Понятия «информация» (от лат. informatio - разъяснение, изложение) и «сообщение» в настоящее время неразрывно связаны между собой.
Информация – это сведения, являющиеся объектом передачи, распределения, преобразования, хранения или непосредственного использования. Сообщение является формой представления информации. Известно, что 80...90% информации человек получает через органы зрения и 10...20%-через органы слуха. Другие органы чувств дают в сумме 1...2 % информации.
Информацию передают в виде сообщений . Сообщение - форма выражения (представления) информации, удобная для передачи на расстояние. Примерами сообщений служат тексты телеграмм, речь, музыка, телевизионное изображение, данные на выходе компьютера, команды в системе автоматического управления объектами и т.п. Сообщения передают с помощью сигналов, которые являются носителями информации. Основным видом сигналов являются электрические сигналы. В последнее время всё большее распространение получают оптические сигналы, н/р, в волоконно-оптических линиях передачи информации. Сигнал - физический процесс, отображающий передаваемое сообщение. Отображение сообщения обеспечивается изменением к-л физической величины, характеризующей процесс. Сигнал передаёт (развёртывает) сообщение во времени, то есть всегда является функцией времени. Сигналы формируются путём изменения тех или иных параметров физического носителя в соответствии с передаваемым сообщением.
Эта величина является информационным параметром сигнала. Информационный параметр сообщения - параметр, в изменении которого "заложена" информация. Для звуковых сообщений информационным параметром является мгновенное значение звукового давления, для неподвижных изображений - коэффициент отражения, для подвижных - яркость свечения участков экрана.
При этом важное значение имеют понятия качества и скорости передачи информации.
Качество передачи информации тем выше, чем меньше искажения информации на приёмной стороне. С увеличением скорости передачи информации требуется принимать специальные меры, препятствующие потерям информации и снижению качества передачи информации.
Передача сообщений на расстояние осущ-ся с помощью к-л материального носителя, н/р, бумаги или магнитной ленты или физического процесса, например, звуковых или электромагнитных волн, тока и т.д.
Передача и хранение информации осуществляется с помощью различных знаков (символов), которые позволяют представить её в некоторой форме.
Сообщения могут быть функциями времени, например речь при передаче телефонных разговоров, температура или давление при передаче телеметрических данных, спектакль при передаче по телевидению и т.п. В других случаях сообщение не является функцией времени (например, текст телеграммы, неподвижное изображение и т.д.). Сигнал передаёт сообщение во времени. Следовательно, он всегда является функцией времени, даже если сообщение (например, неподвижное изображение) таковым не является. Различают 4 вида сигналов: непрерывный сигнал непрерывного вр. (рис.2.2, а), непрерывный дискретного вр. (рис.2.2, б), дискретный непрерывного вр. (рис.2.2, в) и дискретный дискретного времени (рис2.2, г).
Рисунок 2.2 – Непрерывный сигнал непрерывного времени (а), непрерывный сигнал дискретного времени (б), дискретный сигнал непрерывного времени (в), дискретный сигнал дискретного времени (г).
Непрерывные сигналы непрерывного вр. наз-т сокращенно непрерывными (аналог.) сигн-ми. Они могут изменяться в произвольные моменты, принимая любые значения из непрерывного множества возможных значений (синусоида).
Непрерывные сигналы дискретного вр. могут принимать произвольные значения, но изменяться только в определенные, наперед заданные (дискретные) моменты t 1 , t 2 , t 3 … .
Дискретные сигналы непрерывного времени отличаются тем, что они могут изменяться в произвольные моменты, но их величины принимают только разрешенные (дискретные) значения.
Дискретные сигналы дискретного времени (сокращенно дискретные) в дискретные моменты вр.могут принимать только разреш-е (дискретные) значения.
По характеру изменения информационных параметров различают непрерывные и дискретные сообщения.
Аналоговый сигнал является непрерывной или частично непрерывной функцией времени Х(t). Мгновенные значения сигнала являются аналогом физической величины рассматриваемого процесса.
Дискретный сигнал представляет собой дискретные импульсы, следующие друг за другом с интервалом времени Δt, ширина импульсов одинакова, а уровень (площадь импульса) является аналогом мгновенного значения некоторой физической величины, которую представляет дискретный сигнал.
Цифровой сигнал представляет собой дискретный ряд цифр, следующих друг за другом с интервалом времени Δt, в виде двоичных разрядов и представляющих мгновенное значение некоторой физической величины.
Непрерывный или аналоговый сигнал это сигнал, который может принимать любые уровни значений в некотором интервале величин. Непрерывный по времени сигнал это сигнал, заданный на всей оси времени.
Например, речь является сообщением непрерывным как по уровню, так и по времени, а датчик температуры, выдающий её значения через каждые 5 мин, служит источником сообщений, непрерывных по величине, но дискретных по времени.
Понятие о количестве информации и возможности ее измерения является основой теории информации. Теория информации сформировалась в 20 веке. Пионерами теория информации считают Клод Шеннонна (США), А.Н. Колмогорова (СССР) Р. Хартли (США) и др. Согласно Клоду Шеннонну, информация - снятая неопределенность. Т.е. информативность сообщения х-ся содержащейся в ней полезной информации т.е. та часть сообщения которая уменьшает существующую до ее получения неопределнность чего-либо.
Сигнал определяется как напряжение или ток, который может быть передан как сообщение или как информация. По своей природе все сигналы являются аналоговыми, будь то сигнал постоянного илипеременного тока, цифровой или импульсный. Тем не менее, принято делать различие между аналоговыми и цифровыми сигналами.
Цифровым сигналом называется сигнал, определённым образом обработанный и преобразованный в цифры. Обычно эти цифровые сигналы связаны с реальными аналоговыми сигналами, но иногда между ними и нет связи. В качестве примера можно привести передачу данных в локальных вычислительных сетях (LAN) или в других высокоскоростных сетях.
В случае цифровой обработки сигнала (ЦОС) аналоговый сигнал преобразуется в двоичную форму устройством, которое называется аналого-цифровым преобразователем (АЦП). На выходе АЦП получается двоичное представление аналогового сигнала, которое затем обрабатывается арифметическим цифровым сигнальным процессором (DSP). После обработки содержащаяся в сигнале информация может быть преобразована обратно в аналоговую форму с использованием цифро-аналогового преобразователя (ЦАП).
Другой ключевой концепцией в определении сигнала является тот факт, что сигнал всегда несет некоторую информацию. Это ведет нас к ключевой проблеме обработки физических аналоговых сигналов — проблеме извлечения информации.
Цели обработки сигналов.
Главная цель обработки сигналов заключается в необходимости получения содержащейся в них информации. Эта информация обычно присутствует в амплитуде сигнала (абсолютной или относительной), в частоте или в спектральном составе, в фазе или в относительных временных зависимостях нескольких сигналов.
Как только желаемая информация будет извлечена из сигнала, она может быть использована различными способами. В некоторых случаях желательно переформатировать информацию, содержащуюся в сигнале.
В частности, изменение формата сигнала происходит при передаче звукового сигнала в телефонной системе с многоканальным доступом и частотным разделением (FDMA). В этом случае используются аналоговые методы, чтобы разместить несколько голосовых каналов в частотном спектре для передачи через радиорелейную станцию СВЧ диапазона, коаксиальный или оптоволоконный кабель.
В случае цифровой связи аналоговая звуковая информация сначала преобразуется в цифровую с использованием АЦП. Цифровая информация, представляющая индивидуальные звуковые каналы, мультиплексируется во времени (многоканальный доступ с временным разделением, TDMA) и передается по последовательной цифровой линии связи (как в ИКМ-системе).
Еще одна причина обработки сигналов заключается в сжатии полосы частот сигнала (без существенной потери информации) с последующим форматированием и передачей информации на пониженных скоростях, что позволяет сузить требуемую полосу пропускания канала. В высокоскоростных модемах и системах адаптивной импульсно-кодовой модуляции (ADPCM) широко используются алгоритмы устранения избыточности данных (сжатия), так же как и в цифровых системах мобильной связи, системах записи звука MPEG, в телевидении высокой четкости (HDTV).
Промышленные системы сбора данных и системы управления используют информацию, полученную от датчиков, для выработки соответствующих сигналов обратной связи, которые, в свою очередь, непосредственно управляют процессом. Обратите внимание, что эти системы требуют наличия как АЦП и ЦАП, так и датчиков, устройств нормализации сигнала (signal conditioners) и DSP (или микроконтроллеров).
В некоторых случаях в сигнале, содержащем информацию, присутствует шум, и основной целью является восстановление сигнала. Такие методы, как фильтрация, автокорреляция, свертка и т.д., часто используются для выполнения этой задачи и в аналоговой, и в цифровой областях.
ЦЕЛИ ОБРАБОТКИ СИГНАЛОВ- Извлечение информации о сигнале (амплитуда, фаза, частота, спектральные составляющие,временные соотношения)
- Преобразование формата сигнала (телефония с разделением каналов FDMA, TDMA, CDMA)
- Сжатие данных (модемы, сотовые телефоны, телевидение HDTV, сжатие MPEG)
- Формирование сигналов обратной связи (управление промышленными процессами)
- Выделение сигнала из шума (фильтрация, автокорреляция, свертка)
- Выделение и сохранение сигнала в цифровом виде для последующей обработки (БПФ)
Формирование сигналов
В большинстве приведенных ситуаций (связанных с использованием DSP-технологий), необходимы как АЦП, так и ЦАП. Тем не менее, в ряде случаев требуется только ЦАП, когда аналоговые сигналы могут быть непосредственно сгенерированы на основе DSP и ЦАП. Хорошим примером являются дисплеи с разверткой видеоизображения, в которых сгенерированный в цифровой форме сигнал управляет видеоизображением или блоком RAMDAC (преобразователем массива пиксельных значений из цифровой в аналоговую форму).
Другой пример — это искусственно синтезируемые музыка и речь. В действительности, при генерации физических аналоговых сигналов с использованием только цифровых методов полагаются на информацию, предварительно полученную из источников подобных физических аналоговых сигналов. В системах отображения данные на дисплее должны донести соответствующую информацию оператору. При разработке звуковых систем задаются статистическими свойствами генерируемых звуков, которые были предварительно определены с помощью широкого использования методов ЦОС (источник звука, микрофон, предварительный усилитель, АЦП и т.д.).
Методы и технологии обработки сигналов
Сигналы могут быть обработаны с использованием аналоговых методов (аналоговой обработки сигналов, или ASP), цифровых методов (цифровой обработки сигналов, или DSP) или комбинации аналоговых и цифровых методов (комбинированной обработки сигналов, или MSP). В некоторых случаях выбор методов ясен, в других случаях нет ясности в выборе и принятие окончательного решения основывается на определенных соображениях.
Что касается DSP, то главное отличие его от традиционного компьютерного анализа данных заключается в высокой скорости и эффективности выполнения сложных функций цифровой обработки, таких как фильтрация, анализ с использованием и сжатие данных в реальном масштабе времени.
Термин "комбинированная обработка сигналов" подразумевает, что системой выполняется и аналоговая, и цифровая обработка. Такая система может быть реализована в виде печатной платы, гибридной интегральной схемы (ИС) или отдельного кристалла с интегрированными элементами. АЦП и ЦАП рассматриваются как устройства комбинированной обработки сигналов, так как в каждом из них реализованы и аналоговые, и цифровые функции.
Недавние успехи технологии создания микросхем с очень высокой степенью интеграции (VLSI) позволяют осуществлять комплексную (цифровую и аналоговую) обработку на одном кристалле. Сама природа ЦОС подразумевает, что эти функции могут быть выполнены в режиме реального масштаба времени.
Сравнение аналоговой и цифровой обработки сигналов
Сегодняшний инженер стоит перед выбором надлежащей комбинации аналоговых и цифровых методов для решения задачи обработки сигналов. Невозможно обработать физические аналоговые сигналы, используя только цифровые методы, так как все датчики (микрофоны, термопары, пьезоэлектрические кристаллы, головки накопителя на магнитных дисках и т.д.) являются аналоговыми устройствами.
Некоторые виды сигналов требуют наличия цепей нормализации для дальнейшей обработки сигналов как аналоговым так и цифровым методом. Цепи нормализации сигнала — это аналоговые процессоры, выполняющие такие функции как усиление, накопление (в измерительных и предварительных (буферных) усилителях), обнаружение сигнала на фоне шума (высокоточными усилителями синфазного сигнала, эквалайзерами и линейными приемниками), динамическое сжатие диапазона (логарифмическими усилителями, логарифмическими ЦАП и усилителями с программируемым коэффициентом усиления) и фильтрация (пассивная или активная).
Несколько методов реализации процесса обработки сигналов показано на рисунке 1. В верхней области рисунка изображен чисто аналоговый подход. В остальных областях изображена реализация DSP. Обратите внимание, что, как только выбрана DSP технология, следующим решением должно быть определение местоположения АЦП в тракте обработки сигнала.
ОБРАБОТКА АНАЛОГОВЫХ И ЦИФРОВЫХ СИГНАЛОВ
Рисунок 1. Способы обработки сигналов
Вообще, поскольку АЦП перемещен ближе к датчику, большая часть обработки аналогового сигнала теперь производится АЦП. Увеличение возможностей АЦП может выражаться в увеличении частоты дискретизации, расширении динамического диапазона, повышении разрешающей способности, отсечении входного шума, использовании входной фильтрации и программируемых усилителей (PGA), наличии источников опорного напряжения на кристалле и т.д. Все упомянутые дополнения повышают функциональный уровень и упрощают систему.
При наличии современных технологий производства ЦАП и АЦП с высокими частотами дискретизации и разрешающими способностями существенный прогресс достигнут в интеграции все большего числа цепей непосредственно в АЦП /ЦАП.
В сфере измерений, например, существуют 24-битные АЦП со встроенными программируемыми усилителями (PGA), которые позволяют оцифровывать полномасштабные мостовые сигналы 10 mV непосредственно, без последующей нормализации (например серия AD773x).
На голосовых и звуковых частотах распространены комплексные устройства кодирования-декодирования&nbp;— кодеки (Analog Front End, AFE), которые имеют встроенную в микросхему аналоговую схему, удовлетворяющую минимуму требований к внешним компонентам нормализации (AD1819B и AD73322).
Существуют также видео-кодеки (AFE) для таких задач, как обработка изображения с помощью ПЗС (CCD), и другие (например, серии AD9814, AD9816, и AD984X).
Пример реализации
В качестве примера использования DSP сравним аналоговый и цифровой фильтры низкой частоты (ФНЧ), каждый с частотой среза 1 кГц.
Цифровой фильтр реализован в виде типовой цифровой системы, показанной на рисунок 2. Обратите внимание, что в диаграмме принято несколько неявных допущений. Во -первых, чтобы точно обработать сигнал, принимается, что тракт АЦП /ЦАП обладает достаточными значениями частоты дискретизации, разрешающей способности и динамического диапазона. Во -вторых, для того, чтобы закончить все свои вычисления в пределах интервала дискретизации (1/f s), устройство ЦОС должно иметь достаточное быстродействие. В -третьих, на входе АЦП и выходе ЦАП сохраняется потребность в аналоговых фильтрах ограничения и восстановления спектра сигнала (anti-aliasing filter и anti-imaging filter), хотя требования к их производительности невелики. Приняв эти допущения, можно сравнить цифровой и аналоговый фильтры.
Рисунок 2. Структурная схема цифрового фильтра
Требуемая частота среза обоих фильтров — 1 кГц. Аналоговое преобразование реализуется первого рода шестого порядка (характеризуется наличием пульсаций коэффициента передачив полосе пропускания и отсутствием пульсаций вне полосы пропускания). Его характеристики представлены на рисунке 2. На практике этот фильтр может быть представлен тремя фильтрами второго порядка, каждый из которых построен на операционном усилителе и нескольких и конденсаторах. С помощью современных систем автоматизированного проектирования (САПР) фильтров создать фильтр шестого порядка достаточно просто, но чтобы удовлетворить техническим требованиям по неравномерности характеристики 0,5 дБ, требуется точный подбор компонентов.
Представленный же на рисунке 2 цифровой КИХ-фильтр со 129 коэффициентами имеет неравномерность характеристики всего 0,002 дБ в полосе пропускания, линейную фазовую характеристику и намного более крутой спад. На практике такие характеристики невозможно реализовать с использованием аналоговых методов. Другое очевидное преимущество схемы состоит в том, что цифровой фильтр не требует подбора компонентов и не подвержен дрейфу параметров, так как частота синхронизации фильтра стабилизирована кварцевым резонатором. Фильтр со 129 коэффициентами требует 129 операций умножения с накоплением (MAC) для вычисления выходного отсчёта. Эти вычисления должны быть закончены в пределах интервала дискретизации 1/fs, чтобы обеспечить работу в реальном масштабе времени. В этом примере частота дискретизации равна 10 кГц, поэтому для обработки достаточно 100 мкс, если не требуется производить существенных дополнительных вычислений. Семейство DSP ADSP-21xx может закончить весь процесс умножения с накоплением (и другие функции, необходимые для реализации фильтра) за один командный цикл. Поэтому фильтр со 129 коэффициентами требует быстродействия более 129/100 мкс = 1,3 миллиона операций с секунду (MIPS). Существующие DSP имеют намного большее быстродействие и, таким образом, не являются ограничивающим фактором для этих приложений. Быстродействие серии 16-разрядных ADSP-218x с фиксированной точкой достигает 75MIPS. В листинге 1 приведен ассемблерный код, реализующий фильтр на DSP процессорах семейства ADSP-21xx. Обратите внимание, что фактические строки исполняемого кода помечены стрелками; остальное — это комментарии.
Рисунок 3. аналогового и цифрового фильтров
Конечно, на практике имеется много других факторов, рассматриваемых при сравнительной оценке аналоговых и цифровых фильтров или аналоговых и цифровых методов обработки сигнала вообще. В современных системах обработки сигналов комбинируются аналоговые и цифровые методы реализации желаемой функции и используются преимущества лучших методов, как аналоговых, так и цифровых.
ПРОГРАММА НА АССЕМБЛЕРЕ:
FIR ФИЛЬТР ДЛЯ ADSP-21XX (ОДИНАРНАЯ ТОЧНОСТЬ)
MODULE fir_sub;
{ Подпрограмма КИХ фильтра
Параметры вызова подпрограммы
I0 --> Наиболее старые данные в линии задержки
I4 --> Начало таблицы коэффициентов фильтра
L0 = Длина фильтра (N)
L4 = Длина фильтра (N)
M1,M5 = 1
CNTR = Длина фильтра - 1 (N-1)
Возвращаемые значения
MR1 = Результат суммирования (округлённый и ограниченный)
I0 --> Наиболее старые данные в линии задержки
I4 --> Начало таблицы коэффициентов фильтра
Изменяемые регистры
MX0,MY0,MR
Время работы
(N - 1) + 6 cycles = N + 5 cycles
Все коэффициенты записаны в формате 1.15 }
.ENTRY fir;
fir: MR=0, MX0=DM(I0,M1), MY0=PM(I4,M5)
CNTR = N-1;
DO convolution UNTIL CE;
convolution: MR=MR+MX0*MY0(SS), MX0=DM(I0,M1), MY0=PM(I4,M5);
MR=MR+MX0*MY0(RND);
IF MV SAT MR;
RTS;
.ENDMOD;
ОБРАБОТКА СИГНАЛОВ В РЕАЛЬНОМ ВРЕМЕНИ
Литература:
Вместе со статьей "Виды сигналов" читают:
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.
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.
