Informačný signál - fyzický proces pre osobu alebo technické zariadenie informačný význam. Môže byť spojitý (analógový) alebo diskrétny

Pojem „signál“ sa veľmi často stotožňuje s pojmami „údaje“ a „informácie“. V skutočnosti sú tieto pojmy vzájomne prepojené a neexistujú jeden bez druhého, ale patria do rôznych kategórií.

Signál je informačná funkcia, ktorá nesie správu o fyzikálnych vlastnostiach, stave alebo správaní akéhokoľvek fyzického systému, objektu alebo prostredia a za účel spracovania signálu možno považovať extrakciu určitej informačnej informácie, ktorá sa v týchto signáloch zobrazuje (stručne - užitočná alebo cieľové informácie) a transformáciu týchto informácií do formy, ktorá je vhodná na vnímanie a ďalšie použitie.

Informácie sa prenášajú vo forme signálov. Signál je fyzikálny proces, ktorý prenáša informáciu. Signál môže byť zvukový, svetelný, vo forme pošty atď.

Signál je materiálny nosič informácie, ktorý sa prenáša od zdroja k spotrebiteľovi. Môže byť diskrétny a kontinuálny (analógový)

Analógový signál- dátový signál, v ktorom je každý z reprezentujúcich parametrov opísaný funkciou času a súvislým súborom možných hodnôt.

Analógové signály sú opísané ako spojité funkcie času, takže analógový signál sa niekedy označuje ako spojitý signál. Analógové signály sú na rozdiel od diskrétnych (kvantovaných, digitálnych).

Príklady spojitých priestorov a zodpovedajúcich fyzikálnych veličín: (priama čiara: elektrické napätie; obvod: poloha rotora, kolesa, ozubeného kolesa, analógových hodinových ručičiek alebo fázy nosného signálu; segment: poloha piestu, riadiacej páky, teplomeru kvapaliny alebo elektrický signál, amplitúdovo obmedzené rôzne viacrozmerné priestory: farba, kvadratúrne modulovaný signál.)

Vlastnosti analógových signálov sú do značnej miery opak vlastností kvantovaných alebo digitálnych signály.

Nedostatok navzájom jasne odlíšiteľných diskrétnych úrovní signálu vedie k nemožnosti aplikovať pojem informácie na jej popis v podobe, ako je chápaná v digitálnych technológiách. "Množstvo informácií" obsiahnutých v jednej vzorke bude obmedzené iba dynamickým rozsahom meracieho prístroja.

Žiadna nadbytočnosť. Z kontinuity priestoru hodnôt vyplýva, že akékoľvek rušenie vnesené do signálu je nerozoznateľné od samotného signálu, a preto nie je možné obnoviť pôvodnú amplitúdu. V skutočnosti je filtrovanie možné napríklad frekvenčnými metódami, ak sú známe ďalšie informácie o vlastnostiach tohto signálu (najmä frekvenčné pásmo).

Aplikácia:

Analógové signály sa často používajú na reprezentáciu neustále sa meniacich fyzikálnych veličín. Napríklad analógový elektrický signál získaný z termočlánku nesie informácie o zmenách teploty, signál z mikrofónu - o rýchlych zmenách tlaku vo zvukovej vlne atď.

Diskrétny signál je zložená z počítateľnej množiny (teda takej množiny, ktorej prvky sa dajú spočítať) prvkov (hovorí sa - informačných prvkov). Napríklad signál „tehla“ je diskrétny. Pozostáva z nasledujúcich dvoch prvkov (toto je syntaktická charakteristika tohto signálu): červený kruh a biely obdĺžnik vo vnútri kruhu, ktorý sa nachádza vodorovne v strede. Vo forme diskrétneho signálu sú prezentované informácie, ktoré čitateľ práve ovláda. Rozlišujú sa tieto prvky: oddiely (napríklad „Informácie“), pododdiely (napríklad „Vlastnosti“), odseky, vety, jednotlivé frázy, slová a jednotlivé znaky (písmená, čísla, interpunkčné znamienka atď.). Tento príklad ukazuje, že v závislosti od pragmatiky signálu možno rozlíšiť rôzne informačné prvky. Pre človeka, ktorý v tomto texte študuje informatiku, sú totiž dôležité väčšie informačné prvky, ako sú sekcie, podkapitoly a jednotlivé odseky. Umožňujú mu ľahšie sa orientovať v štruktúre látky, lepšie si ju osvojiť a pripraviť sa na skúšku. Pre toho, kto tento metodický materiál pripravil, sú okrem naznačených informačných prvkov dôležité aj menšie, napríklad jednotlivé vety, pomocou ktorých sa vyjadruje tá či oná myšlienka a ktoré realizujú ten či onen spôsob sprístupňovania materiál. Súbor najmenších prvkov diskrétneho signálu sa nazýva abeceda a samotný diskrétny signál sa tiež nazýva správu.

Vzorkovanie je prevod spojitého signálu na diskrétny (digitálny).

Rozdiel medzi diskrétnou a kontinuálnou prezentáciou informácií je jasne viditeľný na príklade hodín. V elektronických hodinkách s digitálnym ciferníkom sú informácie prezentované diskrétne - v číslach, z ktorých každé sa od seba zreteľne líši. V mechanických hodinkách s ručičkovým ciferníkom sú informácie prezentované nepretržite - polohami dvoch ručičiek a dve rôzne polohy ručičky nie sú vždy jasne rozlíšiteľné (najmä ak na ciferníku nie sú žiadne minúty).

Nepretržitý signál- odráža sa nejakou fyzikálnou veličinou, ktorá sa v danom časovom intervale mení, napríklad farba alebo intenzita zvuku. Formou súvislého signálu sú prezentované reálne informácie pre tých študentov-spotrebiteľov, ktorí navštevujú prednášky z informatiky a prostredníctvom zvukových vĺn (inak povedané hlasu prednášajúceho), ktoré sú spojitého charakteru, vnímajú látku.

Ako uvidíme neskôr, diskrétny signál sa lepšie hodí na transformácie, preto má výhody oproti spojitému. Súčasne v technických systémoch a v reálnych procesoch prevláda nepretržitý signál. To si vynucuje vývoj metód na konverziu spojitého signálu na diskrétny. \

Na prevod spojitého signálu na diskrétny sa používa postup, ktorý sa nazýva kvantovanie.

Digitálny signál je dátový signál, v ktorom je každý z reprezentujúcich parametrov opísaný funkciou diskrétneho času a konečnou množinou možných hodnôt.

Diskrétny digitálny signál sa prenáša na veľké vzdialenosti ťažšie ako analógový signál, preto je vopred modulovaný na strane vysielača a demodulovaný na strane prijímača informácií. Použitie algoritmov na kontrolu a obnovu digitálnych informácií v digitálnych systémoch môže výrazne zvýšiť spoľahlivosť prenosu informácií.

Komentujte. Treba mať na pamäti, že skutočný digitálny signál je svojou fyzikálnou podstatou analógový. V dôsledku šumu a zmien parametrov prenosových vedení má kolísanie amplitúdy, fázy / frekvencie (jitter), polarizácie. Ale tento analógový signál (impulzný a diskrétny) je vybavený vlastnosťami čísla. Vďaka tomu je možné použiť numerické metódy na jeho spracovanie (počítačové spracovanie).

Digitálna elektronika teraz čoraz viac vytláča tradičnú analógovú. Popredné spoločnosti, ktoré vyrábajú širokú škálu elektronických zariadení, čoraz častejšie deklarujú úplný prechod na digitálne technológie.

Pokrok v technológii výroby elektronických mikroobvodov zabezpečil rýchly rozvoj digitálnej techniky a zariadení. Použitie digitálnych metód spracovania a prenosu signálu môže výrazne zlepšiť kvalitu komunikačných liniek. Digitálne metódy spracovania a prepínania signálov v telefónii umožňujú niekoľkokrát znížiť hmotnostné a rozmerové charakteristiky spínacích zariadení, zvýšiť spoľahlivosť komunikácie a zaviesť ďalšie funkcie.

Nástup vysokorýchlostných mikroprocesorov, veľkoobjemových pamäťových čipov s náhodným prístupom a maloobjemových zariadení na ukladanie údajov na veľkoobjemových pevných médiách umožnil vytvoriť pomerne lacné univerzálne osobné elektronické počítače (počítače), ktoré našli veľmi široké uplatnenie v každodennom živote a výrobe.

Digitálna technika je nenahraditeľná v systémoch diaľkovej signalizácie a diaľkového ovládania používaných v automatizovanej výrobe, ovládaní vzdialených objektov, napr. kozmických lodí, čerpacích staníc plynu atď. Digitálna technika zaujala pevné miesto aj v elektrických rádiových meracích systémoch. Moderné zariadenia na záznam a reprodukciu signálov sú tiež nemysliteľné bez použitia digitálnych zariadení. Digitálne zariadenia sú široko používané na ovládanie domácich spotrebičov.

Je veľmi pravdepodobné, že digitálne zariadenia budú v budúcnosti dominovať na trhu s elektronikou.

Najprv si povedzme niekoľko základných definícií..

Signál Je akákoľvek fyzikálna veličina (napríklad teplota, tlak vzduchu, intenzita svetla, prúd atď.), ktorá sa v priebehu času mení. Práve vďaka tejto zmene času môže signál prenášať nejaký druh informácie.

Elektrický signál Je elektrická veličina (napríklad napätie, prúd, výkon), ktorá sa v priebehu času mení. Všetka elektronika pracuje hlavne s elektrickými signálmi, aj keď v poslednej dobe sa čoraz viac používa svetelných signálov, ktoré predstavujú intenzitu svetla meniacu sa v čase.

Analógový signál- toto je signál, ktorý môže nadobudnúť akékoľvek hodnoty v rámci určitých limitov (napríklad napätie sa môže plynulo meniť od nuly do desiatich voltov). Zariadenia, ktoré prijímajú iba analógové signály, sa nazývajú analógové zariadenia.

Digitálny signál Je signál, ktorý môže nadobudnúť iba dve hodnoty (niekedy tri hodnoty). Okrem toho sú povolené určité odchýlky od týchto hodnôt (obr. 1.1). Napríklad napätie môže mať dve hodnoty: od 0 do 0,5 V (nulová úroveň) alebo od 2,5 do 5 V (úroveň jednoty). Zariadenia, ktoré pracujú výlučne s digitálnymi signálmi, sa nazývajú digitálne zariadenia.

V prírode sú takmer všetky signály analógové, to znamená, že sa v určitých medziach neustále menia. Preto boli prvé elektronické zariadenia analógové. Previedli fyzikálne veličiny na im úmerné napätie alebo prúd, vykonali s nimi niekoľko operácií a potom vykonali inverzné transformácie na fyzikálne veličiny. Napríklad ľudský hlas (vzduchové vibrácie) sa pomocou mikrofónu premenia na elektrické vibrácie, potom sa tieto elektrické signály zosilnia elektronickým zosilňovačom a pomocou reproduktorového systému sa opäť premenia na vibrácie vzduchu, na hlasnejší zvuk. .

Ryža. 1.1. Elektrické signály: analógové (vľavo) a digitálne (vpravo).

Všetky operácie vykonávané elektronickými zariadeniami na signáloch možno podmienečne rozdeliť do troch veľkých skupín:

Spracovanie (alebo transformácia);

Vysielanie;

Skladovanie.

Vo všetkých týchto prípadoch sú užitočné signály skreslené parazitnými signálmi – šum, rušenie, rušenie. Navyše pri spracovaní signálov (napríklad pri zosilňovaní, filtrovaní) dochádza aj k skresleniu ich tvaru v dôsledku nedokonalosti, nedokonalosti elektronických zariadení. A pri prenose na veľké vzdialenosti a pri skladovaní sú signály tiež oslabené.

Ryža. 1.2. Skreslenie šumom a interferenciou analógového signálu (vľavo) a digitálneho signálu (vpravo).

V prípade analógových signálov toto všetko výrazne zhoršuje užitočný signál, pretože sú povolené všetky jeho hodnoty (obr. 1.2). Preto každá transformácia, každé medziskladovanie, každý prenos cez kábel alebo vzduch degraduje analógový signál, niekedy až do jeho úplného zničenia. Musíme tiež vziať do úvahy, že všetok šum, rušenie a snímanie sa v zásade nedajú presne vypočítať, preto je absolútne nemožné presne opísať správanie akýchkoľvek analógových zariadení. Okrem toho sa parametre všetkých analógových zariadení časom menia v dôsledku starnutia prvkov, takže charakteristiky týchto zariadení nezostávajú konštantné.

Na rozdiel od analógových sú digitálne signály, ktoré majú len dve povolené hodnoty, oveľa lepšie chránené pred šumom, rušením a rušením. Malé odchýlky od povolených hodnôt žiadnym spôsobom neskresľujú digitálny signál, pretože vždy existujú zóny prípustných odchýlok (obr. 1.2). To je dôvod, prečo digitálne signály umožňujú oveľa komplexnejšie a viacstupňové spracovanie, oveľa dlhšie bezstratové ukladanie a oveľa lepší prenos ako analógové. Okrem toho sa správanie digitálnych zariadení dá vždy presne vypočítať a predpovedať. Digitálne zariadenia sú oveľa menej náchylné na starnutie, keďže malá zmena ich parametrov nijako neovplyvňuje ich fungovanie. Digitálne zariadenia sa navyše ľahšie navrhujú a ladia. Je zrejmé, že všetky tieto výhody zabezpečujú rýchly rozvoj digitálnej elektroniky.

Digitálne signály však majú aj veľkú nevýhodu. Faktom je, že na každej zo svojich povolených úrovní digitálny signál musí zostať aspoň nejaký minimálny časový interval, inak ho nebude možné rozpoznať. A analógový signál môže nadobudnúť akúkoľvek zo svojich hodnôt na nekonečne krátky čas. Dá sa to povedať aj inak: analógový signál je definovaný v spojitom čase (teda v akomkoľvek časovom okamihu) a digitálny signál - v diskrétnom čase (t. j. iba vo vybraných časových okamihoch). Preto je maximálna dosiahnuteľná rýchlosť analógových zariadení vždy zásadne vyššia ako u digitálnych zariadení. Analógové zariadenia dokážu spracovať rýchlejšie meniace sa signály ako digitálne. Rýchlosť spracovania a prenosu informácií analógovým zariadením môže byť vždy vyššia ako rýchlosť ich spracovania a prenosu digitálnym zariadením.

Navyše digitálny signál prenáša informáciu len o dve úrovne a zmenou jednej zo svojich úrovní na druhú a analógový signál tiež prenáša informáciu s každou aktuálnou hodnotou svojej úrovne, to znamená, že je kapacitnejší z hľadiska prenos informácií. Preto na prenos množstva užitočných informácií obsiahnutých v jednom analógovom signáli je najčastejšie potrebné použiť niekoľko digitálnych signálov (zvyčajne od 4 do 16).

Okrem toho, ako už bolo uvedené, v prírode sú všetky signály analógovo-analógové, to znamená, že na ich konverziu na digitálne signály a na spätnú konverziu je potrebné použiť špeciálne vybavenie (analógovo-digitálne a digitálno-analógové prevodníky). požadovaný. Nič teda nie je zadarmo a poplatky za výhody digitálnych zariadení sa niekedy môžu ukázať ako neprijateľne vysoké.

Analógový signál je dátový signál, v ktorom je každý z reprezentujúcich parametrov opísaný funkciou času a súvislým súborom možných hodnôt.

Existujú dva signálové priestory - priestor L (spojité signály) a priestor l (L je malý) - priestor postupností. Priestor l (L je malý) je priestor Fourierových koeficientov (spočítateľná množina čísel, ktoré definujú spojitú funkciu na konečnom intervale definičného oboru), priestor L je priestor spojitých signálov v obore definícia. Za určitých podmienok je priestor L jednoznačne mapovaný na priestor l (napríklad prvé dve Kotelnikovove diskretizačné vety).

Analógové signály sú opísané ako spojité funkcie času, takže analógový signál sa niekedy označuje ako spojitý signál. Analógové signály sú na rozdiel od diskrétnych (kvantovaných, digitálnych). Príklady spojitých priestorov a zodpovedajúcich fyzikálnych veličín:

priame: elektrické napätie

obvod: poloha rotora, kolesa, ozubených kolies, analógových hodinových ručičiek alebo fáza nosného signálu

segment: poloha piestu, riadiacej páky, teplomera kvapaliny alebo elektrického signálu, amplitúdovo obmedzené rôzne viacrozmerné priestory: farba, kvadratúrne modulovaný signál.

Vlastnosti analógových signálov sú vo veľkej miere opačné ako vlastnosti kvantovaných alebo digitálnych signálov.

Nedostatok navzájom jasne odlíšiteľných diskrétnych úrovní signálu vedie k nemožnosti aplikovať pojem informácie na jej popis v podobe, ako je chápaná v digitálnych technológiách. "Množstvo informácií" obsiahnutých v jednej vzorke bude obmedzené iba dynamickým rozsahom meracieho prístroja.

Žiadna nadbytočnosť. Z kontinuity priestoru hodnôt vyplýva, že akékoľvek rušenie vnesené do signálu je nerozoznateľné od samotného signálu, a preto nie je možné obnoviť pôvodnú amplitúdu. V skutočnosti je filtrovanie možné napríklad frekvenčnými metódami, ak sú známe ďalšie informácie o vlastnostiach tohto signálu (najmä frekvenčné pásmo).

Aplikácia:

Analógové signály sa často používajú na reprezentáciu neustále sa meniacich fyzikálnych veličín. Napríklad analógový elektrický signál získaný z termočlánku nesie informácie o zmenách teploty, signál z mikrofónu - o rýchlych zmenách tlaku vo zvukovej vlne atď.

2.2 Digitálny signál

Digitálny signál je dátový signál, v ktorom je každý z reprezentujúcich parametrov opísaný funkciou diskrétneho času a konečnou množinou možných hodnôt.

Signály sú diskrétne elektrické alebo svetelné impulzy. Pri tejto metóde sa celá kapacita komunikačného kanála využíva na prenos jedného signálu. Digitálny signál využíva celú šírku pásma kábla. Šírka pásma je rozdiel medzi maximálnou a minimálnou frekvenciou, ktorá môže byť prenášaná cez kábel. Každé zariadenie v takýchto sieťach posiela dáta oboma smermi a niektoré môžu súčasne prijímať a vysielať. Systémy v základnom pásme prenášajú dáta ako digitálny signál s jednou frekvenciou.

Diskrétny digitálny signál sa prenáša na veľké vzdialenosti ťažšie ako analógový signál, preto je vopred modulovaný na strane vysielača a demodulovaný na strane prijímača informácií. Použitie algoritmov na kontrolu a obnovu digitálnych informácií v digitálnych systémoch môže výrazne zvýšiť spoľahlivosť prenosu informácií.

Komentujte. Treba mať na pamäti, že skutočný digitálny signál je svojou fyzikálnou podstatou analógový. V dôsledku šumu a zmien parametrov prenosových vedení má kolísanie amplitúdy, fázy / frekvencie (jitter), polarizácie. Ale tento analógový signál (impulzný a diskrétny) je vybavený vlastnosťami čísla. Vďaka tomu je možné použiť numerické metódy na jeho spracovanie (počítačové spracovanie).

Signály sú informačné kódy, ktoré ľudia používajú na prenos správ v informačnom systéme. Signál môže byť vydaný, ale nie je potrebné ho prijímať. Zatiaľ čo správu možno považovať iba za signál (alebo súbor signálov), ktorý prijal a dekódoval príjemca (analógový a digitálny signál).

Jednou z prvých metód prenosu informácií bez účasti ľudí alebo iných živých bytostí boli signálne požiare. Keď nastalo nebezpečenstvo, požiare sa dôsledne robili z jedného miesta na druhé. Ďalej zvážime spôsob prenosu informácií pomocou elektromagnetických signálov a podrobne sa zameriame na zváženie témy. analógový a digitálny signál.

Akýkoľvek signál môže byť reprezentovaný ako funkcia, ktorá popisuje zmeny v jeho charakteristikách. Tento pohľad je vhodný na štúdium rádiotechnických zariadení a systémov. Okrem signálu v rádiotechnike existuje aj šum, ktorý je jeho alternatívou. Šum nenesie žiadne užitočné informácie a skresľuje signál interakciou s ním.

Samotný pojem umožňuje abstrahovať od konkrétnych fyzikálnych veličín pri zvažovaní javov spojených s kódovaním a dekódovaním informácií. Matematický model signálu vo výskume umožňuje spoliehať sa na parametre časovej funkcie.

Typy signálov

Signály na fyzickom médiu nosiča informácie sa delia na elektrické, optické, akustické a elektromagnetické.

Podľa spôsobu nastavenia môže byť signál pravidelný alebo nepravidelný. Regulárny signál je reprezentovaný ako deterministická funkcia času. Nepravidelný signál v rádiotechnike je reprezentovaný chaotickou funkciou času a je analyzovaný pomocou pravdepodobnostného prístupu.

Signály, v závislosti od funkcie, ktorá popisuje ich parametre, môžu byť analógové a diskrétne. Diskrétny signál, ktorý bol kvantovaný, sa nazýva digitálny signál.

Spracovanie signálu

Analógové a digitálne signály sú spracovávané a smerované na vysielanie a prijímanie informácií zakódovaných v signáli. Po získaní informácií je možné ich použiť na rôzne účely. V špeciálnych prípadoch sú informácie formátované.

Analógové signály sú zosilňované, filtrované, modulované a demodulované. Digitálne, okrem toho, môžu byť stále vystavené kompresii, detekcii atď.

Analógový signál

Naše zmysly vnímajú všetky informácie, ktoré do nich vstupujú, v analógovej forme. Ak napríklad vidíme prechádzať auto, vidíme, že sa neustále pohybuje. Ak by náš mozog mohol každých 10 sekúnd dostávať informácie o svojej polohe, ľudia by neustále padali pod kolesá. Ale môžeme odhadnúť vzdialenosť oveľa rýchlejšie a táto vzdialenosť je v každom okamihu jasne definovaná.

Absolútne to isté sa deje aj s inými informáciami, môžeme kedykoľvek odhadnúť hlasitosť, cítiť, aký tlak naše prsty vyvíjajú na predmety atď. Inými slovami, takmer všetky informácie, ktoré môžu vzniknúť v prírode, majú analógovú formu. Najjednoduchší spôsob prenosu takýchto informácií je prostredníctvom analógových signálov, ktoré sú nepretržité a určené v ľubovoľnom čase.

Aby ste pochopili, ako vyzerá analógový elektrický signál, môžete si predstaviť graf, ktorý zobrazuje amplitúdu na zvislej osi a čas na vodorovnú os. Ak napríklad meriame zmenu teploty, na grafe sa objaví súvislá čiara zobrazujúca jej hodnotu v každom okamihu. Na prenos takéhoto signálu pomocou elektrického prúdu musíme porovnať hodnotu teploty s hodnotou napätia. Takže napríklad 35,342 stupňov Celzia možno zakódovať ako napätie 3,5342 V.

Analógové signály sa používali vo všetkých formách komunikácie. Aby sa zabránilo rušeniu, musí byť takýto signál zosilnený. Čím vyššia je úroveň šumu, teda rušenia, tým viac musíte zosilniť signál, aby ho bolo možné prijímať bez skreslenia. Tento spôsob spracovania signálu využíva veľa energie na generovanie tepla. V tomto prípade môže zosilnený signál sám o sebe spôsobiť rušenie iných komunikačných kanálov.

V súčasnosti sa analógové signály stále používajú v televízii a rádiu na konverziu vstupného signálu do mikrofónov. Ale vo všeobecnosti je tento typ signálu všadeprítomne nahradený alebo nahradený digitálnymi signálmi.

Digitálny signál

Digitálny signál je reprezentovaný postupnosťou digitálnych hodnôt. Binárne digitálne signály sa dnes najčastejšie používajú, pretože sa používajú v binárnej elektronike a ľahšie sa kódujú.

Na rozdiel od predchádzajúceho typu signálu má digitálny signál dve hodnoty „1“ a „0“. Ak si spomenieme na náš príklad s meraním teploty, tak signál bude generovaný inak. Ak napätie dodávané analógovým signálom zodpovedá hodnote nameranej teploty, potom bude v digitálnom signáli pre každú hodnotu teploty privedený určitý počet napäťových impulzov. Samotný napäťový impulz sa bude rovnať "1" a neprítomnosť napätia - "0". Prijímacie zariadenie dekóduje impulzy a obnoví pôvodné údaje.

Keď si predstavíme, ako bude digitálny signál vyzerať na grafe, uvidíme, že prechod z nuly na maximálnu hodnotu sa uskutoční náhle. Práve táto funkcia umožňuje prijímaciemu zariadeniu „vidieť“ signál jasnejšie. Ak dôjde k akémukoľvek rušeniu, je pre prijímač jednoduchšie dekódovať signál ako pri analógovom prenose.

Nie je však možné obnoviť digitálny signál s veľmi vysokou úrovňou šumu, pričom je stále možné „vyloviť“ informácie z analógového typu s veľkým skreslením. Je to spôsobené orezávacím efektom. Podstatou efektu je, že digitálne signály môžu byť prenášané na určitú vzdialenosť a potom jednoducho prerušené. Tento efekt sa vyskytuje celoplošne a je riešený jednoduchou regeneráciou signálu. Tam, kde signál klesá, je potrebné vložiť opakovač alebo znížiť dĺžku komunikačnej linky. Repeater nezosilňuje signál, ale rozpoznáva jeho pôvodnú podobu a vytvára jeho presnú kópiu a môže byť ľubovoľne použitý v reťazci. Takéto metódy opakovania signálu sa aktívne používajú v sieťových technológiách.

Okrem iného sa analógový a digitálny signál líši aj schopnosťou kódovať a šifrovať informácie. To je jeden z dôvodov prechodu mobilnej komunikácie na digitál.

Analógový a digitálny signál a digitálno-analógová konverzia

Trochu viac by sa malo povedať o tom, ako sa analógové informácie prenášajú cez digitálne komunikačné kanály. Použime opäť príklady. Ako už bolo spomenuté, zvuk je analógový signál.

Čo sa deje v mobilných telefónoch, ktoré prenášajú informácie digitálnymi kanálmi

Zvuk vstupujúci do mikrofónu je podrobený analógovo-digitálnej konverzii (ADC). Tento proces pozostáva z 3 krokov. Jednotlivé hodnoty signálu sa odoberajú v rovnakých časových intervaloch, tento proces sa nazýva vzorkovanie. Podľa Kotelnikovovej vety o šírke pásma kanálov by vzorkovacia frekvencia týchto hodnôt mala byť dvakrát vyššia ako najvyššia frekvencia signálu. To znamená, že ak má náš kanál frekvenčný limit 4 kHz, vzorkovacia frekvencia bude 8 kHz. Ďalej sú všetky zvolené hodnoty signálu zaokrúhlené alebo, inými slovami, kvantované. Čím viac úrovní sa v tomto prípade vytvorí, tým vyššia je presnosť rekonštruovaného signálu na prijímači. Potom sa všetky hodnoty prevedú na binárny kód, ktorý sa prenesie do základňovej stanice a následne sa dostane k ďalšiemu účastníkovi, ktorým je prijímač. V telefóne príjemcu sa uskutoční digitálno-analógový prevod (DAC). Ide o opačný postup, ktorého účelom je získať na výstupe signál čo najviac zhodný s pôvodným. Potom vychádza analógový signál vo forme zvuku z reproduktora telefónu.

Analógové, diskrétne a digitálne signály

ÚVOD DO DIGITÁLNEHO SPRACOVANIA SIGNÁLU

Digitálne spracovanie signálu (DSP alebo DSP - digital signal processing) je jednou z najnovších a najvýkonnejších technológií, ktorá sa aktívne implementuje v širokej škále oblastí vedy a techniky, ako sú komunikácie, meteorológia, radar a sonar, lekárske zobrazovanie , digitálne audio a televízne vysielanie, prieskum ložísk ropy a zemného plynu a pod. Dá sa povedať, že technológie digitálneho spracovania signálov prenikajú do všetkých sfér ľudskej činnosti široko a hlboko. Technológia DSP je dnes jedným zo základných poznatkov, ktoré potrebujú vedci a inžinieri všetkých odvetví bez výnimky.

Signály

čo je signál? V najvšeobecnejšej formulácii ide o závislosť jednej veličiny od druhej. To znamená, že z matematického hľadiska je signál funkciou. Najčastejšie uvažované časové závislosti. Fyzikálna povaha signálu sa líši. Veľmi často ide o elektrické napätie, menej často o prúd.

Formy prezentácie signálu:

1. dočasné;

2. spektrálne (vo frekvenčnej oblasti).

Náklady na digitálne spracovanie sú nižšie ako na analógové a stále klesajú, zatiaľ čo výkon výpočtových operácií sa neustále zvyšuje. Je tiež dôležité, aby systémy DSP boli vysoko flexibilné. Môžu byť doplnené o nové programy a preprogramované na vykonávanie rôznych operácií bez zmeny zariadenia. Preto záujem o vedeckú a aplikovanú problematiku digitálneho spracovania signálov rastie vo všetkých odvetviach vedy a techniky.

PREDSLOV K DIGITÁLNEMU SPRACOVANIU SIGNÁLU

Diskrétne signály

Podstatou digitálneho spracovania je to fyzický signál(napätie, prúd atď.) sa prevedie na sekvenciu čísla, ktorý je následne podrobený matematickým transformáciám vo VU.

Analógové, diskrétne a digitálne signály

Pôvodný fyzický signál je spojitou funkciou času. Takéto signály, určené v každom čase t, sa nazývajú analógový.

Aký signál sa nazýva digitálny? Zoberme si nejaký analógový signál (obr. 1.1 a). Nastavuje sa priebežne počas celého uvažovaného časového intervalu. Analógový signál sa považuje za absolútne presný, ak sa neberie do úvahy neistota merania.

Ryža. 1.1 a) Analógový signál

Ryža. 1.1 b) Vzorkovaný signál

Ryža. 1.1 c) Kvantovaný signál

Ak chcete prijať, musíte digitálny signál, musíte vykonať dve operácie - vzorkovanie a kvantovanie... Proces konverzie analógového signálu na sekvenciu vzoriek sa nazýva vzorkovanie, a výsledkom takejto premeny je diskrétny signál.T. príj., vzorkovanie spočíva v zostavení vzorky z analógového signálu (obr.1.1b), ktorého každý prvok, tzv odpočítavanie, budú časovo rozmiestnené od susedných vzoriek v určitom intervale T volal interval odberu vzoriek alebo (keďže interval vzorkovania je častejšie rovnaký) - vzorkovacie obdobie... Prevrátená doba vzorkovania sa nazýva vzorkovacia frekvencia a je definovaný ako:

(1.1)

Pri spracovaní signálu vo výpočtovom zariadení sú jeho vzorky reprezentované ako binárne čísla s obmedzeným počtom bitov. Výsledkom je, že vzorky môžu mať iba konečnú množinu hodnôt, a preto pri prezentácii signálu nevyhnutne dochádza k jeho zaokrúhľovaniu. Proces prevodu vzoriek signálu na čísla sa nazýva kvantovanie... Vzniknuté zaokrúhľovacie chyby sa nazývajú zaokrúhľovacie chyby resp kvantizačný šum... Kvantovanie je teda redukcia úrovní vzorkovaného signálu na určitú mriežku (obr. 1.1 c), častejšie bežným zaokrúhľovaním smerom k väčšej. Časovo diskrétny a hladinovo kvantovaný signál bude digitálny.

Podmienky, za ktorých je možné úplne obnoviť analógový signál z jeho digitálneho ekvivalentu pri zachovaní všetkých informácií pôvodne obsiahnutých v signáli, vyjadrujú teorémy Nyquista, Kotelnikova, Shannona, ktorých podstata je prakticky rovnaká. Na vzorkovanie analógového signálu s úplným zachovaním informácie v jeho digitálnom ekvivalente musia byť maximálne frekvencie v analógovom signáli aspoň polovicou vzorkovacej frekvencie, to znamená f max £ (1/2) f d, t.j. v jednej perióde maximálnej frekvencie musia byť aspoň dve vzorky. Ak je táto podmienka porušená, dochádza v digitálnom signáli k efektu maskovania (substitúcie) skutočných frekvencií nižšími. V tomto prípade sa namiesto skutočnej frekvencie zaznamená do digitálneho signálu „zdanlivá“ frekvencia, a preto je obnovenie skutočnej frekvencie v analógovom signáli nemožné. Rekonštruovaný signál bude vyzerať, ako keby sa frekvencie nad polovicou vzorkovacej frekvencie odrážali od frekvencie (1/2) f d do spodnej časti spektra a superponovali na frekvencie už prítomné v tejto časti spektra. Tento efekt sa nazýva aliasing alebo aliasing(aliasing). Názorným príkladom aliasingu je ilúzia, ktorá je v kine celkom bežná - koleso auta sa začne otáčať proti svojmu pohybu, ak koleso urobí viac ako polovicu otáčky medzi po sebe nasledujúcimi snímkami (analogicky k vzorkovacej frekvencii).

Konverzia signálu na digitálny pomocou analógovo-digitálnych prevodníkov (ADC). Zvyčajne používajú binárny číselný systém s pevným počtom číslic na jednotnej stupnici. Zvýšenie počtu číslic zvyšuje presnosť merania a rozširuje dynamický rozsah meraných signálov. Informácie stratené v dôsledku nedostatku bitov ADC sú neobnoviteľné a existujú len odhady vznikajúcej chyby "zaokrúhľovania" vzoriek, napríklad prostredníctvom výkonu šumu generovaného chybou v poslednom bite ADC. Na to sa používa koncept odstupu signálu od šumu - pomer výkonu signálu k výkonu šumu (v decibeloch). Najčastejšie používané sú 8-, 10-, 12-, 16-, 20- a 24-bitové ADC. Každá ďalšia číslica zlepšuje pomer signálu k šumu o 6 decibelov. Zvýšenie počtu bitov však znižuje vzorkovaciu frekvenciu a zvyšuje náklady na hardvér. Dôležitým aspektom je aj dynamický rozsah, ktorý je určený maximálnymi a minimálnymi hodnotami signálu.

Digitálne spracovanie signálu sa vykonáva buď špeciálnymi procesormi, alebo na univerzálnych počítačoch a počítačoch pomocou špeciálnych programov. Najľahšie na zváženie lineárne systémov. Lineárne sa nazývajú systémy, u ktorých prebieha princíp superpozície (odozva na súčet vstupných signálov sa rovná súčtu odoziev na každý signál samostatne) a homogenita (zmena amplitúdy vstupného signálu spôsobí úmernú zmenu výstupný signál).

Ak vstupný signál x (t-t 0) generuje jednoznačný výstupný signál y (t-t 0) pre ľubovoľný posun t 0, potom sa systém nazýva časovo invariantný... Jeho vlastnosti možno skúmať v ľubovoľnom časovom okamihu. Na popis lineárneho systému sa zavádza špeciálny vstupný signál - jediný impulz(impulzná funkcia).

Jediný impulz(jeden počet) ty 0(n) (obr. 1.2):

Ryža. 1.2. Jediný impulz

Vďaka vlastnostiam superpozície a homogenity môže byť akýkoľvek vstupný signál reprezentovaný ako súčet takýchto impulzov aplikovaných v rôznych časoch a vynásobených zodpovedajúcimi koeficientmi. Výstupný signál systému je v tomto prípade súčtom odoziev na tieto impulzy. Odozva na jeden impulz (impulz s jednotkovou amplitúdou) sa nazýva systém impulznej odozvyh (n). Poznanie impulznej odozvy vám umožňuje analyzovať prechod akéhokoľvek signálu cez diskrétny systém. V skutočnosti môže byť ľubovoľný signál (x (n)) reprezentovaný ako lineárna kombinácia jednotiek vzoriek.