Что такое аналоговый и цифровой сигнал

Что такое аналоговый и цифровой сигнал

Приветствую вас, мои дорогие подписчики и все желающие выяснить разницу и что такое цифровой и аналоговый сигнал. Это один из самый часто задаваемых вопросов, поэтому я постараюсь сделать свой рассказ максимально доступным и понятным, по возможности исключив из него сложную научную терминологию.

Для начала давайте определимся с понятием и типом сигнала, ведь он может быть световой, звуковой, электрический. Думаю, что последний достоин наибольшего внимания в моем компьютерном блоге. О нем мы и будем разговаривать, а остальные я так же задействую в качестве примера.

Многим очень трудно представит себе электрический сигнал, поступающий по проводам, но благодаря такому устройству как осциллограф мы увидим, что это такое. В случае с аналоговым мы будем наблюдать синусоиду, а цифровой будет представлен как прямоугольные зубцы со стены крепостной стены. Почему так происходит, давайте разберемся.

Сигнал, создаваемый по образу и подобию

С аналоговыми сигналами мы сталкиваемся постоянно и наиболее эффектно их можно продемонстрировать с помощью виниловой музыкальной пластинки. На ней звук записан в виде извилистой борозды.

Идущая по ней игла проигрывателя повторяет контур и передает свои движения на устройство, издающее звук. Раньше, в граммофоне для этого использовался раструб, усиливавший амплитуду колебаний и превращавший их в звук.

Можно сказать, что на пластинке был записан именно аналоговый сигнал в чистом виде. И это подводит нас к мысли о том, что он представляет собой информацию о волновом процессе, параметрами которого являются амплитуда (громкость) и частота (тональность звука).

Здесь я хочу сделать научное отступление.

Образованные люди знают, что звук и свет, тепло и УФ излучение и радиосигналы – это все волны определенной частоты. Создавая подобные колебания, мы получаем их аналог (или аналоговый сигнал).

Продолжим рассматривать нашу виниловую пластинку. Мы знаем что граммофон – это позапрошлый век, и со временем он превратился в электроаппаратуру. Что добавилось?

Возле иглы поставили пьезокристалл, который под действием механических колебаний выдавал электрический ток, который уже можно передавать. Его напряжение изменялось такой же частотой и амплитудой, как и звуковой дорожке пластинки. Ток кристалла был ну очень маленький и требовал усиления.

С такой обработкой отлично справлялся соответствующий блок. На выходе мы получали ток, с той же частотной характеристикой, но пропорционально увеличенной амплитудой, которая соответствует большему напряжению.

Такое напряжение уже способно смещать сердечник в электромагнитной катушке динамика, заставляя его мембрану колебаться… Правильно, с такой же частотой и амплитудой.

Выходит, сигнал называется аналоговым, потому что он точно повторяет параметры, которые следует передать. И с ним мы сталкиваемся повсеместно:

  • вы сейчас читаете тест. В нем есть буквы-сигналы, аналогичные определенным звукам. А слова, которые вы мысленно произносите при этом – аналоги предметов или действий;
  • любая картина, рисунок или фотография – аналог того, что мы видим;
  • звук, которые превращается в радиоволны FM приемника так же аналоговый сигнал.

Весь мир в двух цифрах

Теперь настало время разобраться с цифровым сигналом. И здесь сразу стоит оговорить, о каких цифрах идет речь. Всего о двух:

  • 0, или «ноль» это отсутствие сигнала (напряжения, если мы говорим о передаче по проводам);
  • 1, или «единица», сигнал подается (напряжение в сети есть, причем не имеет значения какое оно);

Поэтому, рассматривая цифровой сигнал на экране осциллографа, мы видим не плавно изменяющуюся линию, а периодически возникающие прямоугольные «зубцы», верхняя линия которых соответствует значению подаваемого напряжения.

Это и есть «единица», или сигнал. А в промежутке между ними линия находится на нуле, напряжения нет. Такой вид называется дискретным, состоящим из отдельных элементов.

Самым простым примером цифрового сигнала является азбука Морзе. Закодированные с помощью нее сообщения можно передавать по кабелю, звуком, светом или записав на ленте телеграфа.

Но у нас сейчас век цифровых технологий и даже ребенок знает, что с помощью нулей и единиц можно записать любую информацию, используя двоичный код. А как это можно сделать, знают лишь специалисты. Здесь используется сложная система кодов, описывающая, как нужно читать последовательность импульсов, и какая информация в них описана.

Например, когда речь идет о музыке, аналоговая синусоида колебаний звука разбивается на отдельные временные участки и для каждого из них определяется значение напряжения на данный момент. Чем меньше такие промежутки (частота дискретизации), тем более точно можно описать исходную синусоиду, но она уже получится в виде множества ступенечек.

Оцифровка звука используется повсеместно (в компьютерах, в мобильной связи) поэтому для облегчения данной задачи существует два типа устройств:

  • аналогово-цифровой преобразователь (АЦП);
  • цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП).

Пример со звуком наиболее ярко показывает, как можно превратить аналоговый сигнал в цифровой и наоборот. Но в реальности цифровой сигнал имеет гораздо больше возможностей. Ведь цифрой можно описать и изображение, задав для каждого отдельного пикселя значения насыщенности RGB составляющих. Или передать детальную информацию о параметрах работы устройства.

Читайте также:  Как подключить приставку к телевизору голдстар

Сравниваем сигналы

На практике разницу с цифровым и аналоговым сигналом можно ощутить, сравнивая регулятор громкости в виде крутящейся ручки или в виде сенсорных кнопок. В первом, аналоговом случае, мы сможем изменять параметр более плавно, а во втором (цифровом) более точно.

Но если посмотреть глубже, то отличий между цифровым и аналоговым сигналом намного больше. Сначала опишу особенности аналогового:

  • для передачи сигнала не требуются кодировщики, он идет напрямую;
  • различные помехи могут исказить сигнал;
  • на больших расстояниях происходит затухание сигнала.

Теперь выделю преимущества цифрового:

  • стабильный сигнал, который можно передавать на любые расстояния без потери качества;
  • более широкий «ассортимент» типов передаваемой информации (видео, фото, звук, команды управления);
  • высокая пропускная способность и возможность передачи нескольких информационных потоков по одному каналу;
  • возможность кодирования позволяет повысить уровень информационной безопасности;
  • многообразие способов записи и хранения сигналов, компактность носителей;

Понятно, что цифра выигрывает, как более эффективный способ передачи сигнала. Неслучайно этот способ преобразования и трансляции информации на сегодня является самым прогрессивным и распространенным

На этом мое повествование про цифровой и аналоговый сигнал окончено.

Надеюсь, что теперь вы имеете максимально четкое представление о них.

На этом все, до новых встреч на этом сайте и всем удачи.

Сигналами называют информационные коды, которые применяются людьми для того, чтобы передавать сообщения в информационной системе. Сигнал может подаваться, но его получение не обязательно. Тогда как сообщением можно считать только такой сигнал (или совокупность сигналов), который был принят и декодирован получателем (аналоговый и цифровой сигнал).

Одними из первых методов передачи информации без участия людей или других живых существ были сигнальные костры. При возникновении опасности последовательно разводились костры от одного поста к другому. Далее мы будем рассматривать способ передачи информации при помощи электромагнитных сигналов и подробно остановимся на рассмотрении темы аналоговый и цифровой сигнал .

Любой сигнал может быть представлен в виде функции, которая описывает изменения его характеристик. Такое представление удобно для изучения устройств и систем радиотехники. Помимо сигнала в радиотехнике есть еще шум, который является его альтернативой. Шум не несет полезной информации и искажает сигнал, взаимодействуя с ним.

Само понятие дает возможность отвлечься от конкретных физических величин при рассмотрении явлений, связанных с кодированием и декодированием информации. Математическая модель сигнала в исследованиях позволяет опираться на параметры функции времени.

Типы сигналов

Сигналы по физической среде носителя информации делятся на электрические, оптические, акустические и электромагнитные.

По методу задания сигнал может быть регулярным и нерегулярным. Регулярный сигнал представляется детерминированной функцией времени. Нерегулярный сигнал в радиотехнике представлен хаотической функцией времени и анализируется вероятностным подходом.

Сигналы в зависимости от функции, которая описывает их параметры могут быть аналоговыми и дискретными. Дискретный сигнал, который был подвергнут квантованию называется цифровым сигналом.

Обработка сигнала

Аналоговый и цифровой сигнал обрабатывается и направлен на то, чтобы передать и получить информацию, закодированную в сигнале. После извлечения информации ее можно применять в разных целях. В частных случаях информация подвергается форматированию.

Аналоговые сигналы подвергаются усилению, фильтрации, модуляции и демодуляции. Цифровые же помимо этого еще могут подвергаться сжатию, обнаружению и др.

Аналоговый сигнал

Наши органы чувств воспринимают всю поступающую в них информацию в аналоговом виде. К примеру, если мы видим проезжающий мимо автомобиль, мы видим его движение непрерывно. Если бы наш мозг мог получать информацию о его положении раз в 10 секунд, люди бы постоянно попадали под колеса. Но мы можем оценивать расстояние куда быстрее и это расстояние в каждый момент времени четко определено.

Абсолютно то же самое происходит и с другой информацией, мы можем оценивать громкость в любой момент, чувствовать какое давление наши пальцы оказывают на предметы и т.п. Иными словами, практически вся информация, которая может возникать в природе имеет аналоговый вид. Передавать подобную информацию проще всего аналоговыми сигналами, которые являются непрерывными и определены в любой момент времени.

Чтобы понять, как выглядит аналоговый электрический сигнал, можно представить себе график, на котором будет отображена амплитуда по вертикальной оси и время по горизонтальной оси. Если мы, к примеру, замеряем изменение температуры, то на графике появится непрерывная линия, отображающая ее значение в каждый момент времени. Чтобы передать такой сигнал с помощью электрического тока, нам надо сопоставить значение температуры со значением напряжения. Так, например, 35.342 градуса по Цельсию могут быть закодированы как напряжение 3.5342 В.

Аналоговые сигналы раньше использовались во всех видах связи. Чтобы избежать помех такой сигнал нужно усиливать. Чем выше уровень шума, то есть помех, тем сильнее надо усиливать сигнал, чтобы его можно было принять без искажения. Такой метод обработки сигнала затрачивает много энергии на выделение тепла. При этом усиленный сигнал может сам стать причиной помех для других каналов связи.

Читайте также:  Площадь в декартовых координатах

Сейчас аналоговые сигналы еще применяются в телевидении и радио, для преобразования входного сигнала в микрофонах. Но, в целом, этот тип сигнала повсеместно вытеснен или вытесняется цифровыми сигналами.

Цифровой сигнал

Цифровой сигнал представлен последовательностью цифровых значений. Чаще всего сейчас применяются двоичные цифровые сигналы, так как они используются в двоичной электронике и легче кодируются.

В отличие от предыдущего типа сигнала цифровой сигнал имеет два значения «1» и «0». Если мы вспомним наш пример с измерением температуры, то тут сигнал будет сформирован иначе. Если напряжение, которое подается аналоговым сигналом соответствует значению измеряемой температуры, то в цифровом сигнале для каждого значения температуры будет подаваться определенное количество импульсов напряжения. Сам импульс напряжения тут будет равен «1», а отсутствие напряжения – «0». Приемная аппаратура будет декодировать импульсы и восстановит исходные данные.

Представив, как будет выглядеть цифровой сигнал на графике, мы увидим, что переход от нулевого значения к максимальному производится резко. Именно эта особенность позволяет принимающей аппаратуре более четко «видеть» сигнал. Если возникают какие-либо помехи, приемнику проще декодировать сигнал, нежели чем при аналоговой передаче.

Однако цифровой сигнал с очень большим уровнем шума восстановить невозможно, тогда как из аналогового типа при большом искажении еще есть возможность «выудить» информацию. Это связано с эффектом обрыва. Суть эффекта в том, что цифровые сигналы могут передаваться на определенные расстояния, а затем просто обрываются. Этот эффект возникает повсеместно и решается простой регенерацией сигнала. Там, где сигнал обрывается, нужно вставить повторитель или уменьшить длину линии связи. Повторитель не усиливает сигнал, а распознает его изначальный вид и выдает его точную копию и может использоваться сколь угодно в цепи. Такие способы повторения сигнала активно применяются в сетевых технологиях.

Помимо всего прочего аналоговый и цифровой сигнал различается и возможность кодирования и шифрования информации. Это является одной из причин перехода мобильной связи на «цифру».

Аналоговый и цифровой сигнал и цифро-аналоговое преобразования

Следует еще немного рассказать о том, как аналоговая информация передается по цифровым каналам связи. Вновь прибегнем к примерам. Как уже говорилось звук – это аналоговый сигнал.

Что происходит в мобильных телефонах, которые передают информацию по цифровым каналам

Звук, попадая в микрофон подвергается аналого-цифровому преобразованию (АЦП). Этот процесс состоит из 3 ступеней. Берутся отдельные значения сигнала через одинаковые отрезки времени, этот процесс называется дискретизация. По теореме Котельникова о пропускной способности каналов, частота взятия этих значений должна быть вдвое выше, чем самая высокая частота сигнала. То есть, если в нашем канале стоит ограничение на частоту в 4 кГц, то частота дискретизации будет составлять 8 кГц.

Далее все выбранные значения сигнала округляются или, иначе говоря, квантуются. Чем больше уровней при этом будет создано, тем выше будет точность восстановленного сигнала на приемнике. Затем все значения преобразуются в двоичный код, который передается на базовую станцию и затем доходит до другого абонента, являющегося приемником. В телефоне приемника происходит процедура цифро-аналогового преобразования (ЦАП). Это обратная процедура, цель которой на выходе получить сигнал как можно более идентичный исходному. Далее уже аналоговый сигнал выходит в виде звука из динамика телефона.

Аналоговый сигнал (analogue signal) – непрерывный во времени поток данных (информации), имеющий изменяющиеся и принимающие любое возможное значение характеристики (напряжение, силы тока, мощности, давления звуковой волны и т.д.). Несмотря на большое количество недостатков и постепенное вытеснение цифровым аналогом, в таких областях, как телефония, звукозапись, телевидение, такой вид передачи информации сохраняет свою актуальность, благодаря относительной своей дешевизне и простоте генерирующего его оборудования.

История появления термина

Появление термина, обозначающего такой способ передачи данных, тесно связано с такими сферами, как вычислительная техника, телефония и звукозаписывающая индустрия, электрические измерения.

Вычислительная техника

В 40-х годах создаются первые вычислительные системы, предназначенные для сбора и обработки цифровой информации. В начале 80-х годов с появлением новых моделей компьютеров на базе процессоров Intel возможности вычислительной техники расширились. Именно в этот период появляется данный термин.

Звукозапись и телефония

Понятие непрерывного способа передачи данных изначально связано с телефонией. Непрерывные колебания поступают на динамик устройства, становятся электрическим аналогом, затем преобразуются в сигнал, подобный голосу.

Электрические измерения

Непрерывный поток воспроизводится приемным устройством пропорционально таким электрическим параметрам, как напряжение, сила тока. Именно с началом измерения указанных выше электрических величин связывают появление этого термина.

Общая информация

Энергия потока

Так как аналоговый сигнал – это непрерывный поток данных, то энергия его бесконечна. Однако в качестве значения данной характеристики обычно используют усредненную для определенного промежутка времени величину, так, к примеру, переменный электрический ток в телефонной сети, отвечающий за передачу голоса, имеет среднее напряжение 60 В.

Читайте также:  Почему комп не видит телефон самсунг

Взаимное преобразование различных по природе потоков

Непрерывный поток данных преобразуется в дискретный (прерывистый). Достаточно воспользоваться импульсным блоком питания, который сформирует входное напряжение в виде дискретных ультразвуковых пачек. Преобразование проводится программой либо технически через микросхемы.

Отличия дискретного и цифрового сигналов

Один из способов передачи данных, описываемых в данной статье, – дискретный, имеющий сходные характеристики с аналоговым, но отличающийся от него тем, что он является прерывистым.

По сравнению с дискретным и аналоговым, цифровой сигнал, наоборот, характеризуется конкретными параметрами:

  • Строго определённой своими характеристиками длительностью;
  • Ярко выраженной амплитудой;
  • Наличием двух состояний: «0» либо «1».
  • Формированием из битов машинных слов, необходимых для дальнейшей обработки информации, ее представлении в доступном и понятном виде для пользователя.

Благодаря этим особенностям, цифровая передача и хранение информации в последнее время находят очень широкое применение в различных отраслях техники, электроники, связи.

Важно! Самое основное, чем отличается аналоговая информация от дискретной, – это прерывистость передачи последней при помощи соответствующего потока данных. Однако, несмотря на данное различие, дискретная информация не является цифровой, так как ее характеристики в процессе существования могут обладать как ограниченным, так и неограниченным диапазоном значений.

Виды сигналов

В зависимости от изменения характеристик во времени, все потоки подразделяются на следующие виды:

  • Аналоговые – непрерывные, имеющие большое количество значений;
  • Дискретные – прерывистые, с большим количеством значений;
  • Цифровые – прерывистые, имеющие 2 четко обозначенных основных значения.

Также, в зависимости от среды передачи и способа формирования, они бывают электрические, звуковые, оптические.

Для чего обрабатывается сигнал

Чтобы получить данные, содержащиеся в описанных выше потоках, их обрабатывают через процессы усиления, фильтрации, модуляции и демодуляции. Лишь после этого они будут представлены в понятном для пользователя виде и использованы по назначению.

Создание и формирование

Для создания непрерывного потока используют такое специальное оборудование, как генераторы. Собирают их, используя различные транзисторы (полевые и биполярные), трансформаторы.

Динамический диапазон

Важной характеристикой любой системы динамических измерений считается ее динамический диапазон. Четкого определения данного параметра для сигнала пока не существует, поэтому принято считать, что это соотношение наибольшего и наименьшего его значений, измеренных системой в определенный промежуток времени.

Для каждого потока важно, чтобы его динамический диапазон максимально соответствовал аналогичной характеристике системы либо устройства, предназначенного для преобразования, передачи и хранения его величин. От правильного подбора зависит, насколько точно будет передана и преобразована информация любого потока.

Аналоговый сигнал

Такой вид потока данных непрерывен во времени, его определение возможно в любой временной промежуток.

Цифровой сигнал

Такой поток представлен последовательностью конкретных цифровых значений, как правило, двух, которые принимают за логические «0» и «1» или «true» и «false».

Применение цифрового сигнала

Цифровой поток наиболее применим в современной электронике, при двоичной системе шифрования и кодирования данных.

Дискретный сигнал

В отличие от непрерывного, дискретный способ передачи данных имеет следующие особенности:

  • Может характеризоваться постоянным значением параметра, изменятся только по времени;
  • Изменяется уровень величины, но во времени остается постоянным;
  • Меняется как по значению величины, так и по временному параметру.

Сравнение цифрового и аналогового сигналов

Широко применяемые в современном мире аналоговый и цифровой сигналы имеют свои преимущества и недостатки.

К основным плюсам непрерывного потока информации относятся:

  • Простота формирования;
  • Небольшая стоимость оборудования для его получения и поддержания.

Недостатки такого вида передачи данных:

  • Содержание большого количества лишней информации, которую необходимо фильтровать;
  • Низкая помехоустойчивость, что сказывается на качестве воспроизводимой информации;
  • В передачу такого сигнала возможно нежелательное вмешательство с целью похищения передаваемой информации.

Прерывистый способ передачи данных имеет следующие преимущества:

  • Небольшое количество значений, помехоустойчивость;
  • Простота расшифровки на принимающем оборудовании;
  • Возможность кодировки больших объемов данных при их хранении и передаче на большие расстояния.

У прерывистого способа передачи и хранения информации имеется один серьезный недостаток – при серьезном уровне помех может произойти обрыв, первоначальный вид потока данных не сохранится. Для восстановления его параметров на момент обрыва приходится предусматривать дополнительные функции.

Аналоговый и цифровой сигналы и цифро-аналоговое преобразование

Современные системы, устройства позволяют проводить процессы взаимных преобразований. Так, при аналого-цифровом преобразовании (АЦП) проходит квантование аналогового потока данных в цифровой, после чего информация готова для передачи через цифровые каналы.

При процессе ЦАП цифровые коды на входе, наоборот, преобразуются в эквивалентный выходной аналоговый поток (ток, напряжение). Преобразователи широко используются для формирования сигналов в системах управления, аудио,-и видеоаппаратуре.

Таким образом, сигнал аналоговый – это хоть и уже утрачивающий свою актуальность, но достаточно широко применимый способ передачи данных. Хотя аналоговый сигнал и называют пережитком прошлого, его роль в современной телекоммуникационной технике, радиопередаче и телевещании еще до сих пор очень существенна.

Видео

Ссылка на основную публикацию
Что делать если ничего не скачивается
Сегодняшняя статья будет посвящена такой стандартной и даже банальной проблеме, как нежелание браузера сохранять файлы с интернета. Вроде как все...
Часы с функцией диктофона
Классические часы с секундной стрелкой; Цифровые часы (поддержка 12/24ч форматов, для смены формата сделайте двойной тап по цифрам); Диктофон (поддержка...
Часы с которых можно звонить детские
Ребенка, который самостоятельно посещает школу или гуляет с друзьями, подстерегает много опасностей. Решить эту проблему помогут технологичные детские умные часы...
Что делать если перегревается процессор на ноутбуке
Когда сильно греется процессор ноутбука, следует сначала проверить всё ли в порядке с его программным обеспечением. Если проверка ПО не...
Adblock detector