В чём разница между дискретным и аналоговым сигналом: что общего, в чём отличие типов сигнала

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.

В статье охарактеризованы виды сигналов: дискретный, аналоговый и цифровой. Также коротко дана основная теория по описываемой теме.

Что такое диаграмма направленности антенны

Помимо чувствительности антенны, есть параметр, определяющий, в какой степени она способна фокусировать энергию. Он называется направленным усилением или направленностью, и являет собой отношение плотности излучения в заданном направлении к средней плотности излучения.

Графическая интерпретация этой характеристики представляет собой диаграмму направленности антенны. По своей сути это трёхмерная фигура, но для удобства работы её выражают в двух плоскостях, расположенных перпендикулярно друг к другу. Имея под рукой такую плоскую диаграмму и сопоставляя её с картой местности, можно спланировать зону приёма антенной аналогового видеосигнала. Также из этого графика можно извлечь ряд полезных практических характеристик телеантенны, таких как интенсивность бокового и обратного излучения и коэффициент защитного действия.

Применение цифрового сигнала

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.

Формы предоставления информации

Представляется информация в таких формах:

непрерывной;
дискретной.

Явления и объекты обладают характерными физическими величинами. Человека, к примеру, могут характеризовать:

рост;
вес;
давление тела;
температура и пр.

А в природе, в виде примера, можно обозначить циклон. Его характерные величины – количество выпадающих осадков, температура воздуха, скорость ветра и т. д.

То есть для физических величин характерен определённый диапазон. Характеризующие величины могут оказаться почти подобными. Однако они различаются, и количество значений, принимаемых определённой величиной, бесконечно в своём разнообразии.

Эти величины именуются непрерывными, как и та информация, что выражается с помощью подобных величин. Ее также называют непрерывной. Причём непрерывность – основное свойство таких величин. Другими словами, между значениями не может быть разрывов.

Примером может служить значение массы тела. Это величина непрерывная, так как показатель способен колебаться от величины, исходящей с начального значения 0, и до бесконечности.

Но существуют и другие величины, помимо непрерывных, обозначающие количество, к примеру, атомов в молекуле, спортсменов на стадионе и пр. Значения таких показателей – целые числа, а не дробные.

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.

Аналоговый сигнал

Аналоговый сигнал (континуальный) – естественный инфосигнал, имеющий некоторое число параметров, которые описываются временной функцией и беспрерывным множеством всевозможных значений.

Человеческие органы чувств улавливают всю информацию из окружающей среды в аналоговом виде. Например, если человек видит рядом проезжающий грузовик, то его движение наблюдается и изменяется непрерывно. Если бы мозг получал информацию о передвижении автотранспорта раз в 15 секунд, то люди всегда бы попадали под его колеса. Человек оценивает расстояние моментально, и в каждый временной момент оно определено и различно.

То же самое происходит и с иной информацией – люди слышат звук и оценивают его громкость, дают оценку качеству видеосигнала и тому подобное. Соответственно, все виды данных имеют аналоговую природу и постоянно изменяются.

На заметку.
Аналоговый и цифровой сигнал учувствует в передаче речи собеседников, которые общаются по телефону, сеть интернет работает на основе обмена этих каналов сигналов по сетевому кабелю. Такого рода сигналы имеют электрическую природу.

Аналоговый сигнал описывается математической временной функцией, похожей на синусоиду. Если совершить замеры, к примеру, температуры воды, периодически нагревая и охлаждая ее, то на графике функции будет отображена беспрерывная линия, которая отражает ее значение в каждый временной промежуток.

Во избежание помех такие сигналы требуется усиливать посредством специальных средств и приборов. Если уровень помех сигнала высокий, то и усилить его нужно сильнее. Этот процесс сопровождается большими затратами энергии. Усиленный радиосигнал, например, нередко сам может стать помехой для иных каналов связи.

Интересно знать.
Аналоговые сигналы ранее применялись в любых видах связи. Однако сейчас он повсеместно вытесняется или уже вытеснен (мобильная связь и интернет) более совершенными цифровыми сигналами.

Аналоговое и цифровое телевидение пока сосуществуют вместе, но цифровой тип телерадиовещания с большой скоростью сменяет аналоговый способ передачи данных из-за своих существенных преимуществ.

Для описания этого типа инфосигнала применяются три основных параметра:

частота;
протяженность волны;
амплитуда.

Недостатки аналогового сигнала

Аналоговый сигнал имеют нижеследующие свойства, в которых прослеживается их разница от цифрового варианта:

Этот вид сигналов характеризуется избыточностью. То есть аналоговая информация в них не отфильтрована – несут много лишних информационных данных. Однако пропустить информацию через фильтр возможно, зная дополнительные параметры и природу сигнала, например, частотным методом;
Безопасность. Он практически полностью беспомощен перед неавторизированными вторжениями извне;
Абсолютная беспомощность перед разнородными помехами. Если на канал передачи данных наложена любая помеха, то она будет в неизменном виде передана сигнальным приемником;
Отсутствие конкретной дифференциации уровней дискретизации – качество и количество передаваемой информации ничем не ограничивается.

Вышеприведенные свойства являются недостатками аналогового способа передачи данных, на основании которых можно считать его полностью себя изжившим.

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).

Аналоговая и цифровая электроника

Поскольку информация в аналоговой и цифровой электронике кодируется по-разному , то, следовательно, и способ обработки сигнала различается. Все операции, которые могут быть выполнены с аналоговым сигналом, такие как усиление , фильтрация , ограничение и другие, также могут быть дублированы в цифровой области. Каждая цифровая схема также является аналоговой схемой в том смысле, что поведение любой цифровой схемы можно объяснить, используя правила аналоговых схем.

Использование микроэлектроники сделало цифровые устройства дешевыми и широко доступными.

Шум

Влияние шума на аналоговую схему зависит от уровня шума. Чем выше уровень шума, тем сильнее искажается аналоговый сигнал, постепенно теряющийся в использовании. Из-за этого говорят, что аналоговые сигналы «плавно выходят из строя». Аналоговые сигналы могут по-прежнему содержать понятную информацию с очень высоким уровнем шума. Цифровые схемы, с другой стороны, вообще не подвержены влиянию шума до тех пор, пока не будет достигнут определенный порог, после чего они катастрофически откажутся. Для цифровых телекоммуникаций можно увеличить порог шума с помощью схем и алгоритмов кодирования с обнаружением и исправлением ошибок . Тем не менее, все еще есть момент, когда происходит катастрофический отказ канала.

В цифровой электронике, поскольку информация квантуется , пока сигнал остается внутри диапазона значений, он представляет ту же информацию. В цифровых схемах сигнал регенерируется на каждом логическом элементе , уменьшая или удаляя шум. В аналоговых схемах потеря сигнала может быть восстановлена с помощью усилителей . Тем не менее, шум является кумулятивным по всей системе , и сам усилитель добавит к шуму в зависимости от его шума .

Точность

На точность сигнала влияет ряд факторов, в основном шум, присутствующий в исходном сигнале, и шум, добавленный при обработке (см. Отношение сигнал / шум ). Фундаментальные физические ограничения, такие как дробовой шум в компонентах, ограничивают разрешение аналоговых сигналов. В цифровой электронике дополнительная точность достигается за счет использования дополнительных цифр для представления сигнала. Практический предел количества цифр определяется производительностью аналого-цифрового преобразователя (АЦП), поскольку цифровые операции обычно могут выполняться без потери точности. АЦП принимает аналоговый сигнал и преобразует его в серию двоичных чисел . АЦП может использоваться в простых цифровых устройствах отображения, например, термометрах или люксметрах, но он также может использоваться в цифровой звукозаписи и при сборе данных. Однако цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП) используется для преобразования цифрового сигнала в аналоговый. ЦАП принимает последовательность двоичных чисел и преобразует ее в аналоговый сигнал. Обычно в системе регулировки усиления операционного усилителя можно найти ЦАП, который, в свою очередь, может использоваться для управления цифровыми усилителями и фильтрами.

Сложность дизайна

Аналоговые схемы обычно сложнее проектировать, и для их концептуализации требуется больше навыков, чем для сопоставимых цифровых систем. Это одна из основных причин того, что цифровые системы стали более распространенными, чем аналоговые устройства. Аналоговая схема обычно разрабатывается вручную, и этот процесс гораздо менее автоматизирован, чем для цифровых систем. С начала 2000-х годов было разработано несколько платформ, которые позволяли определять аналоговый дизайн с помощью программного обеспечения, что позволяет быстрее создавать прототипы. Однако, если цифровое электронное устройство должно взаимодействовать с реальным миром, ему всегда потребуется аналоговый интерфейс. Например, каждый цифровой радиоприемник имеет аналоговый предусилитель в качестве первого каскада в цепи приема.

Виды сигналов

Имеется несколько видов, а также классификации уже имеющихся сигналов. Рассмотрим их.

Первый тип – это электрический сигнал, есть также оптический, электромагнитный и акустический. Имеется еще несколько подобных типов, однако они не являются популярными. Такая классификация происходит по физической среде.

По способу задания сигнала они разделяются на регулярные и нерегулярные. Первый вид имеет аналитическую функцию, а также детерминированный вид передачи данных. Случайные сигналы могут формироваться при помощи некоторых теорий из высшей математики, более того, они способны принимать многие значения в совершенно разные промежутки времени.

Виды передачи сигналов довольно разные, следует отметить, что сигналы по данной классификации разделяются на аналоговые, дискретные и цифровые. Нередко для обеспечения работы электрических приборов используются именно такие сигналы. Для того чтобы разобраться с каждым из вариантов, необходимо вспомнить школьный курс физики и немного почитать теории.

Цифровой сигнал

Цифровой сигнал является особым потоком данных, он описывается за счет дискретных функций. Его амплитуда может принять определенное значение из уже заданных. Если аналоговый сигнал способен поступать с огромным количеством шумов, то цифровой отфильтровывает большую часть полученных помех.

Помимо этого, такой вид передачи данных переносит информацию без лишней смысловой нагрузки. Через один физический канал может быть отправлено сразу несколько кодов.

Виды цифрового сигнала не существуют, так как он выделяется как отдельный и самостоятельный метод передачи данных. Он представляет собой двоичный поток. В наше время такой сигнал считается самым популярным. Это связано с простотой использования.

Параметры аналоговых сигналов

Аналоговые сигналы плавно и непрерывно изменяются во времени, поэтому их можно графически представить в виде плавной кривой (рис. 4.1).

В природе подавляющее большинство процессов принципиально аналоговые. Например, звук — это изменение давления воздуха, которое с помощью микрофона можно преобразовать в электрическое напряжение. Подавая это напряжение на вход осциллографа, можно увидеть график, аналогичный приведенному на рис. 4.1, т.е. можно проследить, как изменяется давление воздуха во времени.

Чтобы нагляднее представить себе аналоговую информацию, вспомните традиционный спидометр в автомобиле. Когда скорость автомобиля увеличивается, стрелка плавно проходит по шкале от одного числа к другому. Еще один пример — настройка на станцию в радиоприемнике: при повороте ручки принимаемая частота плавно изменяется.

Большинство аналоговых сигналов имеют циклический, или периодический характер, например радиоволны, представляющие собой колебания электромагнитного поля с высокой частотой. Такие циклические аналоговые сигналы принято характеризовать тремя параметрами.

Амплитуда. Максимальное или минимальное значение сигнала, т.е. высота волны.
Частота. Количество циклических изменений сигнала в секунду. Частота измеряется в герцах (Гц); 1 Гц — это один цикл в секунду.
Фаза. Положение волны относительно другой волны или относительно некоторого момента времени, служащего началом отсчета. Фазу принято измерять в градусах, причем считается, что полный цикл равен 360 градусам.

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:

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

Выводы сайт

Аналоговый сигнал непрерывен, цифровой — дискретен.
При передаче аналогового сигнала выше риск забивания канала помехами.
Аналоговый сигнал избыточен.
Цифровой сигнал фильтрует помехи и восстанавливает исходные данные.
Цифровой сигнал передается в зашифрованном виде.
Несколько цифровых сигналов можно послать вместо одного аналогового.

Очень часто мы слышим такие определения, как «цифровой» или «дискретный» сигнал, в чем его отличие от «аналогового»?

Суть различия в том, что аналоговый сигнал непрерывный во времени (голубая линия), в то время как цифровой сигнал состоит из ограниченного набора координат (красные точки). Если все сводить к координатам, то любой отрезок аналогового сигнала состоит из бесконечного количества координат.

Цифровая модуляция — это новая форма радиосигнала. Аналоговое вещание представляет собой непрерывный поток электрических сигналов, которые со временем меняются по интенсивности. Из-за электрического заряда сигнала аналоговые передачи легко мешают штормы и другие естественные нарушения в атмосфере. Тем не менее, аналоговый сигнал обычно обеспечивает какой-то сигнал, передающий по меньшей мере часть отправляемой информации, даже с помехами.

Цифровое оборудование не посылает непрерывный сигнал. Цифровой сигнал, состоящий из математического кода, отправляется в сегменты блока. Когда цифровой сигнал встречает помехи, весь сигнал теряется из-за разделенных блоков цифрового сигнала. Однако, когда сигнал присутствует, его легче настраивать, чем аналоговый сигнал из-за математической точности трансляции.

У цифрового сигнала координаты по горизонтальной оси расположены через равные промежутки времени, в соответствии с частотой дискретизации. В распространенном формате Audio-CD это 44100 точек в секунду. По вертикали точность высоты координаты соответствует разрядности цифрового сигнала, для 8 бит это 256 уровней, для 16 бит = 65536 и для 24 бит = 16777216 уровней. Чем выше разрядность (количество уровней), тем ближе координаты по вертикали к исходной волне.

Радиостанции работают над преобразованием в цифровой сигнал. Когда сигнал сильный, звук становится четким и четким. Однако, если сигнал слабый, он, вероятно, полностью потеряется. Цифровые карманные радиосистемы борются за ретрансляцию качественного звука, потому что цифровая система не может отличить фоновый шум от звука голоса, что является проблемой для персонала неотложной помощи. В контролируемой среде, такой как радиостанция, звуковые звуковые звуковые сигналы обеспечивают превосходное качество звука.

Однако технология может быть не готова для всех приложений. Хотя большинство людей считают аналоговые радиосигналы «старыми», они по-прежнему обладают большими преимуществами по сравнению с цифровыми. Аналоговые радиостанции могут расширить диапазон сигналов, просто включив питание, если это необходимо. Аналоговый радиосигнал также может выдавать истинный голос, поэтому громкоговоритель с громким фоновым шумом может быть услышан и понят.

Аналоговыми источниками являются: винил и аудиокассеты. Цифровыми источниками являются: CD-Audio, DVD-Audio, SA-CD (DSD) и файлы в WAVE и DSD форматах (включая производные APE, Flac, Mp3, Ogg и т.п.).

https://youtube.com/watch?v=7Gz77cb11bY

В чём разница между дискретным и аналоговым сигналом