Виды сигналов. Что такое сигнал. Виды сигналов Виды сигналов по природе возникновения

Рассматривая сигналы и виды сигналов, необходимо сказать, что существуют различное количество данных связей. Каждый день любой человек сталкивается с использованием электронного прибора. Без них современная жизнь уже никому не представляется. Речь идет о работе телевизора, радио, компьютере и так далее. Раньше никто не задумывался о том, какой сигнал используется во многих работоспособных приборах. Сейчас же уже давно на слуху слова аналоговый, цифровой и дискретный.

Не все, однако некоторые из вышеперечисленных сигналов считаются довольно качественными и надежными. Цифровая передача используется не так давно, как аналоговая. Это связано с тем, что техника стала поддерживать данный вид только недавно, открыт был этот вид сигнала также сравнительно не так давно. С дискретностью любой человек сталкивается постоянно. Говоря о видах обработки сигнала, необходимо напомнить, что этот немного прерывистый.

Если углубляться в науку, то следует сказать, что дискретной является передача информации, которая позволяет переносить данные и изменять время среды. Благодаря последнему свойству дискретный сигнал может принимать любое значение. На данный момент этот показатель уходит на второй план, после того как большинство техники начали производить на чипах.

Цифровой и другие сигналы целостные, компоненты взаимодействуют друг с другом на все 100 %. В дискретности же все наоборот. Дело в том, что здесь каждая деталь работает самостоятельно и отвечает за свои функции отдельно.

Сигнал

Рассмотрим виды сигналов связи чуть позже, сейчас же следует познакомиться с том, что же собой представляет в принципе сам сигнал. Это обычный код, который передается по воздуху системами. Это формулировка общего типа.

В сфере информации и некоторых других технологий имеется специальный носитель, который позволяет передавать сообщения. Его можно создать, но принять невозможно. В принципе в некоторых системах его могут принять, но это не обязательно. Если сигнал будет считаться сообщением, то «поймать» его нужно обязательно.

Подобный код передачи данных можно назвать обычной математической функцией. Он описывает любое изменение доступных параметров. Если рассматривать радиотехническую теорию, то следует сказать, что такие опции считаются базовыми. Следует заметить, что понятие «шум» является аналогичным сигналу.

Он искажает его, может накладываться на уже переданный код, а также сам собой представляет функцию времени. В статье будут ниже охарактеризованы сигналы и виды сигналов, речь идет о дискретном, аналоговом и цифровом. Коротко рассмотрим всю теорию по теме.

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.

Для чего обрабатывается сигнал?

Сигнал следует обрабатывать для того, чтобы получить информацию, которая в нем зашифрована. Если рассматривать виды модуляции сигнала, то следует отметить, что по амплитудной и частотной манипуляции это довольно сложный процесс, который необходимо полностью понимать. Как только информация будет получена, ее можно использовать совершенно различными способами. В некоторых ситуациях ее форматируют и отправляют далее.

Также нужно отметить другие причины, по которым происходит обработка сигналов. Она заключается в том, чтобы сжать частоты, которые передаются, однако не повредив всю информацию. Далее ее форматируют еще раз и передают. При этом делается это на медленных скоростях. Если говорить о сигналах аналогового и цифрового вида, то здесь используются особенные способы. Имеется фильтрация, свертка и некоторые другие функции. Они нужны для того, чтобы восстановить информацию, если сигнал был поврежден.

Создание и форматирование

Многие виды информационных сигналов, о которых мы поговорим в статье, необходимо создать и после форматировать. Для этого следует иметь цифро-аналоговый преобразователь, а также аналого-цифровой. Как правило, используются они оба в одной ситуации: только в случае использования такой техники как DSP.

В остальных случаях подойдет лишь первый прибор. Для того чтобы создать физические аналоговые коды и потом их переформатировать в цифровые методы, необходимо использовать специальные приборы. Это позволит максимально предотвратить повреждение информации.

Динамический диапазон

Диапазон любого вида аналогового сигнала вычислить несложно. Необходимо использовать разницу большего и меньшего уровня громкости, который показывается в децибелах.

Следует заметить, что информация зависит полностью от особенностей ее исполнения. Причем речь идет как о музыке, так и о разговорах простого человека. Если брать диктора, который будет читать новости, то его динамический диапазон будет составлять не больше 30 децибел. А если читать какое-либо произведение в красках, то этот показатель вырастет до 50.

Аналоговый сигнал

Виды представления сигнала довольный разные. При этом нужно заметить, что аналоговый сигнал является непрерывным. Если говорить о недостатках, то многие отмечают наличие шума, который может, к сожалению, приводить к потери информации.

Довольно часто возникает такая ситуация, что непонятно, где в коде есть действительно важная информация, а где просто искажения. Именно из-за этого аналоговый сигнал стал менее популярен, и на данный момент его вытесняет цифровая технология.

Цифровой сигнал

Нужно заметить, что такой сигнал, как и виды сигналов другие, является потоком данных, который описывается за счет дискретных характеристик.

Нужно заметить, что его амплитуда может повторяться. Если вышеописанный аналоговый вариант способен поступать в конечную точку с огромным количеством шумов, то цифровой подобного не допускает. Он способен самостоятельно ликвидировать большую часть помех, для того чтобы избежать повреждения информации. Также нужно заметить, что данный вид переносит информацию без каких-либо смысловых нагрузок.

Таким образом, через один физический канал пользователь может без труда отправить несколько сообщений. Нужно заметить, что, в отличие от видов звукового сигнала, которые являются максимально распространенными на данный момент, а также аналогового, цифровой не делится на несколько типов. Он является единственным и самостоятельным. Представляет собой двоичный поток. Сейчас является довольно популярным, его просто использовать, о чем свидетельствуют отзывы.

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.

Дискретный сигнал

В данный момент человек пользуется различными звонилками или же другими электронными приборами, которые принимают сигналы. Виды сигналы довольно разнообразны, и одним из них является дискретный. Нужно заметить, что, для того чтобы такие приспособления работали, необходимо передавать звуковой сигнал. Именно поэтому необходим канал, который имеет пропускную способность намного большего уровня, чем было описано ранее.

С чем это связано? Дело в том, что, для того чтобы качественно передать звук, необходимо использовать дискретный сигнал. Он создает не волну звука, а его цифровую копию. Соответственно, передача идет от самой техники. Плюсы такого переноса в том, что пакетная отправка будет осуществляться пакетами, а количество передаваемых данных уменьшится.

Тонкости

В работе вычислительной техники уже давно имеется такое понятие, как дискретизация. За счет такого сигнала можно использовать информацию, которая полностью закодирована. Она не является непрерывной, а данные все собранные в блоки. При этом последние являются отдельными частицами, которые полностью завершены и не зависят друг от друга.

Виды модуляции

Описывая виды сигналов и сигналы в целом, необходимо также поговорить и о модуляции. Что это такое? Это процесс изменения сразу нескольких параметров колебаний, которые осуществляются по определенному закону. Нужно заметить, что делится модуляция на цифровую и импульсную, а также на некоторые другие.

В свою очередь, многие из них делятся отдельно на несколько видов, причем их довольно много. Следует сказать об основных характеристиках такого понятия. Например, за счет видов модуляции сигнала можно добиться устойчивой передачи, минимальной потери, однако следует заметить, что для каждого из них требуется особенный усилитель линейности.

ТЕМА 3 Устройства цифровой обработки сигналов

ЛЕКЦИЯ 8_

Основные понятия цифровой обработки сигналов

Вопросы лекции:

Типы сигналов. Связь между сигналами различных типов.

Системы счисления и коды, используемые в ЦАП- и АЦП-преобразователях.

Области применения ЦАП и АЦП

Основные параметры и классификация ЦАП и АЦП

Типы сигналов. Связь между сигналами различных типов

Все многообразие сигналов можно разделить на три основных типа сигналов: аналоговые, дискретные и цифровые.

Аналоговый сигнал описывается непрерывной или кусочно-непрерывной функцией , причем и аргумент и сама функция могут принимать любые значения из некоторых интервалов: , .

Примеры. , речевой сигнал в радиовещании и телевидении.

Дискретный сигнал описывается решетчатой функцией , которая может принимать любые значение , в то время как независимая переменная может принимать лишь дискретные значения ( - интервал дискретизации).

К дискретным неквантованным сигналам относятся сигналы с амплитудно-импульсной модуляцией.

Цифровой сигнал описывается квантованной решетчатой функцией, то есть решетчатой функцией, принимающей лишь ряд дискретных значений - уровней квантования , в то время как независимая переменная принимает .

Каждый из уровней квантования кодируется двоичным кодом, так что передача и обработка отсчета цифрового кодированного сигнала сводится к операциям над безразмерным двоичным кодом. Число уровней квантования и число двоичных разрядов связаны зависимостью .

К цифровым сигналам относятся, например, сигналы, используемые в системах связи с импульсно-кодовой модуляцией.

Операция дискретизации связывает аналоговый и дискретный сигнал и состоит в том, что по аналоговому сигналу строится дискретный сигнал такой, что .

Операция восстановления состоит в том, что по заданному дискретному сигналу строится аналоговый сигнал .

Операции восстановления и дискретизации взаимно обратны, если дискретизируемый аналоговый сигнал удовлетворяет теореме Котельникова.

Связь между спектром аналогового сигнала и спектром дискретного сигнала определяется формулой

.

Это выражение описывает «размножение» спектра аналогового сигнала при дискретизации.

Операция квантования и кодирования (аналого-цифрового преобразования) состоит в том, что по заданному дискретному сигналу строится кодированный сигнал , такой что , .

Операция цифро-аналогового преобразования состоит в том, что по заданному цифровому кодированному сигналу строят дискретный сигнал, причем .

Операции квантования и кодирования и цифро-аналогового преобразования не являются точно взаимно обратными, так как квантование в общем случае выполняется с неустранимой погрешностью. Однако, если для представления каждого отсчета использовать достаточно большое количество двоичных сигналов, то погрешность квантования окажется достаточно малой и дискретный сигнал (и, следовательно, соответствующий аналоговый сигнал) может быть заменен цифровым сигналом.

Операции дискретизации, квантования и кодирования выполняют аналого-цифровые преобразователи (АЦП) , а операции цифро-аналогового преобразования и восстановления - цифро-аналоговые преобразователи (АЦП) .

Устройства цифровой обработки сигналов (ЦОС)- это устройства, реализующие тот или иной алгоритм цифровой обработки.

Основные преимущества ЦОС по сравнению с аналоговыми:

1) характеристики устройств ЦОС абсолютно стабильны и не изменяются при изменении внешних условий (температура, влажность и.т.д.), пока эти устройства сохраняют работоспособность;

2) возможна реализация ряда операций и алгоритмов, принципиально нереализуемых с помощью аналоговых элементов, например обработка инфранизкочастотных сигналов, так как цифровые запоминающие устройства обладают практически неограниченной длительностью хранения информации.

устройства ЦОС удобно реализовывать в виде БИС и СБИС.

Среди недостатков УЦОС можно выделить следующие:

1) Относительно низкая скорость обработки;

2) Относительно большая потребляемая мощность;

3) Относительно большая стоимость;

4) Необходимость использования на входе и выходе УЦОС АЦП и ЦАП.

Необходимо отметить, что значимость первых двух недостатков уменьшается благодаря развитию технологий изготовления БИС и СБИС. В стоимости УЦОС все больший вес приобретает стоимость алгоритмов и программ. Принципиально точность УЦОС ограничена применяемыми АЦП И ЦАП. Точность вычислений в самом устройстве определяется числом двоичных разрядов, используемых для представления кодов.

2. Системы счисления и коды,
используемые в ЦАП- и АЦП-преобразователях

Обычно для представления чисел используется десятичная позиционная система счисления, в которой каждое число представлено в виде суммы степеней 10, хотя записываются только коэффициенты этого разложения:

В десятичной системе для представления коэффициентов разложения используются 10 цифр.

Однако цифровые устройства преобразуют информацию представленную всего двумя цифрами 0 и 1, поэтому для представления чисел удобно пользоваться двоичной системой счисления, в которой веса двоичных коэффициентов являются степенями 2.

Измеряемые физические величины могут быть униполярными так и биполярными. Поэтому для их представления в цифровом виде в АЦП и ЦАП используются как униполярные так и биполярные коды.

Униполярные коды.

Двоичный код (обычный двоичный код).

Самый правый разряд - это младший значащий разряд (МЗР), самый левый - старший значащий разряд (СЗР).

В этом коде вклад каждого бита (двоичного разряда) зависит от занимаемой позиции:

В битовой последовательности СЗР имеет вес , а максимальное число, которое можно представить разрядным кодом равно .

Кодирование дробных чисел

При рассмотрении работы АЦП важно рассматривать двоичное число как представление дробной части некоторого целого. В этом случае вес МЗР равен , а вес СЗР - . Перед числом подразумевается запятая:

.

Величина дробного числа, соответствующего единицам во всех разрядах определяется как 1-1МЗР. Кроме того МЗР определяет разрешение -разрядного кода преобразователя

3. Области применения ЦАП и АЦП

Уровень и развитие микроэлектронных ЦАП и АЦП определяются требованиями к техническим и эксплуатационным характеристикам радиотехнических систем, в которых они применяются.

Эти требования могут существенно различаться в зависимости от назначения, принципа действия и условий эксплуатации систем.

Необходимость в приеме, обработке, передачи большого объема информации в реальном масштабе времени, а также проблемы исследования быстропротекающих процессов в различных установках привели к созданию быстродействующих интегральных микросхем ЦАП и АЦП .

Решение проблем связи потребовало создание многоканальных преобразователей .

Прецизионные измерения, сейсморазведка, робототехника, аппаратура высококачественной ауди- и видеозаписи невозможны без преобразователей, обладающих высоким разрешением .

Жесткие требования по энергопотреблению и массогабаритным характеристикам, предъявляемым к бортовым системам удовлетворяются за счет применения микромощных и функционально законченных преобразователей .

Для РТС военного назначения требуются преобразователи, устойчивые к воздействию различных внешних факторов .

Для бытовых электро- и радиоприборов требуется широкая номенклатура недорогих преобразователей, не обладающих рекордными значениями электрических параметров и эксплуатационных характеристик.

Некоторые области применения АЦП:

Некоторые области применения ЦАП.

3 Основные параметры и классификация ЦАП и АЦП

Классификация ЦАП осуществляется по методам преобразования .

Различают два метода преобразования -

* метод суммирования единичной аналоговой величины (квантов);

* метод суммирования с учетом веса разрядов.

По схеме реализации ЦАП разделяются на: ЦАП с суммированием напряжений, ЦАП с суммированием токов, ЦАП умножающие.

Параметры ЦАП.

Параметры номинальной функции преобразования.

Номинальная функция преобразования имеет вид

Или при двоичном кодировании.

Графически интерпретируется точками на прямой. Конечное значение выходного сигнала .

Параметрами этой функции являются коэффициент преобразования , вид кода входного сигнала и количество разрядов .

Коэффициент преобразования есть отношение приращения аналогового сигнала к приращению цифрового сигнала. Имеет размерность выходной величины и численно равен номинальной единице младшего разряда.

Входным кодом может быть натуральный двоичный код, двоично-десятичные коды.

Параметры статической точности.

Погрешность преобразования - отклонение реальной функции преобразования от номинальной.

Погрешность преобразования систематическая - усредненное во времени значение погрешности преобразования при неизменном значении управляющего кода.

Погрешность преобразования случайная - случайная составляющая (шум) выходного сигнала при неизменном значении входного кода.

Нелинейность преобразования - максимальное отклонение значений реальной функции преобразования от соответствующих точек на прямой, аппроксимирующей эту функцию.

Дифференциальная нелинейность преобразования - отклонение приращения выходного сигнала при переходе входного кода на смежное значение от значения единицы МЗР. Выражается в долях единицы МЗР.

Динамические параметры.

Время установления по току (напряжению ) - интервал времени от момента заданного изменения кода на входе ЦАП до момента, при котором выходной аналоговый сигнал окончательно войдет в зону установившегося состояния, соответствующего ±1/2 МЗР или другому оговоренному значению.

Выброс выходного сигнала - краткий всплеск в выходном сигнале при изменении входного кода.

Функция влияния - зависимость изменения параметров от влияющих факторов (температура, питающего напряжения и тд.).

Параметры сопряжения электрические .

Характеризуют все входы и выходы ЦАП с точки зрения сопряжения с внешними устройствами. Разделяются на параметры аналогового сопряжения и параметры цифрового сопряжения.

К первым относятся входные и выходные сопротивления, номинальные значения и допуски питающих напряжений, внешних опорных напряжений.

Ко вторым - номинальные значения и допуски напряжений лог. «0» и лог. «1», входные полные сопротивления (токи) со стороны цифровых входов.

Лекция 1

Основные типы сигналов и их математическое описание.

Основные типы сигналов: аналоговый, дискретный, цифровой.

Аналоговый - это сигнал, непрерывный во времени и по состоянию (рис.1а). Сигнал описывается непрерывной (или кусочно-непрерывной) функцией Х (t ). При этом и аргумент и сама функция могут принимать любые значения из некоторых интервалов:

t " ≤ t ≤ t "" , x " ≤ x ≤ x "".

Дискретный - это сигнал, дискретный во времени и непрерывный по состоянию (рис.1б). Описывается решетчатой функцией Х (n * T ), где n - номер отсчета (1,2,3,…). Интервал Т называют период дискретизации, а обратную величину f д=1/Т – частота дискретизации. Решетчатая функция определена только в моменты времени n * T и может только в эти моменты принимать любые значения из некоторого интервала x " ≤ x ≤ x "". Значения решетчатой функции, а соответственно и самого сигнала в моменты времени n * T , называют отсчетами. (Дискретный сигнал может быть как вещественным, так и комплексным).

Цифровой - это сигнал, дискретный как во времени, так и по состоянию (рис.1в). Сигналы этого типа так же описываются решетчатыми функциями Х ц(n * T ), которые могут принимать лишь конечное число значений из некоторого конечного интервала x " ≤ x ≤ x "". Эти значения называются уровнями квантования, а соответствующие функции – квантованными.

При анализе дискретных сигналов удобно пользоваться нормированным временем
, иначе , т.е. номер отсчета дискретного сигнала может интерпретироваться как нормированное время. При переходе нормированному времени дискретный сигнал можно рассматривать как функцию целочисленной переменной n . То есть далее Х (n ) равнозначно Х (n · T ).

Нормирование частоты.

По теореме Котельникова максимальная частота аналогового сигнала f в не должна быть более f д/2. Поэтому все дискретные сигналы целесообразно рассматривать в диапазоне . При этом вводится понятие нормированной частоты

или

и рассматривать дискретный сигнал f в области

или

Применение нормированной частоты позволяет исследовать частотные характеристики дискретных систем и спектры дискретных сигналов в единой полосе частот. Для ЦОС важны не абсолютные значения частоты сигнала и частоты дискретизации, а их отношение, т.е. значение нормированной частоты.

Например для 2х дискретных косинусоид:

где

В итоге:

Дискретные сигналы их одинаковы, так как равны их нормированные частоты, они, лишь, по разному будут во времени.

В общем случае дискретная косинусоида в области нормированных частот имеет вид:

Обобщенная схема Цифровой обработки сигнала.

Процесс ЦОС включает 3 этапа:

Формирователь последовательности чисел Х(n * T ) из аналогового сигнала x (t ) ;

Преобразование последовательности Х(n * T ) по заданному алгоритму цифровым процессором обработки сигналов (ЦПОС) в новую, выходную числовую последовательность y(n * T ) ;

Формирование результирующего аналогового сигнала y (t ) из последовательности y (n * T ).

Частота дискретизации f д выбирается: f д ≥ 2f в.

Реальные сигналы не удовлетворяют этому требованию. Поэтому ставят ФНЧ, ограничивающий спектр. Так как энергия реальных сигналов уменьшается с ростом частоты, то искажения вносимые ФНЧ незначительны (рис.3 а и б), а также спектры ниже:

Уровни квантования (рис 1.в.) кодируются двоичными числами, поэтому на выходе АЦП имеем последовательность двоичных чисел
. Цифровой сигнал
отличается от дискретного
на величину:

Ошибка квантования.

Для её снижения необходимо увеличивать количество уровней квантования. Дискретный сигнал поступает в ЦПОС, который по алгоритму каждому входному отчету ставит в однозначное соответствие выходной сигнал
. При этом количество операций (умножений, сложений, инверсий, пересылок и т.д.) для получения одного отсчета может исчисляться сколько угодно. Однако период обработки (время вычисления) не может быть больше периода дискретизации . А это может быть лишь, если тактовая частота f Т ЦПОС >> f Д.

Далее ЦАП формирует ступенчатый аналоговый сигнал (t ), ступеньки которого сглаживаются фильтром, получая аналоговый y (t ).

Назначение радиоэлектронных устройств, как известно, - получение, преобразование, передача и хранение информации, представленной в форме электрических сигналов. Сигналы, действующие в электронных устройствах, и соответственно сами устройства делят на две большие группы: аналоговые и цифровые.

Аналоговый сигнал - сигнал, непрерывный по уровню и во времени, т. е. такой сигнал существует в любой момент времени и может принимать любой уровень из заданного диапазона.

Квантованный сигнал - сигнал, который может принимать только определенные квантованные значения, соответствующие уровням квантования. Расстояние между двумя соседними уровнями - шаг квантования.

Дискретизированный сигнал - сигнал, значения которого заданы только в моменты времени, называемые моментами дискретизации. Расстояние между соседними моментами дискретизации - шаг дискретизации . При постоянном применима теорема Котельникова: , где - верхняя граничная частота спектра сигнала.

Цифровой сигнал - сигнал, квантованный по уровню и дискретизированный во времени. Квантованные значения цифрового сигнала обычно кодируются некоторым кодом, при этом каждый выделенный в процессе дискретизации отсчет заменяется соответствующим кодовым словом, символы которого имеют два значения - 0 и 1 (рис. 2.1).

Типичными представителями устройств аналоговой электроники являются устройства связи, радиовещания, телевидения. Общие требования, предъявляемые к аналоговым устройствам, - минимальные искажения. Стремление выполнить эти требования приводит к усложнению электрических схем и конструкции устройств. Другая проблема аналоговой электроники - достижение необходимой помехоустойчивости, ибо в аналоговом канале связи шумы принципиально неустранимы.

Цифровые сигналы формируются электронными схемами, транзисторы в которых либо закрыты (ток близок к нулю), либо полностью открыты (напряжение близко к нулю), поэтому на них рассеивается незначительная мощность и надежность цифровых устройств получается более высокой, чем аналоговых.

Цифровые устройства более помехоустойчивы, чем аналоговые, так как небольшие посторонние возмущения не вызывают ошибочного срабатывания устройств. Ошибки появляются только при таких возмущениях, при которых низкий уровень сигнала воспринимается как высокий, или наоборот. В цифровых устройствах можно также применить специальные коды, позволяющие исправить ошибки. В аналоговых устройствах такой возможности нет.

Цифровые устройства нечувствительны к разбросу (в допустимых пределах) параметров и характеристик транзисторов и других элементов схем. Безошибочно изготовленные цифровые устройства не нужно настраивать, а их характеристики полностью повторяемы. Все это очень важно при массовом изготовлении устройств по интегральной технологии. Экономичность производства и эксплуатации цифровых интегральных микросхем привела к тому, что в современных радиоэлектронных устройствах цифровой обработке подвергаются не только цифровые, но и аналоговые сигналы. Распространены цифровые фильтры, регуляторы, перемножители и др. Перед цифровой обработкой аналоговые сигналы преобразуются в цифровые с помощью аналого-цифровых преобразователей (АЦП). Обратное преобразование - восстановление аналоговых сигналов по цифровым - выполняется с помощью цифроаналоговых преобразователей (ЦАП).

При всем многообразии задач, решаемых устройствами цифровой электроники, их функционирование происходит в системах счисления, оперирующих всего двумя цифрами: нуль (0) и единица (1).

Работа цифровых устройств обычно тактируется достаточно высокочастотным генератором тактовых импульсов. В течение одного такта реализуется простейшая микрооперация - чтение, сдвиг, логическая команда и т. п. Информация представляется в виде цифрового слова. Для передачи слов используются два способа - параллельный и последовательный. Последовательное кодирование применяется при обмене информацией между цифровыми устройствами (например, в компьютерных сетях, модемной связи). Обработка информации в цифровых устройствах реализуется при использовании параллельного кодирования информации, обеспечивающего максимальное быстродействие.

Элементную базу для построения цифровых устройств составляют интегральные микросхемы (ИМС), каждая из которых реализуется с использованием определенного числа логических элементов - простейших цифровых устройств, выполняющих элементарные логические операции.

Проведем классификацию сигналов. Сигналы подразделяют на:

детерминированные;

случайные.

Детерминированными называют сигналы, которые точно определены в любые моменты времени. В отличие от них некоторые параметры случайных сигналов заранее предсказать невозможно.

Строго говоря, так как выдача источником сообщений (например, датчиком) того или иного конкретного сообщения случайна, то предсказать точно изменение значений параметров сигнала невозможно. Следовательно, сигнал принципиально имеет случайный характер. Детерминированные сигналы имеют весьма ограниченное самостоятельное значение только для целей наладки и регулировки информационной и вычислительной техники, играя роль эталонов.

В зависимости от структуры параметров сигналы подразделяются на:

дискретные;

непрерывные;

дискретно-непрерывные.

Сигнал считают дискретным по данному параметру, если число значений, которое может принимать этот параметр, конечно (счетно). В противном случае сигнал считают непрерывным по данному параметру. Сигнал, дискретный по одному параметру и непрерывный по другому, называют дискретно-непрерывным.

В соответствии с этим выделяют следующие виды сигналов (рис. 1.4.):

а) Непрерывные по уровню и времени (аналоговые) – это сигналы на выходе микрофонов, датчиков температуры, давления и т.д.

б) Непрерывные по уровню, но дискретные по времени. Такие сигналы получают в результате дискретизации по времени аналоговых сигналов.

Рис. 1.4. Разновидности сигналов.

Под дискретизацией подразумевают преобразование функции непрерывного времени (в частности непрерывного сигнала) в функцию дискретного времени, представляющую последовательность величин, называемых координатами, выборками или отсчетами (sample value).

Наибольшее распространение получил метод дискретизации, при котором роль координат выполняют мгновенные значения непрерывной функции (сигнала), взятые в определенные моменты времени S(t i), где i=1,…,n. Временные интервалы между этими моментами называют интервалами выборки (sample interval). Такой вид дискретизации часто называют амплитудно-импульсной модуляцией (АИМ).

в) Дискретные по уровню, непрерывные по времени. Такие сигналы получают из непрерывных в результате квантования по уровню.

Под квантованием по уровню (или просто квантованием) подразумевают преобразование некоторой величины с непрерывной шкалой значений (например, амплитуда сигнала) в величину, имеющую дискретную шкалу значений.

Эту непрерывную шкалу значений разбивают на 2m+1 интервалов, называемых шагами квантования. Из множества мгновенных значений, принадлежащих j-тому шагу квантования, только одно значение S j является разрешенным, оно называется j-тым уровнями квантования. Квантование сводится к замене любого мгновенного значения непрерывного сигнала одним из конечного множества уровней квантования (обычно ближайшим):

S j , где j=-m,-m+1,…,-1,0,1,…,m.

Совокупность значений S j образует дискретную шкалу уровней квантования. Если эта шкала равномерна, т.е. разность ΔS j = S j - S j-1 постоянна, квантование называется равномерным. В противном случае – неравномерным. Благодаря простоте технической реализации равномерное квантование получило наиболее широкое распространение.

г) Дискретные по уровню и времени. Такие сигналы получают, осуществляя дискретизацию и квантование одновременно. Данные сигналы легко представить в цифровой форме (digital sample), т.е. в виде чисел с конечным числом разрядов, заменив каждый импульс числом, обозначающий номер уровня квантования, которого достиг импульс в конкретный момент времени. По этой причине данные сигналы часто называют цифровыми.

Толчком к представлению непрерывных сигналов в дискретной (цифровой) форме послужила необходимость засекречивания речевых сигналов во время 2-ой мировой войны. Еще большим стимулом к цифровому преобразованию непрерывных сигналов явилось создание ЭВМ, которые используются в качестве источника или приемника сигналов во многих системах передачи информации.

Приведем примеры цифрового преобразования непрерывных сигналов. Например, в цифровых телефонных системах (стандарт G.711) замена аналогового сигнала последовательностью отсчетов происходит с частотой 2F=8000 Гц, Т д = 125 мкс.(Так как диапазон частот телефонного сигнала составляет 300-3400 Гц, а частота выборки по теореме Найквиста-Котельникова должна быть как минимум в два раза больше максимальной частоты преобразовываемого сигнала F). Далее каждый импульс заменяется в 8-ми разрядном аналого-цифровом преобразователе (АЦП – ADC-Analog-to-Digital Converter) двоичным кодом, учитывающим знак и амплитуду отсчета (256 уровней квантования). Такой процесс квантования носит название импульсно-кодовой модуляции (ИКМ или PCM – Pulse Code Modulation). При этом используется нелинейный закон квантования, названный "A=87,6", который лучше учитывает природу восприятия человеком речевых сигналов. Скорость передачи одного телефонного сообщения оказывается 8×8000=64 Кбит/с. 30-канальная система передачи телефонных сообщений (система первого уровня иерархии стандарта МККТТ – PDH-E1) с временным разделением каналов работает уже со скоростью 2048 Кбит/с.

При цифровой записи музыки на CD (Compact Disk - компакт-диск), вмещающим максимум 74 минуты стереозвучания, используют частоту дискретизации 2F≈44,1 КГц (так как предел слышимости человеческого уха 20 кГц плюс 10%-ный запас) и 16-ти разрядное линейное квантование каждой выборки (65536 уровней звукового сигнала, для речи достаточно 7-8 разрядов).

Использование дискретных (цифровых) сигналов резко снижает вероятность получения искаженной информации, потому что:

в этом случае применимы эффективные методы кодирования, которые обеспечивают обнаружение и исправление ошибок (см. тему 6);

можно избежать свойственного непрерывному сигналу эффекта накопления искажений в процессе их передачи и обработке, поскольку квантованный сигнал легко восстановить до первоначального уровня всякий раз, когда величина накопленных искажений приблизиться к половине шага квантования.

Кроме того, в этом случае обработку и хранение информации можно осуществлять средствами вычислительной техники.