Sygnał analogowy jest ciągłą funkcją argumentu ciągłego, tj. zdefiniowane dla dowolnej wartości zmiennej niezależnej. Źródłami sygnałów analogowych są z reguły procesy i zjawiska fizyczne, które mają ciągły rozwój (dynamika zmian wartości określonych właściwości) w czasie, przestrzeni lub dowolnej innej zmiennej niezależnej, podczas gdy zarejestrowany sygnał jest podobny (analogiczny) do procesu go generującego. Przykład zapisu matematycznego dla konkretnego sygnału analogowego: y(T) = 4,8exp[-( T-4)2/2,8]. Przykład graficznego przedstawienia tego sygnału pokazano na rys. 2.2.1, przy czym zarówno wartości liczbowe samej funkcji, jak i jej argumenty mogą przyjmować dowolne wartości w określonych przedziałach y 1 funt y £ y 2,T 1 funt T £ T 2. Jeżeli przedziały wartości sygnału lub jego zmiennych niezależnych nie są ograniczone, to domyślnie przyjmuje się, że są one równe -¥ do +¥. Zbiór możliwych wartości sygnałów tworzy ciągłą przestrzeń, w której można wyznaczyć dowolny punkt z nieskończoną dokładnością.
Ryż. 2.2.1. Graficzne wyświetlanie sygnału y(T) = 4,8 exp[-( T-4) 2 /2.8].
Dyskretny sygnał w swoich wartościach jest to również funkcja ciągła, ale definiowana jedynie przez dyskretne wartości argumentu. Ze względu na zbiór wartości jest on skończony (przeliczalny) i opisany ciągiem dyskretnym y(N×D T), Gdzie y 1 funt y £ y 2, D T- odstęp pomiędzy próbkami (interwał próbkowania sygnału), N = 0, 1, 2, ..., N– numeracja dyskretnych wartości odczytanych. Jeżeli sygnał dyskretny uzyskuje się poprzez próbkowanie sygnału analogowego, wówczas reprezentuje on sekwencję próbek, których wartości są dokładnie równe wartościom sygnału pierwotnego we współrzędnych N D T.
Przykład próbkowania sygnału analogowego pokazany na rys. 2.2.1, pokazano na ryc. 2.2.2. w D T= const (jednorodne próbkowanie danych) sygnał dyskretny można opisać za pomocą zapisu skróconego y(N).
Gdy sygnał jest próbkowany nierównomiernie, oznaczenia ciągów dyskretnych (w opisach tekstowych) są zwykle ujęte w nawiasy klamrowe - ( S(ja)), a wartości odczytane podano w formie tabel wskazujących wartości współrzędnych ja. W przypadku krótkich, nieparzystych ciągów liczbowych stosuje się także następujący opis numeryczny: S(ja) = {A 1 , A 2 , ..., jakiś}, T = T 1 , T 2 , ..., t N.
Sygnał cyfrowy skwantowany w swoich wartościach i dyskretny w swojej argumentacji. Opisuje się ją skwantowaną funkcją sieciową y n = Q k[y(N D T)], Gdzie Q k- funkcja kwantyzacji z liczbą poziomów kwantyzacji k, podczas gdy przedziały kwantyzacji mogą być jednolite lub nierówne, na przykład logarytmiczne. Określany jest sygnał cyfrowy, zwykle w postaci tablicy numerycznej kolejnych wartości argumentu w D t = const, ale w ogólnym przypadku sygnał można również określić w postaci tabeli dowolnych wartości argumentów.
Zasadniczo sygnał cyfrowy jest sformalizowaną wersją sygnału dyskretnego, gdy wartości tego ostatniego są zaokrąglane do określonej liczby cyfr, jak pokazano na ryc. 2.2.3. W systemach cyfrowych i komputerach sygnał jest zawsze reprezentowany z dokładnością do określonej liczby bitów i dlatego zawsze jest cyfrowy. Biorąc pod uwagę te czynniki, przy opisie sygnałów cyfrowych zwykle pomija się funkcję kwantyzacji (co sugeruje jednolitość). domyślnie), a do opisu sygnałów wykorzystywane są zasady opisu sygnałów dyskretnych.
Ryż. 2.2.2. Sygnał dyskretny Rys. 2.2.3. Sygnał cyfrowy
y(N D T) = 4,8 exp[-( N D T-4)2/2,8], D T= 1. y n = Q k, D T=1, k = 5.
W zasadzie sygnał analogowy zarejestrowany przez odpowiedni sprzęt cyfrowy można również skwantować w jego wartościach (rys. 2.2.4). Ale nie ma sensu rozdzielać tych sygnałów na osobny typ - pozostają one analogowymi, fragmentarycznymi sygnałami ciągłymi z krokiem kwantyzacji, który jest określony przez dopuszczalny błąd pomiaru.
Większość sygnałów dyskretnych i cyfrowych, z którymi masz do czynienia, to próbkowane sygnały analogowe. Istnieją jednak sygnały, które początkowo należą do klasy dyskretnej, na przykład promienie gamma.
Ryż. 2.2.4. Kwantowany sygnał y(T)= Qk, k = 5.
Spektralna reprezentacja sygnałów. Oprócz zwykłej czasowej (współrzędnej) reprezentacji sygnałów i funkcji, przy analizie i przetwarzaniu danych powszechnie stosuje się opis sygnałów za pomocą funkcji częstotliwościowych, tj. za pomocą argumentów odwrotnych do argumentów reprezentacji czasu (współrzędnych). O możliwości takiego opisu decyduje fakt, że dowolny sygnał, niezależnie od tego, jak bardzo jest on złożony w swojej formie, można przedstawić jako sumę sygnałów prostszych, a w szczególności jako sumę najprostszych oscylacji harmonicznych, ogółu co nazywa się widmem częstotliwości sygnału. Matematycznie widmo sygnału opisuje się funkcjami wartości amplitud i początkowych faz oscylacji harmonicznych za pomocą argumentu ciągłego lub dyskretnego - częstotliwość. Zwykle nazywa się widmo amplitudowe odpowiedź amplitudowo-częstotliwościowa(pasmo przenoszenia) sygnału, widmo kątów fazowych – odpowiedź częstotliwościowo-fazowa(FCHH). Opis widma częstotliwości przedstawia sygnał równie jednoznacznie, jak opis współrzędnych.
Na ryc. Rysunek 2.2.5 przedstawia fragment funkcji sygnału, który otrzymuje się poprzez zsumowanie składowej stałej (częstotliwość składowej stałej wynosi 0) i trzech oscylacji harmonicznych. Opis matematyczny sygnału określa wzór:
Gdzie Jakiś= (5, 3, 6, 8) - amplituda; przyp= (0, 40, 80, 120) - częstotliwość (Hz); φ N= (0, -0,4, -0,6, -0,8) - początkowy kąt fazowy (w radianach) oscylacji; N = 0,1,2,3.
Ryż. 2.2.5. Czasowa reprezentacja sygnału.
Reprezentację częstotliwościową tego sygnału (widmo sygnału w postaci odpowiedzi częstotliwościowej i odpowiedzi fazowej) pokazano na rys. 2.2.6. Należy pamiętać, że reprezentacja częstotliwościowa sygnału okresowego S(T), ograniczona liczbą harmonicznych widma, liczy tylko osiem próbek i jest bardzo zwarta w porównaniu z ciągłą reprezentacją czasu, określoną w przedziale od -¥ do +¥.
Ryż. 2.2.6. Reprezentacja częstotliwościowa sygnału.
Wyświetlacz graficzny sygnały analogowe (rys. 2.2.1) nie wymagają specjalnego wyjaśnienia. Podczas graficznego wyświetlania sygnałów dyskretnych i cyfrowych stosowana jest metoda bezpośrednich odcinków dyskretnych o odpowiedniej długości skali powyżej osi argumentu (ryc. 2.2.6) lub metoda obwiedni (gładkiej lub przerywanej) oparta na przykładowych wartościach (krzywa przerywana na ryc. 2.2.2). Ze względu na ciągłość pól i z reguły wtórny charakter danych cyfrowych uzyskanych w wyniku próbkowania i kwantyzacji sygnałów analogowych, za główny uznamy drugi sposób wyświetlania graficznego.
TEMAT 3 Urządzenia do cyfrowego przetwarzania sygnałów
WYKŁAD 8_
Podstawowe pojęcia dotyczące cyfrowego przetwarzania sygnałów
Pytania z wykładu:
Rodzaje sygnałów. Komunikacja pomiędzy sygnałami różnych typów.
Systemy liczbowe i kody stosowane w przetwornikach DAC i ADC.
Obszary zastosowań DAC i ADC
Podstawowe parametry i klasyfikacja przetworników DAC i ADC
Rodzaje sygnałów. Zależność pomiędzy sygnałami różnych typów
Całą różnorodność sygnałów można podzielić na trzy główne typy sygnałów: analogowe, dyskretne i cyfrowe.
Sygnał analogowy jest opisana funkcją ciągłą lub fragmentarycznie ciągłą, przy czym zarówno argument, jak i sama funkcja mogą przyjmować dowolne wartości z określonych przedziałów: 
.
Przykłady. 
, sygnał mowy w radiu i telewizji.
Dyskretny sygnał jest opisana funkcją kratową, która może przyjmować dowolną wartość, natomiast zmienna niezależna może przyjmować jedynie wartości dyskretne (-interwał próbkowania).
Dyskretne sygnały nieskwantowane obejmują sygnały z modulacją amplitudy impulsu.
Sygnał cyfrowy opisuje się skwantowaną funkcją sieciową, czyli funkcją sieciową, która przyjmuje tylko pewną liczbę wartości dyskretnych – poziomów kwantyzacji, natomiast przyjmuje zmienną niezależną.
Każdy z poziomów kwantyzacji jest kodowany kodem binarnym, dzięki czemu transmisja i przetwarzanie próbki sygnału zakodowanego cyfrowo sprowadza się do operacji na bezwymiarowym kodzie binarnym. Liczba poziomów kwantyzacji i liczba bitów binarnych są powiązane zależnością 
.
Sygnały cyfrowe obejmują na przykład sygnały stosowane w systemach komunikacyjnych z modulacją impulsowo-kodową.
Operacja pobierania próbekłączy sygnały analogowe i dyskretne i polega na tym, że z sygnału analogowego konstruuje się sygnał dyskretny w taki sposób, że 
.
Operacja odzyskiwania polega na tym, że z zadanego sygnału dyskretnego konstruowany jest sygnał analogowy.
Operacje rekonstrukcji i próbkowania są wzajemnie odwrotne, jeśli próbkowany sygnał analogowy spełnia twierdzenie Kotelnikowa.
Zależność między widmem sygnału analogowego a widmem sygnału dyskretnego określa wzór
.
Wyrażenie to opisuje „mnożenie” widma sygnału analogowego podczas próbkowania.
Kwantyzacja i kodowanie(konwersja analogowo-cyfrowa) polega na tym, że na podstawie danego sygnału dyskretnego konstruowany jest zakodowany sygnał w taki sposób, że 
, .
Operacja konwersji cyfrowo-analogowej polega na tym, że z danego sygnału zakodowanego cyfrowo konstruowany jest sygnał dyskretny, oraz 
.
Operacje kwantyzacji i kodowania oraz konwersji cyfrowo-analogowej nie są dokładnie odwrotne, ponieważ kwantyzacja w ogólnym przypadku jest wykonywana z nieuniknionym błędem. Jeśli jednak do reprezentacji każdej próbki zostanie użyta wystarczająco duża liczba sygnałów binarnych, wówczas błąd kwantyzacji będzie na tyle mały, że sygnał dyskretny (a zatem odpowiadający mu sygnał analogowy) będzie można zastąpić sygnałem cyfrowym.
Wykonywane są operacje próbkowania, kwantyzacji i kodowania przetworniki analogowo-cyfrowe (ADC) oraz operacje konwersji i przywracania sygnału cyfrowo-analogowego przetworniki cyfrowo-analogowe (ADC).
Urządzenia do cyfrowego przetwarzania sygnału (DSP) to urządzenia, które implementują jeden lub inny algorytm przetwarzania cyfrowego.
Podstawowy zalety DSP w porównaniu do analogu:
1) charakterystyka urządzeń DSP jest absolutnie stabilna i nie zmienia się pod wpływem zmiany warunków zewnętrznych (temperatura, wilgotność itp.), dopóki urządzenia te działają;
2) możliwe jest wdrożenie szeregu operacji i algorytmów, które są zasadniczo niemożliwe do zrealizowania przy użyciu elementów analogowych, na przykład przetwarzanie sygnałów o niskiej częstotliwości, ponieważ cyfrowe urządzenia pamięci masowej mają prawie nieograniczony czas przechowywania informacji.
Urządzenia DSP są dogodnie implementowane w postaci LSI i VLSI.
Wśród niedociągnięcia UTsOS można wyróżnić w następujący sposób:
1) Stosunkowo niska prędkość przetwarzania;
2) Stosunkowo wysoki pobór mocy;
3) Stosunkowo wysoki koszt;
4) Konieczność użycia ADC i DAC na wejściu i wyjściu DSP.
Należy zauważyć, że znaczenie dwóch pierwszych wad maleje wraz z rozwojem technologii wytwarzania LSI i VLSI. Koszt algorytmów i programów zyskuje coraz większe znaczenie w kosztach DSP. Zasadniczo dokładność DSP jest ograniczona przez zastosowane przetworniki ADC i DAC. Dokładność obliczeń w samym urządzeniu zależy od liczby cyfr binarnych użytych do przedstawienia kodów.
2. Systemy i kody liczbowe,
stosowany w przetwornikach DAC i ADC
Zazwyczaj liczby są przedstawiane za pomocą dziesiętnego systemu liczb pozycyjnych, w którym każda liczba jest reprezentowana jako suma potęg 10, chociaż zapisywane są tylko współczynniki tego rozwinięcia:
System dziesiętny wykorzystuje 10 cyfr do przedstawienia współczynników rozszerzenia.
Jednakże urządzenia cyfrowe przekształcają informacje reprezentowane przez zaledwie dwie cyfry 0 i 1, dlatego do przedstawienia liczb wygodnie jest zastosować system liczb binarnych, w którym wagami współczynników binarnych są potęgi 2.
Mierzone wielkości fizyczne mogą być jednobiegunowe lub dwubiegunowe. Dlatego, aby przedstawić je w formie cyfrowej, przetworniki ADC i DAC używają zarówno kodów jednobiegunowych, jak i dwubiegunowych.
Kody jednobiegunowe.
Kod binarny (zwykły kod binarny).
Cyfra znajdująca się najbardziej na prawo to cyfra najmniej znacząca (LSB), cyfra znajdująca się najbardziej na lewo to cyfra najbardziej znacząca (MSB).
W tym kodzie wkład każdego bitu (cyfry binarnej) zależy od jego pozycji:
W sekwencji bitów SZR ma wagę , a maksymalna liczba, jaką można przedstawić w kodzie bitowym, jest równa .
Kodowanie ułamkowe
Rozważając działanie przetwornika ADC, ważne jest, aby wziąć pod uwagę liczbę binarną jako reprezentację części ułamkowej jakiejś liczby całkowitej. W tym przypadku waga MZR jest równa , a waga PPP wynosi . Przed numerem jest przecinek:
.
Wartość liczby ułamkowej odpowiadającej jednostkom we wszystkich cyfrach definiuje się jako 1-1MZR. Dodatkowo MZR określa rozdzielczość kodu bitowego konwertera
3. Obszary zastosowań przetworników DAC i ADC
Poziom i rozwój mikroelektronicznych przetworników DAC i ADC są zdeterminowane wymaganiami dotyczącymi właściwości technicznych i operacyjnych systemów radiowych, w których są stosowane.
Wymagania te mogą się znacznie różnić w zależności od przeznaczenia, zasady działania i warunków pracy systemów.
Konieczność odbioru, przetwarzania i przesyłania dużej ilości informacji w czasie rzeczywistym, a także problemy związane z badaniem szybkich procesów w różnych instalacjach, doprowadziły do stworzenia szybkie układy scalone DAC i ADC.
Rozwiązanie problemów komunikacyjnych wymagało stworzenia konwertery wielokanałowe.
Precyzyjne pomiary, badania sejsmiczne, robotyka, wysokiej jakości sprzęt do rejestracji dźwięku i obrazu nie są możliwe bez nich konwertery wysokiej rozdzielczości.
Surowe wymagania dotyczące zużycia energii oraz właściwości wagowych i wymiarowych nałożone na systemy pokładowe są spełniane poprzez zastosowanie mikromocy i funkcjonalnie kompletne przetwornice.
Wymagany dla wojskowego RTS konwertery odporne na różne czynniki zewnętrzne.
Domowe urządzenia elektryczne i radiowe wymagają szerokiej gamy niedrogich przetwornic, które nie mają rekordowych wartości parametrów elektrycznych i charakterystyki działania.
Niektóre aplikacje ADC:
| Średnie wartości parametrów | ||||
| Aplikacje | liczba drzwi szeregi | czas konwersji (μs) | pasmo częstotliwości wejściowej sygnał, Hz | Nieliniowość różniczkowa, MZR |
| Radar | 6-8 | 0.05 | 2 10 7 | 0.5 |
| Radar (wykrywanie dalekiego zasięgu) | 14-16 | 2 10 3 | 0.5 | |
| Przetwarzanie danych lotniczych | 0.01 | do 10 8 | 0.5 | |
| Nawigacja radiowa | 8-10 | 0.05-0.1 | 10 7 | 0.5 |
| Wysoka jakość nagrań audio i wideo | 2 10 4 | 0.5 | ||
| Instrumenty do badań fizycznych | 16-18 | 1-5 | 0.5 | |
| Specjalista. Komputery cyfrowe | 3-5 | 10 5 | 0.5 |
Niektóre zastosowania przetwornika DAC.
3 Podstawowe parametry i klasyfikacja przetworników DAC i ADC
Przeprowadzana jest klasyfikacja DAC metodami konwersji.
Istnieją dwie metody konwersji -
* metoda sumowania pojedynczej wielkości analogowej (kwantów);
* metoda sumowania z uwzględnieniem wagi cyfr.
Przez schemat wdrożenia Przetworniki DAC dzielą się na: przetworniki DAC z sumowaniem napięcia, przetworniki DAC z sumowaniem prądu i przetworniki DAC z mnożeniem.
Parametry DAC-a.
Parametry nominalnej funkcji przeliczeniowej.
Nominalna funkcja konwersji ma postać
Lub 
z kodowaniem binarnym.
Graficznie interpretowane przez punkty na linii. Ostateczna wartość wyjściowa 
.
Parametry tej funkcji to współczynnik konwersji , rodzaj kodu sygnału wejściowego I liczba cyfr .
Współczynnik konwersji jest stosunkiem przyrostu sygnału analogowego do przyrostu sygnału cyfrowego. Ma wymiar wielkości wyjściowej i jest liczbowo równy jednostce nominalnej najmniej znaczącej cyfry.
Kod wejścia może to być naturalny kod binarny, binarne kody dziesiętne.
Statyczne parametry dokładności.
Błąd konwersji- odchylenie rzeczywistej funkcji przeliczeniowej od nominalnej.
Systematyczny błąd konwersji- uśredniona w czasie wartość błędu konwersji przy stałej wartości kodu sterującego.
Błąd konwersji jest losowy- składowa losowa (szum) sygnału wyjściowego o stałej wartości kodu wejściowego.
Nieliniowość transformacji- maksymalne odchylenie wartości rzeczywistej funkcji transformacji od odpowiednich punktów na linii prostej aproksymującej tę funkcję.
Różniczkowa nieliniowość transformacji- odchylenie przyrostu sygnału wyjściowego przy przejściu kodu wejściowego do wartości sąsiadującej z wartością jednostki MZ. Wyrażone w ułamkach jednostki płacy minimalnej.
Parametry dynamiczne.
Czas ustalania prądu (napięcia).) - odstęp czasu od chwili zmiany danego kodu na wejściu przetwornika cyfrowo-analogowego do momentu, w którym wyjściowy sygnał analogowy ostatecznie wejdzie w strefę stanu ustalonego odpowiadającą ±1/2 LSB lub innej określonej wartości.
Skok wyjściowy- krótki impuls sygnału wyjściowego w przypadku zmiany kodu wejściowego.
Funkcja wpływu- zależność zmian parametrów od czynników wpływających (temperatura, napięcie zasilania itp.).
Parametry parowania elektrycznego.
Scharakteryzować wszystkie wejścia i wyjścia przetwornika DAC pod kątem współpracy z urządzeniami zewnętrznymi. Podzielone na parametry parowania analogowego i parametry parowania cyfrowego.
Pierwsza obejmuje rezystancje wejściowe i wyjściowe, wartości nominalne i tolerancje napięć zasilania, zewnętrzne napięcia odniesienia.
Do drugiego - dziennik wartości nominalnych i tolerancji napięcia. „0” i zarejestruj. „1”, impedancje wejściowe (prądy) z wejść cyfrowych.
Istnieją cztery rodzaje sygnałów s(t): ciągły czas ciągły, ciągły czas dyskretny, dyskretny czas ciągły i dyskretny czas dyskretny.
Sygnały czasu ciągłego nazywane są w skrócie sygnałami czasu ciągłego (analogowymi). Mogą zmieniać się w dowolnych momentach, przyjmując dowolny ciągły zestaw możliwych wartości (ryc. 1.3). Do takich sygnałów należy dobrze znana sinusoida.
Ryż. 1.3 Sygnał ciągły
Ryż. 1.4 Ciągły dyskretny sygnał czasu
Ciągłe sygnały dyskretne mogą przyjmować dowolne wartości, ale zmieniać się tylko w określonych, z góry określonych (dyskretnych) momentach (ryc. 1.4).
Dyskretne sygnały o czasie ciągłym różnią się tym, że mogą zmieniać się w dowolnych momentach, ale ich wartości przyjmują tylko dozwolone (dyskretne) wartości (ryc. 1.5).
Dyskretne sygnały czasu (w skrócie dyskretny) (ryc. 1.6) w czasach dyskretnych mogą przyjmować tylko dozwolone (niekretne) wartości.
Sygnały generowane na wyjściu dyskretnego przetwornika sygnału na sygnał są z reguły dyskretne pod względem parametru informacyjnego, czyli opisane są dyskretną funkcją czasu i skończonym zbiorem możliwych wartości. W technologii transmisji danych takie sygnały nazywane są cyfrowymi sygnałami danych (DDS). Parametr sygnału danych, którego zmiana odzwierciedla zmianę komunikatu, nazywany jest reprezentacją (informacją). Na ryc. Rysunek 1.7 pokazuje DSD, którego reprezentującym parametrem jest amplituda, a zbiór możliwych wartości reprezentującego parametru jest równy dwa. Część cyfrowego sygnału danych, który różni się od pozostałych części wartością jednego z nich reprezentujące. parametry nazywa się elementem DAC.
Stała wartość stanu reprezentującego parametru sygnału nazywana jest pozycją znaczącą. Moment, w którym zmienia się znaczące położenie sygnału, nazywa się znaczącym (SM).
Ryż. 1.5 Dyskretny ciągły sygnał czasowy
Ryż. 1.6 Sygnał dyskretny
Ryż. 1.7 Cyfrowy sygnał danych
Przedział czasu pomiędzy dwoma sąsiednimi znaczącymi momentami sygnału nazywany jest znaczącym (SI)
Minimalny przedział czasu, który jest równy znaczącym odstępom czasu sygnału, nazywany jest jednostką (przedziały a-b, b-c i inne na ryc. 1-7). Element sygnału mający czas trwania równy jednostkowemu przedziałowi czasu nazywany jest elementem jednostkowym (e e)
Termin element jednostkowy jest jednym z głównych w technologii transmisji danych. W telegrafii odpowiada to określeniu paczki elementarnej
Istnieją izochroniczne i anizochroniczne sygnały danych. W przypadku sygnału izochronicznego każdy znaczący przedział czasu jest równy przedziałowi jednostkowemu lub liczbie całkowitej. Sygnały anizochroniczne to sygnały, których elementy mogą mieć dowolny czas trwania, ale nie krótszy niż. Inną cechą sygnałów anizochronicznych jest to, że można je oddzielić w czasie na dowolną odległość
Które musi zostać zaakceptowane przez stronę odbierającą, w przeciwnym razie nie jest to wiadomość. Sygnałem może być dowolny proces fizyczny, którego parametry zmieniają się w zależności od przesyłanego komunikatu.
Sygnał, deterministyczny lub losowy, opisuje się za pomocą modelu matematycznego, czyli funkcji charakteryzującej zmianę parametrów sygnału. Matematyczny model reprezentacji sygnału w funkcji czasu jest podstawową koncepcją teoretycznej inżynierii radiowej, która okazała się owocna zarówno w analizie, jak i syntezie urządzeń i systemów radiotechniki. W radiotechnice alternatywą dla sygnału niosącego przydatne informacje jest szum – zazwyczaj losowa funkcja czasu, która oddziałuje (np. dodając) z sygnałem i zniekształca go. Głównym zadaniem teoretycznej inżynierii radiowej jest wydobycie użytecznych informacji z sygnału przy uwzględnieniu szumu.
Pojęcie sygnał pozwala na abstrakcję od określonej wielkości fizycznej, np. prądu, napięcia, fali akustycznej, i uwzględnienie poza kontekstem fizycznym zjawisk związanych z kodowaniem informacji i wydobywaniem jej z sygnałów, które zwykle są zniekształcane przez szum. W badaniach sygnał jest często przedstawiany jako funkcja czasu, którego parametry mogą nieść niezbędne informacje. Nazywa się metodę rejestracji tej funkcji, a także metodę rejestracji szumu zakłócającego matematyczny model sygnału.
W związku z koncepcją sygnału formułowane są takie podstawowe zasady cybernetyki, jak koncepcja przepustowości kanału komunikacyjnego, opracowana przez Claude'a Shannona, oraz koncepcja optymalnego odbioru, opracowana przez V. A. Kotelnikowa.
Ze względu na fizyczną naturę nośnika informacji:
W drodze ustawienia sygnału:
W zależności od funkcji opisującej parametry sygnału rozróżnia się sygnały analogowe, dyskretne, skwantowane i cyfrowe:
Sygnał analogowy
Większość sygnałów ma charakter analogowy, to znaczy zmienia się w sposób ciągły w czasie i może przyjmować dowolną wartość w określonym przedziale czasu. Sygnały analogowe opisuje się pewną matematyczną funkcją czasu.
Przykład sygnału harmonicznego AC - s(t) = A·cos(ω·t + φ).
Sygnały analogowe są wykorzystywane w telefonii, radiu i telewizji. Nie da się takiego sygnału wprowadzić do komputera i przetworzyć, gdyż w dowolnym przedziale czasowym ma on nieskończoną liczbę wartości, a do dokładnego (bezbłędnego) przedstawienia jego wartości potrzebne są liczby o nieskończonej głębokości. Dlatego konieczne jest przekształcenie sygnału analogowego tak, aby można go było przedstawić jako ciąg liczb o określonej głębi bitowej.
Próbkowanie sygnału analogowego polega na przedstawieniu sygnału jako ciągu wartości pobranych w dyskretnych momentach czasu. Wartości te nazywane są liczy się.Δt nazywa się interwał próbkowania.
Główny artykuł: Kwantyzacja (informatyka)
Podczas kwantyzacji cały zakres wartości sygnału jest dzielony na poziomy, których liczba musi być przedstawiona w liczbach o danej głębi bitowej. Odległość między tymi poziomami nazywana jest krokiem kwantyzacji Δ. Liczba tych poziomów wynosi N (od 0 do N-1). Każdemu poziomowi przypisany jest numer. Próbki sygnału porównuje się z poziomami kwantyzacji i jako sygnał wybierana jest liczba odpowiadająca pewnemu poziomowi kwantyzacji. Każdy poziom kwantyzacji jest kodowany jako liczba binarna z n bitami. Liczba poziomów kwantyzacji N i liczba bitów n liczb binarnych kodujących te poziomy są powiązane zależnością n ≥ log 2 (N).
Aby przedstawić sygnał analogowy jako ciąg liczb skończonych bitów, należy go najpierw przekształcić w sygnał dyskretny, a następnie poddać kwantyzacji. Kwantyzacja to szczególny przypadek próbkowania, gdy próbkowanie następuje przy tej samej wartości zwanej kwantem. Dzięki temu sygnał zostanie zaprezentowany w taki sposób, aby w każdym zadanym przedziale czasu znana była przybliżona (kwantowana) wartość sygnału, którą można zapisać w postaci liczby całkowitej. Jeśli zapiszesz te liczby całkowite w systemie binarnym, otrzymasz ciąg zer i jedynek, który będzie sygnałem cyfrowym.
Zdarzenie (otrzymanie notatki, zaobserwowanie flary sygnałowej, otrzymanie symbolu telegrafem) jest sygnałem tylko w systemie relacji, w którym wiadomość jest uznawana za znaczącą (np. w warunkach bojowych flara sygnałowa to zdarzenie, które ma znaczenie tylko dla obserwatora, do którego jest adresowany). Jest oczywiste, że sygnał zdefiniowany analitycznie nie jest zdarzeniem i nie niesie ze sobą informacji, jeżeli obserwatorowi znana jest funkcja sygnału i jego parametry.
W technologii sygnał jest zawsze wydarzeniem. Inaczej mówiąc, sygnałem jest zdarzenie – zmiana stanu dowolnego elementu systemu technicznego, uznana przez logikę systemu za istotną. Sygnałem nie jest zdarzenie, które nie jest uznawane przez dany system powiązań logicznych lub technicznych za istotne.
Istnieją dwa sposoby reprezentacji sygnału w zależności od dziedziny definicji: czas i częstotliwość. W pierwszym przypadku sygnał jest reprezentowany jako funkcja czasu charakteryzująca zmianę jego parametru.
Oprócz zwykłej czasowej reprezentacji sygnałów i funkcji, w analizie i przetwarzaniu danych szeroko stosowany jest opis sygnałów za pomocą funkcji częstotliwości. Rzeczywiście każdy sygnał, niezależnie od tego, jak złożony jest w swojej formie, można przedstawić jako sumę prostszych sygnałów, a w szczególności jako sumę najprostszych oscylacji harmonicznych, których całość nazywa się widmem częstotliwości sygnału.
Aby przejść do metody reprezentacji częstotliwościowej, stosuje się transformatę Fouriera:
.
Funkcja nazywa się funkcją widmową lub gęstością widmową.
Ponieważ funkcja widmowa jest złożona, możemy mówić o widmie amplitudowym i widmie fazowym. Fizyczne znaczenie funkcji widmowej: sygnał jest reprezentowany jako suma nieskończonego szeregu składowych harmonicznych (sinusoid) o amplitudach w sposób ciągły wypełniających przedział częstotliwości od 0 do , oraz fazy początkowe.
Fundacja Wikimedia.
2010.:sygnał Zobacz, co oznacza „Sygnał” w innych słownikach: - sygnał a, m., niemiecki. Sygnał śr. łac. sygnał łac. znak, sygnał. 1. Konwencjonalny znak do przekazywania jakich liter. informacje, rozkazy itp. BAS 1. Kiedy główny dowódca statku zostaje tak uszkodzony w bitwie, że nie może już służyć, wówczas... ...
Historyczny słownik galicyzmów języka rosyjskiego Cm…
Słownik synonimów W fizyce zmiana jakiejś wielkości fizycznej, która służy do zarejestrowania zdarzenia. Zobacz także: Sygnały Ramy odniesienia Słownik Finansowy Finam. Sygnał Sygnał to proces przekazywania informacji poprzez działania firmy. W języku angielskim: Synonimy sygnału:… …
Słownik finansowy
Niemal od samego początku plemiona ludzkie stanęły przed koniecznością nie tylko gromadzenia informacji, ale także wymiany ich między sobą. Jeśli jednak nie było tak trudno zrobić to z bliskimi (język i pisanie), to z tymi, którzy byli na duże odległości, proces ten powodował pewne problemy.
Co to jest sygnał?
Wielu naukowców uważa, że główną siłą napędową ewolucji stała się zdolność organizmów biologicznych, a nawet pojedynczych komórek do wzajemnego komunikowania się (sygnalizowania obecności składników odżywczych lub niebezpieczeństwa).
Sygnałem może być dowolny proces fizyczny, którego parametry są dostosowane do rodzaju przesyłanych danych. Przykładowo w systemie komunikacji telefonicznej nadajnik przetwarza słowa mówiącego abonenta na sygnał napięcia elektrycznego, który przewodami przekazywany jest do urządzenia odbiorczego, w pobliżu którego znajduje się osoba słuchająca.
Te dwa pojęcia są bardzo zbliżone znaczeniowo – zawierają pewne dane przekazywane od nadawcy do odbiorcy. Istnieje jednak między nimi zauważalna różnica.
Aby osiągnąć ten cel, wiadomość musi zostać zaakceptowana przez adresata. Oznacza to, że jego cykl życia składa się z trzech etapów: kodowanie informacji - transmisja - dekodowanie wiadomości.
W przypadku sygnału jego akceptacja nie jest warunkiem koniecznym jego istnienia. Oznacza to, że zaszyfrowane w nim informacje można odszyfrować, ale nie wiadomo, czy ktoś to zrobi.
W przyrodzie istnieje wiele rodzajów sygnałów o różnej charakterystyce. W związku z tym do ich klasyfikacji stosuje się różne kryteria tych zjawisk. Zatem istnieją trzy kategorie:
W zależności od metody tworzenia rodzaje sygnałów są następujące.
Dwa ostatnie rodzaje sygnałów są jednocześnie najprostszymi przykładami technicznych operacji komunikacyjnych, których celem jest powiadomienie o osobliwościach bieżącej sytuacji.
Najczęściej służą do ostrzegania o niebezpieczeństwie lub awariach systemu.
Często odmiany dźwiękowe i optyczne są wykorzystywane jako elementy koordynujące w celu zapewnienia płynnego działania zautomatyzowanych urządzeń. Zatem niektóre rodzaje sygnałów sterujących (poleceń) stymulują system do działania.
Na przykład w przypadku alarmów pożarowych, gdy czujniki wykryją ślady dymu, emitują wysoki dźwięk. To z kolei odbierane jest przez system jako sygnał sterujący do ugaszenia pożaru.
Innym przykładem tego, jak sygnał (rodzaje sygnałów ze względu na charakter fizyczny wymieniono powyżej) aktywuje system w przypadku zagrożenia, jest termoregulacja organizmu ludzkiego. Jeśli więc pod wpływem różnych czynników temperatura ciała wzrasta, komórki „informują” o tym mózg, a ten włącza „układ chłodzenia organizmu”, lepiej znany wszystkim jako pocenie się.
Istnieją różne kategorie tego parametru.
Wszystkie tego typu sygnały są elektryczne. Wynika to z faktu, że są one nie tylko łatwiejsze w obróbce, ale także łatwo przenoszą się na duże odległości.
Nazwą tą nadawane są sygnały pochodzenia naturalnego, które zmieniają się w sposób ciągły w czasie (ciągły) i są w stanie przyjmować różne wartości w określonym przedziale czasu.
Ze względu na swoje właściwości idealnie nadają się do transmisji danych w łączności telefonicznej, radiofonii i telewizji.
W rzeczywistości wszystkie inne typy sygnałów (cyfrowe, kwantowe i dyskretne) są z natury konwertowane na analogi.
W zależności od przestrzeni ciągłych i odpowiadających im wielkości fizycznych rozróżnia się różne typy sygnałów analogowych.
Jak już wspomniano w poprzednim akapicie, jest to nadal ten sam typ analogowy, z tą różnicą, że został skwantowany. Jednocześnie cały jego zakres wartości można było podzielić na poziomy. Ich ilość wyrażana jest w liczbach o danej głębi bitowej.
Zwykle proces ten jest stosowany w praktyce przy kompresji sygnałów audio lub optycznych. Im więcej poziomów kwantyzacji, tym dokładniejsza staje się transformacja z sygnału analogowego na kwantowy.
Omawiana odmiana odnosi się także do tych, które wyrosły sztucznie.
W wielu klasyfikacjach typów sygnałów sygnał ten nie jest rozróżniany. Jednak istnieje.
Sygnał ten również jest sztuczny i ma skończoną liczbę poziomów (wartości). Z reguły jest ich dwóch lub trzech.
W praktyce różnicę pomiędzy dyskretnym i analogowym sposobem transmisji sygnału można zilustrować porównując nagranie dźwięku na płycie winylowej i płycie kompaktowej. W pierwszym przypadku informacja prezentowana jest w formie ciągłej ścieżki dźwiękowej. Ale po drugie - w postaci wypalonych laserowo kropek o różnym współczynniku odbicia.
Ten rodzaj transmisji danych następuje poprzez konwersję ciągłego sygnału analogowego na zbiór wartości dyskretnych w postaci kodów binarnych.
Proces ten nazywany jest dyskretyzacją. W zależności od liczby znaków w kombinacjach kodowych (jednolita/nieparzysta) dzieli się ją na dwa typy.
Dziś ta metoda przesyłania informacji uporczywie wypiera analog. Podobnie jak dwa poprzednie, również i ten jest sztuczny. W praktyce przedstawia się go jako ciąg wartości cyfrowych.
W przeciwieństwie do analogu, ten przesyła dane znacznie szybciej i z lepszą jakością, jednocześnie oczyszczając je z zakłóceń. Jednocześnie jest to słabość sygnału cyfrowego (pozostałe rodzaje sygnałów opisano w poprzednich trzech akapitach). Faktem jest, że tak filtrowana informacja traci „zaszumione” cząstki danych.
W praktyce oznacza to, że z transmitowanego obrazu znikają całe fragmenty. A jeśli już o dźwięku mowa – słowa lub nawet całe zdania.
Tak naprawdę każdy sygnał analogowy można zmodulować do postaci cyfrowej. W tym celu poddawany jest jednocześnie dwóm procesom: próbkowaniu i kwantyzacji. Będąc odrębną metodą przesyłania informacji, sygnał cyfrowy nie jest podzielony na typy.
Jego popularność przyczyniła się do tego, że w ostatnich latach telewizory nowej generacji powstały specjalnie z myślą o cyfrowej, a nie analogowej transmisji obrazu i dźwięku. Można je jednak podłączyć do zwykłych kabli telewizyjnych za pomocą adapterów.
Wszystkie powyższe sposoby transmisji danych związane są ze zjawiskiem zwanym modulacją (dla sygnałów cyfrowych – manipulacją). Dlaczego jest to potrzebne?
Jak wiadomo, fale elektromagnetyczne (za pomocą których przesyłane są różnego rodzaju sygnały) mają tendencję do tłumienia, co znacznie zmniejsza zasięg ich transmisji. Aby temu zapobiec, wibracje o niskiej częstotliwości są przenoszone do obszaru długich fal o wysokiej częstotliwości. Zjawisko to nazywa się modulacją (manipulacją).
Oprócz zwiększenia odległości transmisji danych poprawia odporność sygnałów na zakłócenia. Możliwe staje się także jednoczesne zorganizowanie kilku niezależnych kanałów przesyłania informacji.
Sam proces wygląda tak. Urządzenie zwane modulatorem odbiera jednocześnie dwa sygnały: o niskiej częstotliwości (przenoszący określone informacje) i o wysokiej częstotliwości (pozbawiony informacji, ale zdolny do transmisji na duże odległości). W tym urządzeniu zostają one przekształcone w jedno, które jednocześnie łączy w sobie zalety obydwu.
Rodzaje sygnałów wyjściowych zależą od zmienionego parametru oscylacji wysokiej częstotliwości nośnej wejściowej.
Jeśli jest harmoniczny, ten proces modulacji nazywa się analogowym.
Jeśli okresowe - pulsacyjne.
Jeśli sygnałem nośnym jest po prostu prąd stały, ten typ nazywa się szumem.
Z kolei pierwsze dwa rodzaje modulacji sygnału dzielą się na podtypy.
Modulacja analogowa działa w ten sposób.
Rodzaje modulacji sygnałów impulsowych (dyskretnych).
Po rozważeniu, jakie istnieją sposoby przekazywania danych, można stwierdzić, że niezależnie od ich rodzaju, wszystkie spełniają ważną rolę w życiu człowieka, pomagając mu w wszechstronnym rozwoju i chroniąc przed możliwymi zagrożeniami.
Jeśli chodzi o sygnały analogowe i cyfrowe (za pomocą których we współczesnym świecie przesyłane są informacje), najprawdopodobniej w ciągu najbliższych dwudziestu lat w krajach rozwiniętych pierwszy zostanie niemal całkowicie zastąpiony drugim.
