Аналоговые и цифровые сигналы

Физические параметры объектов, которые мы исследуем при обработке сигналов, обычно непрерывно изменяются. Например, рассмотрим изменение температуры атмосферы во времени.

Поскольку температура меняется непрерывно, теоретиче­ски возможно производить измерение через бесконечно малые про­межутки времени. Однако, принимая в расчет объем памяти, необ­ходимый для хранения данных измерения, и время на их обработку, невольно задумаешься, насколько подробные измерения нам необ­ходимы. Значение температуры не может внезапно измениться в те­чение одной секунды или минуты. Следовательно, допустимы из­мерения через более длительные интервалы времени, что в конеч­ном итоге сокращает объем данных. Чем меньше объем данных, тем меньше времени затрачивается на их обработку в компьютере при меньшем объеме памяти. То же самое можно сказать и о степени точности измерения. Пусть температура атмосферы в данный мо­мент равна 25,27854°С. Нет смысла в проведении измерения с такой высокой точностью. Вполне достаточно определить степень точно­сти до одной десятой градуса, т.е. 25.3°C. В настоящее время в мете­орологическом центре данные о температуре атмосферы по всей стране собираются каждый час и измерения производятся с точностью до одной десятой градуса. Этого вполне достаточно.

Сигнал, выражающий непрерывно изменяющуюся величину, называется аналоговым сигналом, а ступенчатое представление сиг­нала — дискретизацией. Дискретизация может производиться как по времени, так и по значению величины сигнала (Рис. 1.6). В пер­вом случае ее часто называют операцией получения выборки, во вто­ром - квантованием. Если сигнал, подвергнутый дискретизации по времени и по значению, затем представляется в цифровом виде, то такое преобразование аналогового сигнала в цифровой называется аналого-цифровым преобразованием.

Аналоговый сигнал, полученный от датчика, аналого-цифрового преобразования (АЦП) преобразуется в числовые зна­чения в двоичной системе счисления, т.е. предстает в виде нулей и единиц. Например, при записи на компакт-диск звуковой сигнал преобразуется, и под воздействием лазерного луча записывается в виде цифрового сигнала. Частота выборки звукового сигнала равна 44.1 кГц, а число цифр в записываемом числе равно 16. Цифры на диске записываются в виде наличия или отсутствия углублении, на­зываемого питом. Вы, наверное, знаете, что по сравнению с запи­сью обычною аналогового сигнала на кассете или пластинке циф­ровая запись характеризуется высоким отношением сигнал-шум и широким динамическим диапазоном (отношение минимального сигнала к максимальному неискаженному сигналу) и обеспечивает высокое качество воспроизведения звука. Но чтобы его воспроизве­сти, цифровой сигнал необходимо снова преобразовать в аналого­вый. Этот процесс называется цифро-аналоговым преобразованием.

Компьютеры обладают высокой скоростью вычисления и обработ­ки информации. Поэтому в последнее время заметно возрастает их использование для целей обработки цифровых сигналов по сравне­нию с традиционным методом обработки аналоговых сигналов по­средством электронной аппаратуры. Что касается аналого-цифрового преобразования, важно предусмотреть оптимальное количество уров­ней квантования, а также установить необходимую частоту выборки.

Рисунок Преобразование аналогового сигнала в цифровой

Не следует думать, что дискретные сообщения обязательно преобразуются в дискретные сигналы, а непрерывные сообщения — в непрерывные сигналы. Чаще всего именно непрерывные сигналы используют для передачи дискретных сообщений (в качестве их переносчиков, несущей). Дискретные же сигналы могут использоваться для передачи непрерывных сообщений (после их дискретизации).

Сообщение с помощью специальных устройств (датчиков) обычно преобразуется в электрическую величину b(t) — первичный сигнал. При передаче речи такое преобразование выполняет микрофон, при передаче изображения - телевизионная камера. В большинстве случаев первичный сигнал является низкочастотным колебанием, которое отображает передаваемое сообщение.

В некоторых случаях первичный сигнал непосредственно передают по линии. Так поступают, например, при обычной городской телефонной связи. Для передачи на большие расстояния (по кабелю или радиоканалу) первичный сигнал преобразуют в высокочастотный.

Описанием конкретного сигнала может быть некоторая функция времени х(t). Определив, так или иначе, эту функцию, определяем и сигнал. Однако такое полное описание сигнала не всегда требуется. Для решения ряда вопросов достаточно более общего описания в виде нескольких параметров, характеризующих основные свойства сигнала, подобно тому, как это делается в системах транспортирования. Указывая габаритные размеры и массу, характеризуем основные свойства предмета с точки зрения условий его перевозки; другие свойства (например, цвет) с этой точки зрения являются несущественными.

Сигнал также является объектом транспортировки, а техника связи по существу техникой транспортирования (передачи) сигналов по каналам связи. Поэтому целесообразно определить параметры сигнала, которые являются основными с точки зрения его передачи. Такими параметрами являются:

- длительность сигнала Т,

- его динамический диапазон D и

- ширина спектра F.

Всякий сигнал, рассматриваемый как временной процесс, имеет начало и конец. Поэтому длительность сигнала Т является естественным его параметром, определяющим интервал времени, в пределах которого сигнал существует.

Динамический диапазон — это отношение наибольшей мгновенной мощности сигнала к той наименьшей мощности, которую необходимо отличать от нуля при заданном качестве передачи. Он выражается обычно в децибелах. Динамический диапазон речи диктора, например, равен 25...30 дБ, небольшого вокального ансамбля 45...65 дБ, симфонического оркестра 70—95 дБ. Во избежание перегрузок канала в радиовещании динамический диапазон часто сокращают до 35...45 дБ.

И наконец, ширина спектра сигнала F. Этот параметр даёт представление о скорости изменения сигнала внутри интервала его существования. Спектр сигнала в принципе может быть неограниченным. Однако для любого сигнала можно указать диапазон частот, в пределах которого сосредоточена его основная энергия. Этим диапазоном и определяется ширина спектра сигнала.

В технике связи спектр сигнала часто сознательно сокращают. Это обусловлено тем, что аппаратура и линия связи имеют ограниченную полосу пропускаемых частот. Сокращение спектра осуществляется исходя из допустимых искажений сигнала. Например, при телефонной связи требуется, чтобы речь была разборчива и чтобы корреспонденты могли узнать друг друга по голосу. Для выполнения этих условий достаточно передать речевой сигнал и полосе от 300 до 3400 Гц. Передача более широкого спектра речи и этом случае нецелесообразна, так как ведёт к техническим усложнениям и увеличению затрат. Аналогично необходимая ширина спектра телевизионного сигнала определяется требуемой четкостью изображения. При стандарте в 625 строк верхняя частота сигнала достигает 6 МГц. Спектр сигнала изображения много шире спектра сигнала звукового сопровождения. Это существенно усложняет построение систем телевизионного вешания по сравнению с системами звукового вещания. Ширина спектра телеграфного сигнала зависит от скорости передачи и обычно принимается равной F ≈ l,5v, где v - скорость передачи (телеграфирования) в Бодах, т.е. число символов, передаваемых в секунду. Так, при телетайпной передаче v = 50 Бод и F ≈75 Гц. Спектр модулированного сигнала обычно шире спектра передаваемого сообщения (первичного сигнала) и зависит от вида модуляции.

Можно ввести более общую и наглядную характеристику — объём сигнала:

Vc=TcFcDc. (1.1)

Объём сигнала Vc даёт общее представление о возможностях данного множества сигналов как переносчиков сообщений. Чем больше объем сигнала, тем больше информации можно "вложить" в этот объём и тем труднее передать та­кой сигнал по каналу связи с требуемым качеством.