеху, попавшую в сигнал, невозможно отличить от самого сигнала;
- затруднения при передаче сигналов управления;
- трудности при сопряжении с компьютером и другими цифровыми устройствами;
- трудности шифрования.
