Astăzi vom încerca să ne dăm seama ce sunt semnalele analogice și digitale? Avantajele și dezavantajele lor. Nu vom arunca diverși termeni și definiții științifice, ci vom încerca să înțelegem situația pe degete.
Ce este un semnal analogic?
Un semnal analogic se bazează pe analogia unui semnal electric (valorile curentului și tensiunii) cu valoarea semnalului original (culoarea pixelilor, frecvența și amplitudinea sunetului etc.). Acestea. anumite valori ale curentului și tensiunii corespund transmiterii unei anumite culori a unui pixel sau a unui semnal audio.
Voi da un exemplu pe un semnal video analogic.
Tensiunea de pe fir de 5 volți corespunde cu albastru, 6 volți cu verde, 7 volți cu roșu.
Pentru ca pe ecran să apară dungi roșii, albastre și verzi, pe cablu trebuie aplicați alternativ 5, 6, 7 volți. Cu cât schimbăm mai repede tensiunea, cu atât benzile sunt mai subțiri pe monitorul nostru. Prin reducerea la minimum a intervalului dintre schimbările de tensiune, nu vom mai obține dungi, ci puncte colorate care alternează unul după altul.
O caracteristică importantă a semnalului analogic este faptul că este transmis strict de la emițător la receptor (de exemplu, de la antenă la televizor), nu există feedback. Prin urmare, dacă interferența interferează cu transmisia semnalului (de exemplu, patru volți vin în loc de șase), culoarea pixelului va fi distorsionată și pe ecran vor apărea ondulații.
Semnalul analogic este continuu.
Ce este un semnal digital?
Transmiterea datelor se realizează și folosind un semnal electric, dar există doar două valori ale acestor semnale și acestea corespund la 0 și 1. Adică. peste fire se transmite o succesiune de zerouri si unu. Cam așa: 01010001001 etc. Pentru ca dispozitivul de recepție (de exemplu, un televizor) să nu se încurce în datele transmise, numerele sunt transmise în loturi. Se întâmplă astfel: 10100010 10101010 10100000 10111110. Fiecare astfel de pachet conține anumite informații, de exemplu, culoarea unui pixel. O caracteristică importantă a unui semnal digital este că dispozitivele de transmisie și de recepție pot comunica între ele și pot corecta reciproc erorile care pot apărea în timpul transmisiei.
Exemple de transmisie de semnal digital și analogic
Pentru un semnal digital, transmisia merge cam așa:
- Interferență: AAAAAAAAAAAAAA!
- TV: Ce? Nu pot auzi!
- VCR: Verde!
- TV: Da, am înțeles! Desenez verde.
- TV: Vă rugăm să confirmați că culoarea este roșie.
- VCR: Confirm.
- TV: Bine! Desenez.
Transmisie pentru semnal analogic:
- VCR: Hei, televizor, culoarea pixelului de 120x300 este verde.
- Interferență: AAAAAAAAAAAAAA!
- TV: Ce? Nu pot auzi! La naiba, voi desena albastru.
- VCR: Următoarea culoare este roșu!
- Interferență: BOOM! BOOM!
- TV: Roșu ca! Desenez.
- VCR: Lopata!
- Interferență: PSHSHSHSHSH!
- Televiziune:?!. Trebuie să desenezi ceva? Să fie o lopată!
Avantajele și dezavantajele semnalelor digitale și analogice
Din cele de mai sus, putem concluziona că, ceteris paribus, calitatea transmiterii informațiilor folosind un semnal digital va fi mai mare decât în cazul unei reprezentări analogice a semnalului. În același timp, cu o bună imunitate la zgomot, cele două tehnologii pot concura pe picior de egalitate.
Semnal informativ - un proces fizic care are pentru o persoană sau un dispozitiv tehnic informativ sens. Poate fi continuu (analogic) sau discret
Termenul „semnal” este foarte des identificat cu conceptele de „date” (date) și „informații” (informații). Într-adevăr, aceste concepte sunt interdependente și nu există unele fără altele, ci aparțin unor categorii diferite.
Semnal este o funcție de informare care poartă un mesaj despre proprietățile fizice, starea sau comportamentul oricărui sistem fizic, obiect sau mediu, iar scopul procesării semnalului poate fi considerat a fi extragerea anumitor informații care sunt afișate în aceste semnale (pe scurt - informații utile sau țintă) și informații de transformare într-o formă ușor de citit și utilizat.
Informațiile sunt transmise sub formă de semnale. Un semnal este un proces fizic care transportă informații. Semnalul poate fi sonor, luminos, sub formă de trimitere poștală etc.
Semnalul este un purtător material de informații care este transmis de la sursă la consumator. Poate fi discret și continuu (analogic)
semnal analog- un semnal de date în care fiecare dintre parametrii reprezentativi este descris printr-o funcție de timp și un set continuu de valori posibile.
Semnalele analogice sunt descrise prin funcții continue ale timpului, motiv pentru care un semnal analogic este uneori denumit semnal continuu. Semnalele analogice sunt opuse celor discrete (cuantizate, digitale).
Exemple de spații continue și mărimi fizice corespunzătoare: (linie dreaptă: tensiune electrică; cerc: poziția unui rotor, roată, roată dințată, ceas analogic sau faza unui semnal purtător; segment de linie: poziția unui piston, pârghie de comandă, lichid termometru, sau semnal electric limitat în amplitudine diferite spații multidimensionale: culoare, semnal modulat în cuadratura.)
Proprietățile semnalelor analogice sunt în mare măsură opusul proprietăților de cuantizat sau digital semnale.
Absența nivelurilor de semnal discrete care se pot distinge clar unele de altele face imposibilă aplicarea conceptului de informație la descrierea acesteia în forma în care este înțeleasă în tehnologiile digitale. „cantitatea de informații” conținută într-o citire va fi limitată doar de intervalul dinamic al instrumentului de măsurare.
Fără redundanță. Din continuitatea spațiului valoric rezultă că orice interferență introdusă în semnal nu se poate distinge de semnalul în sine și, prin urmare, amplitudinea inițială nu poate fi restabilită. De fapt, filtrarea este posibilă, de exemplu, prin metode de frecvență, dacă se cunosc informații suplimentare despre proprietățile acestui semnal (în special, banda de frecvență).
Aplicație:
Semnalele analogice sunt adesea folosite pentru a reprezenta mărimi fizice în continuă schimbare. De exemplu, un semnal electric analogic preluat de la un termocuplu poartă informații despre o modificare a temperaturii, un semnal de la un microfon despre schimbările rapide de presiune într-o undă sonoră și așa mai departe.
semnal discret este compus dintr-o mulțime numărabilă (adică o astfel de mulțime ale cărei elemente pot fi numărate) de elemente (se spune - elemente informaționale). De exemplu, semnalul „cărămidă” este discret. Se compune din următoarele două elemente (aceasta este caracteristica sintactică a acestui semnal): un cerc roșu și un dreptunghi alb în interiorul unui cerc situat orizontal în centru. Este prezentată sub forma unui semnal discret informația pe care cititorul le stăpânește acum. Se pot distinge următoarele elemente: secțiuni (de exemplu, „Informații”), subsecțiuni (de exemplu, „Proprietăți”), paragrafe, propoziții, fraze individuale, cuvinte și caractere individuale (litere, cifre, semne de punctuație etc.). Acest exemplu arată că, în funcție de pragmatica semnalului, se pot distinge diferite elemente de informare. Într-adevăr, pentru o persoană care studiază informatica într-un text dat, elementele informaționale mai mari sunt importante, cum ar fi secțiuni, subsecțiuni, paragrafe individuale. Ele îi permit să navigheze mai ușor în structura materialului, să-l absoarbă mai bine și să se pregătească pentru examen. Pentru cel care a pregătit acest material metodologic, pe lângă elementele de informare indicate, sunt importante și cele mai mici, de exemplu, propoziții separate, cu ajutorul cărora se enunță cutare sau cutare gând și care implementează una sau alta metodă de accesibilitate a materialul. Setul celor „mai mici” elemente ale unui semnal discret se numește alfabet, iar semnalul discret în sine este numit și mesaj.
Discretizarea este conversia unui semnal continuu într-un semnal discret (digital).
Diferența dintre reprezentarea discretă și cea continuă a informațiilor este clar vizibilă în exemplul unui ceas. Într-un ceas electronic cu cadran digital, informațiile sunt prezentate discret - în numere, fiecare dintre ele fiind clar diferit unul de celălalt. Într-un ceas mecanic cu cadran săgeată, informațiile sunt prezentate continuu - prin pozițiile a două mâini, iar două poziții diferite ale mâinii nu sunt întotdeauna clar distinse (mai ales dacă nu există diviziuni minute pe cadran).
semnal continuu- este reflectată de o anumită mărime fizică care se modifică într-un interval de timp dat, de exemplu, prin timbru sau intensitatea sunetului. Informația reală este prezentată sub forma unui semnal continuu pentru acei studenți - consumatori care participă la cursuri de informatică și percep materialul prin unde sonore (cu alte cuvinte, vocea lectorului), care sunt de natură continuă.
După cum vom vedea mai târziu, un semnal discret se pretează mai bine la transformări, prin urmare are avantaje față de unul continuu. În același timp, în sistemele tehnice și în procesele reale, predomină un semnal continuu. Acest lucru ne obligă să dezvoltăm modalități de a converti un semnal continuu într-unul discret.\
Pentru a converti un semnal continuu într-unul discret, se folosește o procedură numită cuantizarea.
Un semnal digital este un semnal de date în care fiecare dintre parametrii reprezentativi este descris printr-o funcție de timp discret și un set finit de valori posibile.
Un semnal digital discret este mai dificil de transmis pe distanțe lungi decât un semnal analogic, așa că este pre-modulat pe partea transmițătorului și demodulat pe partea receptorului de informații. Utilizarea algoritmilor pentru verificarea și restaurarea informațiilor digitale în sistemele digitale poate crește semnificativ fiabilitatea transmiterii informațiilor.
Cometariu. Trebuie avut în vedere că un semnal digital real este, prin natura sa fizică, analog. Din cauza zgomotului și modificărilor parametrilor liniilor de transmisie, are fluctuații de amplitudine, fază/frecvență (jitter), polarizare. Dar acest semnal analogic (puls și discret) este înzestrat cu proprietățile unui număr. Ca urmare, devine posibilă utilizarea metodelor numerice pentru prelucrarea acestuia (prelucrare computerizată).
În fiecare zi oamenii se confruntă cu utilizarea dispozitivelor electronice. Fără ele, viața modernă este imposibilă. La urma urmei, vorbim despre un televizor, radio, computer, telefon, multicooker și multe altele. Anterior, în urmă cu câțiva ani, nimeni nu se gândea ce semnal este folosit în fiecare dispozitiv operabil. Acum cuvintele „analogic”, „digital”, „discret” se aud de mult. Unele dintre semnalele enumerate sunt de înaltă calitate și fiabile.
Transmisia digitală a intrat în uz mult mai târziu decât cea analogică. Acest lucru se datorează faptului că un astfel de semnal este mult mai ușor de întreținut, iar tehnologia la acea vreme nu era atât de îmbunătățită.
Fiecare persoană se confruntă în mod constant cu conceptul de „discreție”. Dacă traduceți acest cuvânt din latină, atunci va însemna „discontinuitate”. Intrând adânc în știință, putem spune că un semnal discret este o metodă de transmitere a informațiilor, care implică o schimbare în timp a mediului purtător. Acesta din urmă ia orice valoare din toate posibilele. Acum discretitatea se estompează în fundal, după ce s-a luat decizia de a produce sisteme pe un cip. Ele sunt integrante și toate componentele interacționează strâns unele cu altele. În discretie, totul este exact invers - fiecare detaliu este completat și conectat cu ceilalți prin linii speciale de comunicare.
Semnal
Un semnal este un cod special care este transmis în spațiu de către unul sau mai multe sisteme. Această formulare este generală.
În domeniul informației și comunicării, un semnal este un purtător special al oricăror date care sunt folosite pentru a transmite mesaje. Poate fi creat dar nu acceptat, ultima condiție este opțională. Dacă semnalul este un mesaj, atunci „prinderea” este considerată necesară.
Codul descris este dat de o funcție matematică. Caracterizează toate modificările posibile ale parametrilor. În teoria ingineriei radio, acest model este considerat de bază. În ea, zgomotul a fost numit analogul semnalului. Este o funcție a timpului care interacționează liber cu codul transmis și îl distorsionează.
Articolul descrie tipurile de semnale: discrete, analogice și digitale. Teoria principală asupra subiectului descris este, de asemenea, prezentată pe scurt.
Tipuri de semnal
Există mai multe semnale disponibile. Să aruncăm o privire la tipuri.
- În funcție de mediul fizic al purtătorului de date, un semnal electric, optic, acustic și electromagnetic sunt împărțiți. Există alte câteva specii, dar sunt puțin cunoscute.
- Conform metodei de setare, semnalele sunt împărțite în regulate și neregulate. Primele sunt metode deterministe de transfer de date care sunt specificate de o funcție analitică. Cele aleatorii sunt formulate datorită teoriei probabilității și, de asemenea, iau orice valori la intervale de timp diferite.
- În funcție de funcțiile care descriu toți parametrii semnalului, metodele de transmisie a datelor pot fi analogice, discrete, digitale (o metodă care este cuantificată la nivel). Sunt folosite pentru a asigura funcționarea multor aparate electrice.
Cititorul este acum familiarizat cu toate tipurile de semnalizare. Nu va fi greu pentru nicio persoană să le înțeleagă, principalul lucru este să vă gândiți puțin și să vă amintiți cursul de fizică școlar.
De ce este procesat semnalul?
Semnalul este procesat pentru a transmite și primi informațiile care sunt criptate în el. Odată extras, poate fi folosit într-o varietate de moduri. În unele situații, este reformatat.
Există un alt motiv pentru procesarea tuturor semnalelor. Constă într-o uşoară compresie a frecvenţelor (pentru a nu deteriora informaţia). După aceea, este formatat și transmis la viteze mici.
Semnalele analogice și digitale folosesc tehnici speciale. În special, filtrarea, convoluția, corelația. Sunt necesare pentru a restabili semnalul dacă este deteriorat sau are zgomot.
Creare și formare
Adesea, este nevoie de un convertor analog-digital (ADC) pentru a genera semnale.De cele mai multe ori, ambele sunt utilizate numai într-o situație cu utilizarea tehnologiilor DSP. În alte cazuri, numai utilizarea unui DAC este potrivită.
Atunci când creează coduri fizice analogice cu utilizarea în continuare a metodelor digitale, se bazează pe informațiile primite, care sunt transmise de la dispozitive speciale.
Interval dinamic
Se calculează ca diferență între nivelurile de volum mai mare și mai scăzută, care sunt exprimate în decibeli. Depinde complet de lucru și de caracteristicile performanței. Vorbim atât despre piese muzicale, cât și despre dialoguri obișnuite între oameni. Dacă luăm, de exemplu, un crainic care citește știrile, atunci intervalul său dinamic fluctuează în jurul valorii de 25-30 dB. Și în timp ce citești o lucrare, aceasta poate crește până la 50 dB.
semnal analog
Un semnal analogic este un mod continuu de transmitere a datelor. Dezavantajul său este prezența zgomotului, care uneori duce la o pierdere completă a informațiilor. Foarte des există astfel de situații în care este imposibil să se determine unde codul este datele importante și unde sunt distorsiunile obișnuite.
Din această cauză procesarea semnalului digital a câștigat o mare popularitate și înlocuiește treptat analogul.
semnal digital
Semnalul digital este special, este descris prin funcții discrete. Amplitudinea sa poate lua o anumită valoare din cele deja date. Dacă semnalul analogic este capabil să primească o cantitate mare de zgomot, atunci cel digital filtrează cea mai mare parte a interferențelor primite.
În plus, acest tip de transfer de date transferă informații fără încărcare semantică inutilă. Mai multe coduri pot fi trimise printr-un canal fizic simultan.
Tipuri de semnal digital nu există, deoarece se remarcă ca o metodă separată și independentă de transmitere a datelor. Este un flux binar. În zilele noastre, un astfel de semnal este considerat cel mai popular. Are de-a face cu ușurința în utilizare.
Aplicație de semnal digital
Cum este un semnal electric digital diferit de alții? Faptul că este capabil să efectueze o regenerare completă în repetor. Când un semnal cu cea mai mică interferență intră în echipamentul de comunicație, acesta își schimbă imediat forma în digitală. Acest lucru permite, de exemplu, unui turn TV să formeze din nou un semnal, dar fără efectul de zgomot.
În cazul în care codul ajunge deja cu distorsiuni mari, atunci, din păcate, nu poate fi restaurat. Dacă luăm comunicații analogice în comparație, atunci într-o situație similară, repetorul poate extrage o parte din date, cheltuind multă energie.
Când discutăm despre comunicații celulare de diferite formate, cu distorsiuni puternice pe o linie digitală, este aproape imposibil să vorbim, deoarece cuvintele sau frazele întregi nu se aud. Comunicarea analogică în acest caz este mai eficientă, deoarece puteți continua să conduceți un dialog.
Din cauza unor astfel de probleme, repetoarele formează adesea un semnal digital pentru a reduce decalajul din linia de comunicație.
semnal discret
Acum fiecare persoană folosește un telefon mobil sau un fel de „apelare” pe computerul său. Una dintre sarcinile dispozitivelor sau software-ului este transmiterea unui semnal, în acest caz un flux de voce. Pentru a transporta o undă continuă, este nevoie de un canal care să aibă o lățime de bandă de nivel mai mare. De aceea s-a luat decizia de a folosi un semnal discret. Nu creează valul în sine, ci forma sa digitală. De ce? Pentru că transmisia provine din tehnologie (de exemplu, un telefon sau un computer). Care sunt avantajele acestui tip de transfer de informații? Cu ajutorul acestuia, cantitatea totală de date transmise este redusă, iar trimiterea în lot este, de asemenea, mai ușor de organizat.
Conceptul de „discretizare” a fost folosit de mult timp în mod stabil în munca tehnologiei computerelor. Datorită unui astfel de semnal, nu se transmit informații continue, care sunt complet codificate cu caractere și litere speciale, ci date colectate în blocuri speciale. Sunt particule separate și complete. Această metodă de codificare a fost de mult retrogradată în fundal, dar nu a dispărut complet. Cu el, puteți transfera cu ușurință mici informații.
Comparația semnalelor digitale și analogice
Atunci când cumpără echipamente, aproape nimeni nu se gândește la ce tipuri de semnale sunt folosite în acest sau acel dispozitiv și cu atât mai mult la mediul și natura lor. Dar uneori mai trebuie să te ocupi de concepte.
De mult a fost clar că tehnologiile analogice pierd cerere, deoarece utilizarea lor este irațională. În schimb, vine comunicarea digitală. Este necesar să înțelegem ce este în joc și ce refuză omenirea.
Pe scurt, un semnal analogic este o metodă de transmitere a informațiilor, care implică descrierea datelor prin funcții continue de timp. De fapt, vorbind în mod specific, amplitudinea oscilațiilor poate fi egală cu orice valoare care se află în anumite limite.
Procesarea semnalului digital este descrisă de funcții de timp discrete. Cu alte cuvinte, amplitudinea de oscilație a acestei metode este egală cu valorile strict specificate.
Trecând de la teorie la practică, trebuie spus că semnalul analogic se caracterizează prin interferență. Cu digitalul, nu există astfel de probleme, deoarece le „netezește” cu succes. Datorită noilor tehnologii, această metodă de transmitere a datelor este capabilă să restaureze toate informațiile originale de la sine, fără intervenția unui om de știință.
Vorbind despre televiziune, putem spune deja cu încredere: transmisia analogică și-a depășit de mult utilitatea. Majoritatea consumatorilor trec la un semnal digital. Dezavantajul acestuia din urmă este că, dacă orice dispozitiv este capabil să primească o transmisie analogică, atunci o metodă mai modernă este doar o tehnică specială. Deși cererea pentru metoda învechită a scăzut de mult, cu toate acestea, aceste tipuri de semnale încă nu pot dispărea complet din viața de zi cu zi.
Semnalele sunt coduri de informații care sunt folosite de oameni pentru a transmite mesaje într-un sistem informațional. Semnalul poate fi dat, dar nu este necesar să îl primiți. În timp ce un mesaj poate fi considerat doar un semnal (sau un set de semnale) care a fost primit și decodat de către destinatar (semnal analog și digital).
Una dintre primele metode de transmitere a informațiilor fără participarea oamenilor sau a altor ființe vii au fost incendiile de semnal. Când a apărut pericolul, focurile erau aprinse succesiv de la un stâlp la altul. În continuare, vom lua în considerare metoda de transmitere a informațiilor folosind semnale electromagnetice și ne vom opri asupra subiectului în detaliu. semnal analogic și digital.
Orice semnal poate fi reprezentat ca o funcție care descrie modificări ale caracteristicilor sale. Această reprezentare este convenabilă pentru studierea dispozitivelor și sistemelor de inginerie radio. Pe lângă semnal în inginerie radio, există și zgomot, care este alternativa lui. Zgomotul nu transportă informații utile și distorsionează semnalul interacționând cu acesta.
Conceptul în sine face posibilă abstracția de la cantități fizice specifice atunci când se iau în considerare fenomenele asociate cu codificarea și decodificarea informațiilor. Modelul matematic al semnalului în cercetare permite bazarea pe parametrii funcției timp.
Tipuri de semnal
Semnalele în funcție de mediul fizic al purtătorului de informații sunt împărțite în electrice, optice, acustice și electromagnetice.
Conform metodei de setare, semnalul poate fi regulat și neregulat. Un semnal obișnuit este reprezentat de o funcție deterministă a timpului. Un semnal neregulat în inginerie radio este reprezentat de o funcție haotică a timpului și este analizat folosind o abordare probabilistică.
Semnalele, în funcție de funcția care le descrie parametrii, pot fi analogice și discrete. Un semnal discret care a fost cuantificat se numește semnal digital.
Procesare a semnalului
Semnalul analog și digital este procesat și direcționat pentru a transmite și a primi informațiile codificate în semnal. Odată extrasă informația, aceasta poate fi folosită în diferite scopuri. În cazuri particulare, informațiile sunt formatate.
Semnalele analogice sunt amplificate, filtrate, modulate și demodulate. Digital, pe lângă aceasta, poate fi încă comprimat, detectat etc.
semnal analog
Organele noastre de simț percep toate informațiile care vin în ele într-o formă analogică. De exemplu, dacă vedem o mașină care trece, îi vedem mișcarea continuu. Dacă creierul nostru ar putea primi informații despre poziția sa o dată la 10 secunde, oamenii ar intra constant sub roți. Dar putem estima distanța mult mai rapid și această distanță la un moment dat este clar definită.
Absolut același lucru se întâmplă cu alte informații, putem evalua în orice moment volumul, simțim câtă presiune pun degetele noastre pe obiecte etc. Cu alte cuvinte, aproape toate informațiile care pot apărea în natură au o formă analogică. Cel mai simplu mod de a transmite astfel de informații este cu semnale analogice, care sunt continue și definite la un moment dat.
Pentru a înțelege cum arată un semnal electric analogic, vă puteți imagina un grafic care arată amplitudinea pe axa verticală și timpul pe axa orizontală. Dacă, de exemplu, măsurăm modificarea temperaturii, atunci pe grafic va apărea o linie continuă, afișând valoarea acesteia în fiecare moment. Pentru a transmite un astfel de semnal cu un curent electric, trebuie să potrivim valoarea temperaturii cu valoarea tensiunii. Deci, de exemplu, 35,342 grade Celsius pot fi codificate ca o tensiune de 3,5342 V.
Semnalele analogice erau utilizate în toate tipurile de comunicații. Pentru a evita interferența, un astfel de semnal trebuie amplificat. Cu cât este mai mare nivelul de zgomot, adică interferența, cu atât semnalul trebuie amplificat mai puternic, astfel încât să poată fi recepționat fără distorsiuni. Această metodă de procesare a semnalului consumă multă energie pentru a genera căldură. În acest caz, semnalul amplificat în sine poate provoca interferențe cu alte canale de comunicație.
Acum semnalele analogice sunt încă folosite în televiziune și radio, pentru a converti semnalul de intrare în microfoane. Dar, în general, acest tip de semnal este universal înlocuit sau înlocuit de semnale digitale.
semnal digital
Un semnal digital este reprezentat printr-o succesiune de valori digitale. Cele mai utilizate acum sunt semnalele digitale binare, deoarece sunt folosite în electronica binară și sunt mai ușor de codat.
Spre deosebire de tipul de semnal anterior, semnalul digital are două valori „1” și „0”. Dacă ne amintim exemplul nostru cu măsurarea temperaturii, atunci aici semnalul va fi format diferit. Dacă tensiunea furnizată de semnalul analogic corespunde valorii temperaturii măsurate, atunci un anumit număr de impulsuri de tensiune va fi aplicat în semnalul digital pentru fiecare valoare de temperatură. Pulsul de tensiune în sine va fi egal cu „1”, iar absența tensiunii - „0”. Echipamentul receptor va decoda impulsurile și va restaura datele originale.
După ce ne-am imaginat cum va arăta semnalul digital pe grafic, vom vedea că trecerea de la zero la valoarea maximă se face brusc. Această caracteristică permite echipamentului receptor să „vadă” semnalul mai clar. Dacă apare vreo interferență, este mai ușor pentru receptor să decodeze semnalul decât în cazul transmisiei analogice.
Cu toate acestea, este imposibil să restabiliți un semnal digital cu un nivel de zgomot foarte ridicat, în timp ce este încă posibil să „pescuiți” informații de la un tip analog cu distorsiuni ridicate. Acest lucru se datorează efectului de tăiere. Esența efectului este că semnalele digitale pot fi transmise pe anumite distanțe și apoi pur și simplu întrerupte. Acest efect apare peste tot si se rezolva printr-o simpla regenerare a semnalului. Acolo unde semnalul se întrerupe, trebuie să introduceți un repetor sau să reduceți lungimea liniei de comunicație. Repeatorul nu amplifică semnalul, ci îi recunoaște forma originală și produce o copie exactă a acestuia și poate fi folosit în mod arbitrar în circuit. Astfel de metode de repetiție a semnalului sunt utilizate în mod activ în tehnologiile de rețea.
Printre altele, semnalele analogice și digitale diferă prin capacitatea de a codifica și cripta informațiile. Acesta este unul dintre motivele tranziției comunicațiilor mobile la digitale.
Semnal analog și digital și conversie digital-analogic
Este necesar să vorbim puțin mai mult despre modul în care informațiile analogice sunt transmise prin canalele de comunicație digitale. Să revenim la exemple. După cum am menționat deja, sunetul este un semnal analogic.
Ce se întâmplă în telefoanele mobile care transmit informații prin canale digitale
Sunetul care intră în microfon este supus conversiei analog-digitale (ADC). Acest proces constă din 3 pași. Valorile separate ale semnalului sunt luate la intervale regulate, acest proces se numește eșantionare. Conform teoremei lui Kotelnikov privind lățimea de bandă a canalelor, frecvența de luare a acestor valori ar trebui să fie de două ori mai mare decât frecvența cea mai înaltă a semnalului. Adică, dacă canalul nostru are o limită de frecvență de 4 kHz, atunci frecvența de eșantionare va fi de 8 kHz. În plus, toate valorile semnalului selectat sunt rotunjite sau, cu alte cuvinte, cuantizate. Cu cât se creează mai multe niveluri, cu atât este mai mare acuratețea semnalului reconstruit la receptor. Apoi, toate valorile sunt convertite într-un cod binar, care este transmis la stația de bază și apoi ajunge la celălalt abonat, care este receptorul. Un proces de conversie digital-analog (DAC) are loc în telefonul receptorului. Aceasta este o procedură inversă, al cărei scop este de a obține ieșirea cât mai aproape de semnalul original. În plus, semnalul analogic iese sub formă de sunet din difuzorul telefonului.
Prelegerea #1
„Semnale analogice, discrete și digitale”.
Cele mai fundamentale două concepte ale acestui curs sunt conceptele de semnal și sistem.
Sub semnalse referă la un proces fizic (de exemplu, o tensiune care variază în timp) care afișează anumite informații sau mesaje. Matematic, un semnal este descris de o funcție de un anumit tip.
Semnalele unidimensionale sunt descrise de o funcție reală sau complexă definită pe intervalul axei reale (de obicei axa timpului). Un exemplu de semnal unidimensional este un curent electric dintr-un fir de microfon care transportă informații despre sunetul perceput.
Semnalul x(t ) se numește mărginit dacă există un număr pozitiv A , astfel încât pentru orice t .
energie de semnal x(t ) se numește cantitate
,(1.1)
În cazul în care un , atunci se spune că semnalul x(t ) are energie limitată. Semnalele cu energie limitată au proprietatea
Dacă semnalul are energie limitată, atunci este limitat.
puterea semnalului x(t ) se numește cantitate
,(1.2)
Dacă , atunci se spune că semnalul este x(t ) are capacitate limitată. Semnalele cu putere limitată pot lua valori diferite de zero pentru o perioadă de timp arbitrar.
În natura reală, semnalele cu energie și putere nelimitate nu există. Majoritate semnalele care există în natura reală sunt analogic.
Semnale analogice
sunt descrise de o funcție continuă (sau continuă pe bucăți) și funcția în sine și argumentul t poate lua orice valoare pe anumite intervale 
. Pe fig. 1.1 a prezintă un exemplu de semnal analogic care se modifică în timp conform legii , unde . Un alt exemplu de semnal analogic, prezentat în Figura 1.1b, se modifică în timp conform legii.
Un exemplu important de semnal analogic este semnalul descris de așa-numitul. "funcție unică", care este descris de expresia
(1.3),
Unde 
.
Graficul funcției unității este prezentat în Figura 1.2.
 |
Funcția 1 (t ) poate fi considerată ca limită a familiei de funcții continue 1(A, t ) la modificarea parametrului acestei familiiA.
(1.4).
Familia grafic 1(A, t ) pentru valori diferiteAprezentat în Figura 1.3.
 |
În acest caz, funcția 1( t ) poate fi scris ca
(1.5).
Notați derivata lui 1(A, t ) ca d(A, t).
(1.6).
Familia graficuluid(A, t ) este prezentată în Figura 1.4.
 |
Aria de sub curbăd(A, t ) nu depinde deAși este întotdeauna egal cu 1. Într-adevăr
(1.7).
Funcţie
(1.8)
numit Funcția de impuls Dirac saud - funcţie. Valori d - funcțiisunt zero în toate punctele, cu excepția t=0. La t =0 d-funcția este egală cu infinitul, dar astfel încât aria de sub curbăd- funcția este egală cu 1. Figura 1.5 prezintă graficul funcțieid(t) și d(t - t).
 |
Notăm câteva proprietățid- caracteristici:
1. (1.9).
Aceasta rezultă din faptul că numai pentru t = t.
2. (1.10) .
În integrală, limitele infinite pot fi înlocuite cu unele finite, dar în așa fel încât argumentul funcțieid(t - t) dispare în aceste limite.
(1.11).
3. transformare Laplaced-funcții
(1.12).
LA în special, cândt=0
(1.13).
4. transformata Fourierd- funcții. Pentru p = j v de la 1.13 primim
(1.14)
La t=0
(1.15),
acestea. spectru d- funcția este 1.
semnal analog f(t ) se numește periodic dacă există un număr real T , astfel încât f (t + T )= f (t ) pentru orice t . În același timp, T numită perioada semnalului. Un exemplu de semnal periodic este semnalul prezentat în Fig. 1.2a, și T = 1/f . Un alt exemplu de semnal periodic este secvențad- funcții descrise de ecuație
(1.16)
programacare este prezentat în figura 1.6.
 |
Semnale discrete diferă de cele analogice prin faptul că valorile lor sunt cunoscute numai la momente discrete.Semnalele discrete sunt descrise prin funcții de rețea - secvențe -X d(nt), unde T = const – intervalul de eșantionare (perioada), n =0,1,2,…. Funcția în sine X d(nt) poate lua în momente discrete valori arbitrare pe un anumit interval. Aceste valori ale funcției se numesc eșantioane sau mostre de funcție. O altă notație pentru funcția latice X ( nt) este x(n) sau x n. Pe fig. 1.7a și 1.7b sunt exemple de funcții de rețea și . Urmare x(n ) poate fi finită sau infinită, în funcție de intervalul definiției funcției.
 |
Procesul de conversie a unui semnal analogic într-un semnal discret este numit discretizarea timpului. Din punct de vedere matematic, procesul de eșantionare temporală poate fi descris ca modulare de către semnalul analog de intrare al secvențeid- funcții d T(t)
(1.17)
Procesul de recuperare a unui semnal analogic de la unul discret se numește extrapolarea timpului.
Pentru secvențele discrete sunt introduse și conceptele de energie și putere. Prin energia secvenței x(n ) se numește cantitate
,(1.18)
Puterea secvenței x(n ) se numește cantitate
,(1.19)
Pentru secvențele discrete, rămân aceleași modele privind limitarea puterii și energiei ca și pentru semnalele continue.
Periodicapelează secvența X ( nt) satisfacerea condiţiei X ( nt)=x( nt+ mNT), unde m și N - numere întregi. în care N numită perioadă a secvenței. Este suficient să setați succesiunea periodică pe intervalul perioadei, de exemplu, la .
Semnale digitale sunt semnale discrete care la momente discrete pot lua doar o serie finită de valori discrete - niveluri de cuantizare. Procesul de conversie a unui semnal discret într-unul digital se numește cuantificarea nivelului. Semnalele digitale sunt descrise prin funcții de rețea cuantificateX c(nt). Exemple de semnale digitale sunt prezentate în fig. 1.8a și 1.8b.
Relația dintre funcția rețeleiX d(nt) și funcția rețelei cuantificate X c(nt) este determinată de funcția de cuantizare neliniară X c(nt)= Fk(X d(nt)). Fiecare dintre nivelurile de cuantizare este codificat cu un număr. De obicei, codificarea binară este utilizată în aceste scopuri, astfel încât probele cuantificateX c(nt) sunt codificate ca numere binare cu n evacuări. Numărul de niveluri de cuantizare N și cel mai mic număr de cifre binare m , care pot fi folosite pentru a codifica toate aceste niveluri, sunt legate prin relație
,(1.20)
Unde int(X ) este cel mai mic număr întreg nu mai mic decât X .
Astfel, cuantizarea semnalelor discrete constă în reprezentarea numărului de semnaleX d(nt) folosind un număr binar care conține m evacuări. Ca rezultat al cuantizării, proba este reprezentată cu o eroare, care se numește eroare de cuantizare.
.(1.21)
Etapa de cuantizare Q determinată de greutatea bitului cel mai puțin semnificativ al numărului rezultat
.(1.22)
Principalele metode de cuantizare sunt trunchierea și rotunjirea.
Trunchiați la m -bit număr binar constă în eliminarea tuturor cifrelor cele mai puțin semnificative ale numărului, cu excepția n seniori. În acest caz, eroarea de trunchiere
. Pentru numere pozitive cu orice metodă de codificare 
. Pentru numerele negative, atunci când se utilizează codul direct, eroarea de trunchiere este nenegativă, iar când se utilizează complementul a doi, această eroare este nepozitivă. Astfel, în toate cazurile de valori absolute, valoarea erorii de trunchiere nu depășește pasul de cuantificare:
.(1.23)
Graficul funcției de trunchiere a codului suplimentar este prezentat în Fig. 1.9, iar codul direct - în Fig. 1.10.
 |
|||
 |
|||
Rotunjirea diferă de trunchiere prin faptul că, pe lângă eliminarea cifrelor cele mai puțin semnificative ale numărului, este și modificată m- al (junior nerejectabil) cifra numărului. Modificarea sa constă în faptul că fie rămâne neschimbată, fie crește cu unu, în funcție de faptul că partea aruncată a numărului de mărime este mai mare sau mai mică. Rotunjirea se poate face practic prin adăugarea unuia la ( m +1) - în ordinea numărului, urmată de trunchierea numărului rezultat la n evacuări. Eroarea de rotunjire pentru toate metodele de codare se află în 
și, prin urmare
.(1.24)
Graficul funcției de rotunjire este prezentat în Fig. 1.11.
Luarea în considerare și utilizarea diferitelor semnale implică posibilitatea de a măsura valoarea acestor semnale la momente date. Desigur, se pune întrebarea cu privire la fiabilitatea (sau invers, incertitudinea) măsurării valorii semnalelor. Aceste probleme sunt tratate teoria informaţiei, al cărui fondator este K. Shannon. Ideea de bază a teoriei informațiilor este că informația poate fi tratată în același mod ca și cantitățile fizice, cum ar fi masa și energia.
De obicei caracterizăm acuratețea măsurătorilor prin valorile numerice obținute în timpul măsurării sau erorile așteptate. În acest caz, se folosesc conceptele de erori absolute și relative. Dacă dispozitivul de măsurare are un domeniu de măsurare de x 1 la x 2 , cu eroare absolută± D, independent de valoarea curentă X valoarea măsurată, atunci obținerea rezultatului măsurării sub formă x n inregistram e ca și cumx n± Dși se caracterizează prin eroare relativă .
Luarea în considerare a acelorași acțiuni din punctul de vedere al teoriei informațiilor este oarecum diferită, diferă prin faptul că tuturor conceptelor de mai sus li se acordă o semnificație probabilistică, statistică, iar rezultatul măsurării este interpretat ca o reducere a zonei de incertitudine a cantitatea măsurată. În teoria informaţiei, faptul că un instrument de măsură are un domeniu de măsurare de la x 1 la x 2 înseamnă că atunci când utilizați acest instrument, citirile pot fi obținute numai în intervalul de x 1 la x 2 . Cu alte cuvinte, probabilitatea de a obține citiri mai mică decât x 1 sau mare x 2 , este egal cu 0. Probabilitatea de a obține o citire este undeva în intervalul de la x 1 la x 2 este 1.
Dacă presupunem că toate rezultatele măsurătorilor în intervalul de la x 1 la x 2 sunt la fel de probabile, de exemplu. densitatea distribuției de probabilitate pentru diferite valori ale mărimii măsurate de-a lungul întregii scale a instrumentului este aceeași, apoi din punctul de vedere al teoriei informațiilor, cunoștințele noastre despre valoarea mărimii măsurate înainte de măsurare pot fi reprezentate printr-un graficul distribuției densității de probabilitate p(x).
Deoarece probabilitatea generală de a obține numărătoarea este undeva între x 1 la x 2 este egală cu 1, atunci aria egală cu 1 trebuie să fie închisă sub curbă, ceea ce înseamnă că
(1.25).
După măsurare, obținem o citire a instrumentului egală cux n. Cu toate acestea, din cauza erorii instrumentului, egal cu± D, nu putem afirma că valoarea măsurată este exact egală cux n. Prin urmare, scriem rezultatul cax n± D. Aceasta înseamnă că valoarea reală a mărimii măsurate X se află undeva întrex n- D inainte de x n+ D. Din punctul de vedere al teoriei informațiilor, rezultatul măsurării noastre este doar că aria de incertitudine a fost redusă la o valoare de 2Dși caracterizat densitate de probabilitate mult mai mare
(1.26).
Obținerea oricărei informații despre cantitatea de interes pentru noi constă, așadar, în reducerea incertitudinii valorii acesteia.
Ca o caracteristică a incertitudinii valorii unei variabile aleatoare, K. Shannon a introdus conceptul entropie cantități X , care se calculează ca
(1.27).
Unitățile de măsurare a entropiei depind de alegerea bazei logaritmului în expresiile date. Când se utilizează logaritmi zecimali, entropia este măsurată în așa-numitul. unități zecimale sau ditah. În cazul utilizării logaritmilor binari, entropia este exprimată în unități binare sau biți.
În cele mai multe cazuri, incertitudinea cunoașterii valorii semnalului este determinată de acțiunea interferenței sau a zgomotului. Efectul de dezinformare al zgomotului în timpul transmisiei semnalului este determinat de entropia zgomotului ca variabilă aleatorie. Dacă zgomotul în sens probabilist nu depinde de semnalul transmis, atunci indiferent de statisticile semnalului, zgomotului i se poate atribui o anumită cantitate de entropie, care îi caracterizează acțiunea de dezinformare. În acest caz, analiza sistemului poate fi efectuată separat pentru zgomot și semnal, ceea ce simplifică foarte mult soluția acestei probleme.
Teorema lui Shannon asupra cantității de informații. Dacă la intrarea canalului de transmitere a informaţiei se aplică un semnal cu entropie H( X), iar zgomotul din canal are entropie H(D ) , atunci cantitatea de informații la ieșirea canalului este definită ca
(1.28).
Dacă, pe lângă canalul principal de transmisie a semnalului, există un canal suplimentar, atunci pentru a corecta erorile rezultate din zgomot cu entropie H( D), este necesar să se transmită o cantitate suplimentară de informații prin acest canal, nu mai puțin de
(1.29).
Aceste date pot fi codificate în așa fel încât să fie posibilă corectarea tuturor erorilor cauzate de zgomot, cu excepția unei fracțiuni arbitrar mici din aceste erori.
În cazul nostru, pentru o variabilă aleatoare distribuită uniform, entropia este definită ca
(1.30),
iar restul sau entropia condiționată rezultatul măsurării după citirex n este egal cu
(1.31).
De aici, cantitatea de informații primite, care este egală cu diferența dintre entropia inițială și cea rămasă, este egală cu
(1.32).
Atunci când se analizează sisteme cu semnale digitale, erorile de cuantizare sunt considerate ca un proces aleator staționar cu o distribuție uniformă a probabilității pe intervalul de distribuție a erorilor de cuantizare. Pe fig. 1.12a, b și c arată densitățile de probabilitate ale erorii de cuantizare la rotunjirea codului suplimentar, codul direct și, respectiv, trunchierea.
Evident, cuantizarea este o operație neliniară. Cu toate acestea, analiza utilizează un model de cuantificare a semnalului liniar, prezentat în Fig. 1.13.
 |
|||
|
| |||
(1.33)
