Аналоговый и цифровой сигнал. типы сигналов и как это действует

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.

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.

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:

1. Аналоговый подвержен помехам и поступает с искажениями. В то время как цифровой доходит полностью без искажений или отсутствует вовсе.
2. Принять или перехватить аналоговое вещание может любой приёмник такого принципа. Дискретная передача адресована конкретному адресату, кодируется и мало доступна к перехвату.
3. 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.

Раздел 3 ПДД

По правилам ПДД, спецсигналы могут использовать только соответствующие службы. Это описывается в разделе 3 правил дорожного движения.

В пункте 3.1 раздела говорится о том, какие отступления от ПДД допускаются водителями спецмашин с работающим синим проблесковым маячком. Им разрешено отходить от правил ДД только при выполнении служебных заданий. Однако даже они не могут игнорировать требования регулировщика и выполнения некоторых других правил.

Чтобы получить преимущество перед остальными участниками ДД, водители спецмашин обязаны включать специальное звуковое оповещение и синий проблесковый маячок. Это же правило используют шоферы, имеющие нанесенные специальные цветографические изображения и движущиеся с рабочим проблесковым маячком сине-красного цвета и звуковым сигналом.

В пункте 3.2 говорится, что все участники движения, услышав звуки и увидев сигнальные огни, должны уступить дорогу для беспрепятственного проезда спецтехники и сопровождающих машин.

Запрещается выполнять обгон транспорта, на который нанесены на наружные поверхности специальные цветографические знаки и у которого включен проблесковый сине-красный маячок и особый звуковой сигнал.

Пункт 3.3 описывает, как должен вести себя водитель на дороге, встретив автомобиль с включенным сине-красным маячком. По ПДД, необходимо снизить скорость и по требованию сотрудников госинспекции остановиться.

Водители ТС, перевозящие крупногабаритные грузы и на которые установлены проблесковые маячки желто-оранжевого цвета, могут отклоняться от требований знаков, дорожной разметки, но при условии сохранения безопасности движения на дорогах.

Водители транспортного средства с бело-лунным проблесковым маяком не имеют никаких преимуществ перед другими ТС. Они могут включать маячок и специальный звуковой сигнал только для привлечения внимания при нападении на транспорт.

Подробнее о применении специальных сигналов рассказывается в видео.

Встречая транспорт с работающим звуковым сигналом и маячком, другие участники ДД обязаны уступить дорогу. При этом не должны создаваться опасные ситуации для остальных водителей. Исходя из этого, спецтранспорту разрешается перестраиваться с несоблюдением ПДД и совершать различные маневры, но не нарушая безопасности дорожного движения.

Каналы передачи информации

Обычно под этим термином понимаются комплексы технических средств, задействованных в передаче данных от источника к приемнику, а также среда между ними. Структура такого канала, использующая типовые средства передачи информации, представлена следующей последовательностью преобразований:

ИИ – ПС – (КИ) – КК – М – ЛПИ – ДМ – ДК – ДИ — ПС

Здесь:

• ИИ – источник информации: человек либо иное живое существо, книга, документ, изображение на неэлектронном носителе (холст, бумага) и т.д.

• ПС – преобразователь информсообщения в информсигнал, выполняющий первую стадию передачи данных. В качестве ПС могут выступать микрофоны, теле- и видеокамеры, сканеры, факсы, клавиатуры ПК и т. д.

• КИ – кодер информации в информсигнале для сокращения объема (сжатия) информации с целью повысить скорость ее передачи или сократить полосу частот, требуемую для передачи. Данное звено необязательно, что показано скобками.

• КК – канальный кодер для повышения помехозащищённости информсигнала.

• М – сигнальный модулятор для изменения характеристик промежуточных сигналов-носителей в зависимости от величины информсигнала. Типичный пример – амплитудная модуляция сигнала-носителя высокой несущей частоты в зависимости от величины низкочастотного информсигнала.

• ЛПИ – линия передачи информации, представляющая совокупность физической среды (например, электромагнитное поле) и технических средств для изменения ее состояния с целью передачи сигнала-носителя к приемнику.

• ДМ – демодулятор для отделения информсигнала от сигнала-носителя. Присутствует только при наличии М.

• ДК – канальный декодер для выявления и/или исправления ошибок в информсигнале, возникших на ЛПИ. Присутствует только при наличии КК.

• ДИ – декодер информации. Присутствует только при наличии КИ.

• ПИ – приемник информации (компьютер, принтер, дисплей и т. д.).

Если передача информации двусторонняя (канал дуплексный), то по обе стороны ЛПИ имеются блоки-модемы (МОдулятор-ДЕМодулятор), объединяющие в себе звенья М и ДМ, а также блоки-кодеки (КОдер-ДЕКодер), объединяющие кодеры (КИ и КК) и декодеры (ДИ и ДК).

В чем суть модуляции?[править]

Возьмем высокочастотное колебание. Само по себе оно не несет никакой информации. Его мы будем использовать в качестве основного компонента передаваемого сигнала. Частоту этого колебания называют несущей.
Для того, чтобы начать передавать полезную информацию, нам нужно каким-нибудь образом видоизменить несущую частоту так, чтобы она повторяла закономерности сигнала, который мы хотим передать. Иными словами, нам нужно сделать так, чтобы она несла информацию о нашем полезном сигнале.
Это самое видоизменение называется модуляцией.
Модуляция осуществляется с помощью модулятора со стороны отправителя, а с помощью демодулятора на стороне получателя высокочастотный сигнал преобразуется обратно в низкочастотный. Они собраны в одно устройство под названием модем, которое получилось благодаря слиянию слов МОдулятор и ДЕМодулятор.
Есть разные принципы модуляции, некоторые из которых рассмотрим ниже.
Самым древним методом модуляции можно назвать прерывание несущей частоты, которое использовалось в телеграфах. Этот метод, конечно, нельзя назвать в полной мере модуляцией, но тем не менее о нем нельзя не упомянуть в данной теме.

Виды модуляцииправить

Теперь рассмотрим более формальные определения.

Определение:

Модуляцией называется процесс изменения одного или нескольких параметров высокочастотного несущего колебания по закону низкочастотного информационного сигнала.

Определение:

Модулирующий сигнал — сигнал, хранящий передаваемую информацию.

Определение:

Несущий сигнал — сигнал, выполняющий роль переносчика информации.

Определение:

Модулированный сигнал — сигнал, получающийся после посадки модулирующего сигнала на несущий сигнал.

Несущий сигнал

Фиксированный уровень	Гармонический сигнал	Импульсы
Прямая модуляция	Аналоговая модуляция	Импульсная модуляция
	Цифровая модуляция

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

Приняли сигнал с частотой, который отличается от той, которую мы передали. Это дало информацию о скорости объекта. Доплеровский сдвиг частоты появляется, когда у нас либо приемник, или передатчик, двигаются относительно друг друга. Либо двигается отражающая среда, передатчик излучил, радиосигнал отразился от какого-то объекта, если этот объект тоже двигается, то возникает доплеровский сдвиг частоты. Более подробно читайте полную статью “Доплеровский сдвиг частоты”. 

Замирания сигнала

Замирания сигнала это процесс, когда у сигнала, случайным образом скачет амплитуда и фаза. То больше амплитуда, то меньше. Выделяют:

Быстрые замирания (интерференционное замирание) — накладывание собственных копий сигнала от переотражений с разными фазами. Вызываются многолучевым распространением сигнала. 

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.  

Медленные замирания (затенение) – возникновение препятствий на пути следования радиоволны. Если радиоволна распространяется в пространстве и встречает препятствия, причем эти препятствия то появляются, то исчезают. 

На рисунке ниже представлен характер изменения амплитуды сигнала от времени. Сплошной линией показаны быстрые замирания, пунктирной медленные. Медленные замирания происходят из за затенения, быстрые из-за многолучевого распространения. Получается, что амплитуда постоянно скачет на десятки дБ. 

Линейные искажения

Канал связи всегда имеет АЧХ и ФЧХ. Какие-то частоты он усиливает, какие-то ослабляет, фаза где-то поворачивается в одну сторону, где-то в другую это и есть линейные искажения. 

Если мы хотим сделать модель канала связи, то чем больше этих параметров мы учтем, тем точнее будет эта модель. 

Что такое сигнал

Сигнал – это некоторый физический процесс, параметры которого изменяются в соответствии с передаваемым сообщением. Пример – электрический сигнал, радиосигнал, как частный случай электромагнитного сигнала, акустический сигнал, оптический и т.д. В зависимости от того, в какой среде идет распространение сигнала. Сигнал – это материальный носитель информации.

Обычно сигнал, независимо от его физической природы, представляют, как некоторую функцию времени x(t). Такое представление есть общепринятая математическая абстракция физического сигнала. 

Типы сигналов

Детерминированный, или регулярный – это сигнал, закон изменения которого известен и известны все его параметры. 

Такой сигнал передает информацию? Информация уменьшает неопределенность. В детерминированном сигнале мы знаем все, мы знаем какой он будет через минуту, через год. Детерминированный сигнал информацию в себе никакую не несет. Например, сигнал с гетеродина, мы сами его сформировали, задали частоту, амплитуду, фазу. 

Квазидетерминированный — это сигнал, закон изменения которого известен, но один или несколько параметров является случайной величиной. 

Пример: x(t)=Asin(wt+j), где амплитуда А и j — случайная величина.

Например, мы знаем его частоту, но не знаем амплитуду и фазу — это квазидетерминированный сигнал, “квази”-почти, почти определенный сигнал. Информация вносит некоторую случайность. Если мы знаем амплитуду, частоту и фазу, значит информации там нет. Квазидетерминированный сигнал передает информацию, передача информации идет в тех параметрах, которые случайны, в нашем примере амплитуда и фаза случайные величины. Именно в этих величинах передается информация. Информация всегда несет в себе хаос, случайность. Все модулированные сигналы, ЧМ, ФМ это квазидетерминированные сигналы.       

Случайным называют сигнал, мгновенные значения которого не известны, а могут быть лишь предсказаны с некоторой вероятностью.

Кроме этого все сигналы могут быть непрерывными (аналоговыми) и дискретными (цифровыми или импульсными).

О случайном сигнале мы можем судить о его вероятностных характеристиках. Мы можем знать его плотность вероятности, но какое значение примет сигнал через секунду, минуту мы не знаем. Когда мы работаем со случайным сигналом, мы всегда работаем с вероятностью. 

Параметры сигналов

Какие параметры мы будем использовать? Это энергия за некоторый интервал времени T. X(t) это сам сигнал, чтобы определить энергию мы должны взять по модулю, возвести в квадрат, проинтегрировать на некотором промежутке времени и получим энергию. 

Средняя мощность за некоторое время t. Это энергия деленная на время.

Мгновенная мощность, если средняя мощность измеряется на некотором участке времени, то мгновенная измеряется в один, конкретный момент времени. 

Средняя мощность измеряется на промежутке времени, а мгновенная в точке. 

Спектральная плотность энергии и мощности

Спектральная плотность сигнала характеризует распределение энергии или мощности сигнала по диапазону частот. Спектральная плотность энергии, это как у нас энергия распределяется по частотному диапазону. Вычисляется через преобразование Фурье. 

И соответственно, СПМ это, как у нас распределяется мощность по частотному диапазону. 

В формуле, модуль в квадрате это спектральная плотность энергии, поделили ее на время T и по определению, время T должно стремиться к бесконечности. Но на практике, никто не ждет бесконечности, все оценивают СПМ на некотором интервале времени. 

СПМ это некоторая функция зависящая от частоты. По шкале СПМ возьмем 10 Вт/Гц, и окрестности в 1 Гц по частоте. То в полосе 1 Гц будет заключено 10 Вт мощности. 

Есть два сигнала и представлены их спектральные плотности мощности. ВОПРОС. Мощность какого сигнала больше? 

Мы должны определить площадь под кривой, проинтегрировать. S1=2*10=20 Вт, S2=1*30=30 Вт. В первом случае S1 имеет мощность 20 Вт, а во втором 30 Вт. 

СПМ реального сигнала, отображаемая на спектральном анализаторе.

Современные анализаторы спектра могут считать автоматически площадь, вы включаете определение мощности, задаете частотный интервал в котором он должен измерить эту мощность и он сам вычисляет канальную мощность сигнала. 

Информационные сообщения

Сообщение – это некое описание явления или объекта, выраженное в виде совокупности данных, имеющей признаки начала и конца. Некоторые сообщения, например, речь и музыка, представляют собой непрерывные функции времени звукового давления. При телеграфной связи сообщение – это текст телеграммы в виде буквенно-цифровой последовательности. Телевизионное сообщение – это последовательность сообщений-кадров, которые «видит» объектив телекамеры и фиксирует их с частотой следования кадров. Подавляющая часть передаваемых в последнее время через системы передачи информации сообщений представляют собой числовые массивы, текстовые, графические, а также аудио- и видеофайлы.

Пространства

Различают два пространства сигналов — пространство L (непрерывные сигналы), и пространство l (L малое) — пространство последовательностей.

Пространство l (L малое) есть пространство коэффициентов Фурье (счётного набора чисел, определяющих непрерывную функцию на конечном интервале области определения), пространство L — есть пространство непрерывных по области определения (аналоговых) сигналов.

При некоторых условиях, пространство L однозначно отображается в пространство l (например, первые две теоремы дискретизации Котельникова).

Аналоговые сигналы описываются непрерывными функциями времени, поэтому аналоговый сигнал иногда называют континуальным сигналом. Аналоговым сигналам противопоставляются дискретные (квантованные, цифровые). Примеры непрерывных пространств и соответствующих физических величин:

• прямая: электрическое напряжение
• окружность: положение ротора, колеса, шестерни, стрелки аналоговых часов, или фаза несущего сигнала
• отрезок: положение поршня, рычага управления, жидкостного термометра или электрический сигнал, ограниченный по амплитуде
• различные многомерные пространства: цвет, квадратурно-модулированный сигнал.

Классификация сигналов

По физической природе носителя информации:

• электрические;
• электромагнитные;
• оптические;
• акустические

и другие;

По способу задания сигнала:

• регулярные (детерминированные), заданные аналитической функцией;
• нерегулярные (случайные), принимающие произвольные значения в любой момент времени. Для описания таких сигналов используется аппарат теории вероятностей.

В зависимости от функции, описывающей параметры сигнала, выделяют:

• непрерывные (аналоговые),
• непрерывно-квантованные,
• дискретно-непрерывные и
• дискретно-квантованные сигналы.

Непрерывный (аналоговый) сигнал

Аналоговый сигнал

Основная статья: Аналоговый сигнал

Большинство сигналов имеют непрерывную зависимость от независимой переменной (например, изменяются непрерывно во времени) и могут принимать любые значения на некотором интервале. «Сигналы в непрерывном времени и с непрерывным диапазоном амплитуд также называются аналоговыми сигналами». Аналоговые сигналы (АС) оказывается возможным описать некоторой непрерывной математической функцией времени.

Пример АС — гармонический сигнал: s(t) = A·cos(ω·t + φ).

Аналоговые сигналы используются в телефонии, радиовещании, телевидении. Ввести такой сигнал в цифровую систему для обработки невозможно, так как на любом интервале времени он может иметь бесконечное множество значений, и для точного (без погрешности) представления его значения требуются числа бесконечной разрядности. Поэтому очень часто необходимо преобразовывать аналоговый сигнал так, чтобы можно было представить его последовательностью чисел заданной разрядности.

Среди экспертов существует мнение, что термин «аналоговый сигнал» следует считать неудачным и устаревшим, а вместо него следует использовать термин «непрерывный сигнал».

Дискретно-непрерывный (дискретный) сигнал

Дискретный сигнал

Основная статья: Частота дискретизации

«Дискретные сигналы (сигналы в дискретном времени) определяются в дискретные моменты времени и представляются последовательностью чисел».

Дискретизация аналогового сигнала состоит в том, что сигнал представляется в виде последовательности значений, взятых в дискретные моменты времени t_i (где i — индекс). Обычно промежутки времени между последовательными отсчётами (Δt_i = t_i − t_i−1) постоянны; в таком случае, Δt называется интервалом дискретизации. Сами же значения сигнала x(t) в моменты измерения, то есть x_i = x(t_i), называются отсчётами.

Непрерывно-квантованный сигнал

Квантованный сигнал

Основные статьи: Квантование (обработка сигналов) и Разрядность

При квантовании вся область значений сигнала разбивается на уровни, количество которых должно быть представлено в числах заданной разрядности. Расстояния между этими уровнями называется шагом квантования Δ. Число этих уровней равно N (от 0 до N−1). Каждому уровню присваивается некоторое число. Отсчёты сигнала сравниваются с уровнями квантования и в качестве сигнала выбирается число, соответствующее некоторому уровню квантования. Каждый уровень квантования кодируется двоичным числом с n разрядами. Число уровней квантования N и число разрядов n двоичных чисел, кодирующих эти уровни, связаны соотношением n ≥ log₂(N).

В соответствии с ГОСТ 26.013-81, такие сигналы обозначены термином «многоуровневый сигнал».

Дискретно-квантованный (цифровой) сигнал

Цифровой сигнал

Основная статья: Цифровой сигнал

К цифровым сигналам относят те, у которых дискретны как независимая переменная (например, время), так и уровень.

Для того, чтобы представить аналоговый сигнал последовательностью чисел конечной разрядности, его следует сначала превратить в дискретный сигнал, а затем подвергнуть квантованию. Квантование является частным случаем дискретизации, когда дискретизация происходит по одинаковой величине, называемой квантом. В результате сигнал будет представлен таким образом, что на каждом заданном промежутке времени известно приближённое (квантованное) значение сигнала, которое можно записать целым числом. Последовательность таких чисел и будет являться цифровым сигналом.