Аналоговый сигнал: история, характеристики, отличия

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.

Аналоговый и цифровой сигнал. Типы сигналов и как это действует

Что такое аналоговый сигнал

Аналоговый сигнал – это любой непрерывный сигнал, для которого изменяющаяся во времени характеристика (переменная) является представлением некоторой другой изменяющейся во времени величины. Иначе говоря, это информация, которая непрерывно изменяется во времени.

В аналоговом звуковом сигнале мгновенное напряжение непрерывно поменяется в зависимости от давления звуковых волн. Он имеет отличия от цифрового сигнала, где перманентная величина представляет собой последовательность дискретных значений. Такая величина может принимать только одно из конечного числа значений.

Термин аналоговый сигнал обычно относится к электрическим сигналам. Тем не менее, механические, гидравлические, пневматические, человеческая речь, а также иные системы могут передавать или рассматриваться как аналоговые сигналы.

Примером аналогового сигнала может служить восприятие человеческим мозгом проезжающего автомобиля. В случае, если бы его положение менялось каждые 5 секунд, аварии было бы не избежать.

Аналоговый тип сигнала непосредственно подвергается воздействию электронных шумов и искажений. Они привносятся каналами связи и операциями обработки сигналов. Они запросто могут ухудшать отношение сигнал/шум (ОСШ). Напротив, цифровые сигналы обладают конечным разрешением. Преобразование аналогового сигнала в цифровую форму вносит в сигнал низкоуровневый шум квантования. В цифровой форме сигнал может быть обработан или передан без внесения значительного дополнительного шума или искажений. В аналоговых системах трудно обнаружить, когда случается такое ухудшение. Тем не менее в цифровых системах отклонения и ухудшения могут не только обнаружиться, но и исправляться.

Самым серьёзным минусом аналоговых сигналов по сравнению с цифровой передачей является то, что аналоговый тип сигнала всегда содержит шум. По мере того, как сигнал передается, обрабатывается или копируется, неизбежно наличие шума, который проникает в путь прохождения сигнала. Будет происходить накопление шума как потери при генерации сигнала, постепенно и необратимо ухудшая отношение сигнал/шум. Это будет до тех пор, пока в крайних случаях сигнал не будет перегружен. Шум может проявляться как «шипение» и интермодуляционные искажения в аудиосигналах или «снег» в видеосигналах. Потери при генерации сигнала необратимы, поскольку нет надежного способа отличить шум от сигнала, отчасти потому, что усиление сигнала для восстановления ослабленных частей сигнала также усиливает шум.

Шумы аналоговых сигналов можно минимизировать благодаря экранированию, надежному подключению и использованию кабелей определенных типов, как коаксиальная или витая пара.

Любой тип информации может передаваться аналоговым сигналом. Нередко такой сигнал является измеренным откликом на изменения физических явлений, таких как звук, свет, температура, давление или положение. Физическая переменная преобразуется в аналоговый сигнал через преобразователь. К примеру, звук, который падает на диафрагму микрофона, вызывает соответствующие колебания тока. Ток генерируется катушкой в электромагнитном микрофоне. Это также может быть напряжение, которое создаётся конденсаторным микрофоном. Напряжение или ток называются «аналогом» звука.

Что такое цифровой сигнал

Цифровой сигнал – это сигнал, используемый для передачи данных в виде последовательности дискретных (прерывных) значений. Иначе говоря, в любой момент времени он может принимать только одно из конечного числа значений. Это и является одним из отличий от аналогового типа сигнала.

Несложные цифровые сигналы представляют информацию в дискретных полосах аналоговых уровней. Любой уровень в пределах диапазона значений имеет одно и то же информационное состояние. В большинстве цифровых цепей такой сигнал может иметь два возможных значения: двоичное и логическое.  Они представлены двумя группами: одна вблизи опорного значения (обычно называется нулевыми вольтами). Другая вблизи напряжения питания.

Они соответствуют двум значениям ноль и один логического домена. Исходя из этого, в любой момент времени двоичный сигнал является одной двоичную цифру (бит). Из-за этой дискретизации относительно небольшие изменения уровней аналогового сигнала могут оставить дискретную огибающую. В результате схема игнорирует измерения состояния сигнала. Итого цифровые сигналы имеют устойчивость к помехам. Электронный шум, если он не слишком велик, не повлияет на цифровые схемы, тогда как шум всегда в значительной степени ухудшает качество аналоговых сигналов.

Иногда используются цифровые сигналы, которые обладают двумя состояниями (режимами работы). Они имеют название двухзначная логика. Сигналы, которые же могут принимать три возможных состояния, называются трехзначной логикой.

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.

Для чего обрабатывается сигнал

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.

Создание и формирование

Для создания непрерывного потока используют такое специальное оборудование, как генераторы. Собирают их, используя различные транзисторы (полевые и биполярные), трансформаторы.

Динамический диапазон

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.

Применение цифрового сигнала

Чем же отличается цифровой электрический сигнал от других? Тем, что он способен совершать в ретрансляторе полную регенерацию. Когда в оборудование связи поступает сигнал, имеющий малейшие помехи, он сразу же меняет свою форму на цифровую. Это позволяет, например, телевышке снова сформировать сигнал, но уже без шумового эффекта.

В том случае, если код поступает уже с большими искажениями, то, к сожалению, восстановлению он не подлежит. Если брать в сравнении аналоговую связь, то в аналогичной ситуации ретранслятор может извлечь часть данных, затрачивая много энергии.

Обсуждая сотовую связь разных форматов, при сильном искажении на цифровой линии разговаривать практически невозможно, так как не слышны слова или целые фразы. Аналоговая связь в таком случае более действенна, ведь можно продолжать вести диалог.

Именно из-за подобных неполадок цифровой сигнал ретрансляторы формируют очень часто для того, чтобы сократить разрыв линии связи.

Дискретный сигнал

Сейчас каждый человек пользуется мобильным телефоном или какой-то «звонилкой» на своем компьютере. Одна из задач приборов или программного обеспечения – это передача сигнала, в данном случае голосового потока. Для переноса непрерывной волны необходим канал, который имел бы пропускную способность высшего уровня. Именно поэтому было предпринято решение использовать дискретный сигнал. Он создает не саму волну, а ее цифровой вид. Почему же? Потому что передача идет от техники (например, телефона или компьютера). В чем плюсы такого вида переноса информации? С его помощью уменьшается общее количество передаваемых данных, а также легче организуется пакетная отправка.

Понятие «дискретизация» уже давно стабильно используется в работе вычислительной техники. Благодаря такому сигналу передается не непрерывная информация, которая полностью закодирована специальными символами и буквами, а данные, собранные в особенные блоки. Они являются отдельными и законченными частицами. Такой метод кодировки уже давно отодвинулся на второй план, однако не исчез полностью. С помощью него можно легко передавать небольшие куски информации.

Сравнение цифрового и аналогового сигналов

Сигнал радиостанции телецентра или мобильной связи может передаваться в цифровой и аналоговой форме. Например звук и изображение, это аналоговые сигналы. Микрофон и камера воспринимают окружающую действительность и преобразуют в электромагнитные колебания. Частота колебаний на выходе зависит от частоты звука и света, а амплитуда передачи от громкости и яркости.

Изображение и звук, преобразованные в электромагнитные колебания распространяются в пространство передаточной антенной. В приемнике идёт обратный процесс — электромагнитных колебаний в звук и видео.

Распространению электромагнитных колебаний в эфире препятствуют облака, грозы, рельеф местности, промышленные электронаводки, солнечный ветер и прочие помехи. Частота и амплитуда нередко искажаются и сигнал от передатчика к приемнику приходит с изменениями.

Голос и изображение аналогового сигнала воспроизводятся с искажениями, вызванными помехами, а фоном воспроизводится шипение, хрипы и цветовое искажение. Чем хуже прием, тем отчетливее эти посторонние эффекты. Но если сигнал дошёл, его хоть как то видно и слышно.

При цифровой передаче изображение и звук перед трансляцией в эфир оцифровываются и до приёмника доходят без искажений. Влияние посторонних факторов минимально. Звук и цвет хорошего качества либо их нет вовсе. Сигнал гарантированно поступает на определенное расстояние. Но для дальней передачи необходим ряд ретрансляторов. Поэтому для передачи сотового сигнала антенны ставят как можно ближе друг к другу.

 

Наглядным примером отличия двух типов сигналов может служить сравнение старой проводной телефонной и современной сотовой связи.

Проводная телефония не всегда хорошо работает даже в пределах одного населённого пункта. Звонок на другой конец страны это испытание голосовых связок и слуха. Нужно докричаться и прислушаться к ответу. Шумы и помехи отфильтровываем ушами, недостающие и искаженные слова додумываем сами. Хоть и плохой звук, но есть.

Звук в сотовой связи отлично слышно даже с другого полушария. Оцифрованный сигнал передаётся и принимается без искажений. Но и он не без изъянов. Если случаются сбои, то звук не слышен вовсе. Выпадают буквы, слова и целые фразы. Хорошо, что это бывает редко.

Примерно то же самое с аналоговым и цифровым телевидением. Аналоговое использует сигнал подверженный помехам, ограниченного качества и уже исчерпало возможности развития. Цифровое не искажается, обеспечивает звук и видео отличного качества, постоянно совершенствуется.

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.

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:

1. Измерение через определенные интервалы времени амплитуды напряжения.
2. Сравнение с эталоном и формирование данных.
3. 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.

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:

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.

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.