Чем цифра отличается от аналога. Отличия аналогового звука от цифрового

В последнее время, в информационной сети, стало появляться все больше информации о переходе с аналогового вещания на цифровое, в связи с этим, появляется много вопросов по данной тематике, порождаются всевозможные слухи и предположения. В этой статье, я хочу пояснить, в чем различие "аналогового" и "цифрового" вещания, доступным и понятным для простого пользователя языком (по крайней мере, на сколько это возможно).

Сигналы были первоначально отправлены по волне, аналогичной исходному сигналу, в отличие от новых цифровых сигналов, которые отправляются как двоичный код. Аналоговые сигналы были чрезвычайно эффективными и могли быть подняты с большого расстояния, но они также заняли значительное пространство на полосе пропускания.

Пучок электронов, выпущенных из задней части трубки к экрану в передней части трубки, освещающий люминофоры на экране. Путем модуляции яркости и цветового кодирования луча на экране может быть создано полное изображение. Луч слегка изменил конкретное изображение каждую часть секунды, обманывая ваши глаза, думая, что изображение движется.

Для начала, давайте разберемся что это такое "аналоговый" сигнал.

Аналоговый сигнал

Разъяснять как всегда, я буду на простом примере. За пример, возьмем передачу голосовой информации от одного человека к другому.

Во время разговора, наши голосовые связки излучают определенную вибрацию различной тональности (частоты), и громкости (уровня звукового сигнала). Эта вибрация, пройдя некоторое расстояние, попадает в человеческое ухо, воздействуя там, на так называемую слуховую мембрану. Эта мембрана, начинает вибрировать с такой же частотой и силой вибрации какую излучали наши звуковые связки, с одним лишь отличием, что сила вибрации за счет преодоления расстояния, несколько ослабевает.
Так вот, передачу голосовой речи от одного человека к другому, можно смело назвать
аналоговой передаче й сигнала, и вот почему.

Первоначально аналоговые телевизоры транслировались в черно-белом режиме, что можно было осуществить просто путем изменения интенсивности электронного пучка. Когда цвет пришел, в сигнал была закодирована новая информация, позволяющая телевизорам интерпретировать определенные цвета. Использовались три основных типа цветовой кодировки.

С "аналоговым сигналом", думаю, разобрались

Кроме того, электронно-лучевые трубки требовали громоздкой структуры для поддержки и были ограничены 480 вертикальными линиями для создания изображения. Вот хорошие новости: старый аналоговый телевизор будет работать со спутниковой антенной даже после цифрового преобразования.

Здесь дело в том, что наши голосовые связки, излучают такую же звуковую вибрацию, какую и воспринимает само человеческое ухо (что говорим, то и слышим), то есть, передаваемый и принимаемый звуковой сигнал, имеет схожую форму импульса, и такой же частотный спектр звуковых вибраций, или по другому сказать, "аналогичной" звуковой вибрации.

Установите свою спутниковую антенну или установите ее самостоятельно, в соответствии со спецификациями производителя. Подключите сателлит к спутниковой антенне . Подключите ваш сабвуфер к телевизору. Подключите коаксиальный провод к порту «Телевизионный выход».

Настройте свой телевизор на канал. Позвоните своему спутниковому провайдеру , чтобы активировать ваш спутниковый ресивер . Проверьте покупку высококачественной проволоки; тем лучше провод , тем лучше изображение и звук. Спутниковая антеннаСпутниковый приемникКосиальный провод. . Джек Горман принимал участие во многих областях своей профессиональной карьеры. Его специальность включает производство фильмов и видео, управление спортом, написание, графический веб-дизайн, маркетинг, связь, операции, человеческие ресурсы и фотографии.

Здесь, думаю понятно.

Теперь, рассмотрим более сложный пример. И за этот пример, возьмем упрощенную схему телефонного аппарата, то есть того телефона, которым люди пользовались задолго до появления сотовой связи.

Во время разговора, речевые звуковые вибрации передаются на чувствительную мембрану телефонной трубки (микрофона). Затем, в микрофоне, звуковой сигнал преобразуется в электрические импульсы, и далее поступает по проводам ко второй телефонной трубке, в которой, с помощью электромагнитного преобразователя (динамика или наушника) электрический сигнал преобразуется обратно в звуковой сигнал.

За последнее десятилетие телевидение быстро развивалось. Хотя они связаны друг с другом, они не совсем то же самое. Он также имеет возможность передавать больший объем данных в меньшей полосе пропускания и возможность транслировать отдельные подканалы.

Даррин Майер пишет с того времени. Мейер имеет степень бакалавра искусств в области трансляции журналистики из Университета Небраски-Линкольн. Ну, есть большая разница в качестве между двумя. Качество изображения намного превосходит качество цифрового вещания.

Цифровое изображение более точно, поскольку оно использует цифровую формулу для передачи, так что вы либо видите идеальную картинку, либо ничего вообще. Цифровая система позволяет передавать больше контента через радиоволны. Мы определенно больше живем в мире компьютеров и технологий.

В приведенном выше примере, используется, опять же, "аналоговое" преобразование сигнала. То есть, звуковая вибрация имеет такую же частоту, как и частота электрического импульса в линии связи, а так же, звуковой и электрический импульсы, имеют схожую форму (то есть, аналогичную).

Каждая станция имеет одну частоту, по которой транслируется аналоговый телевизионный сигнал. Это может привести к статике, снегу или ореолу на канале. Это может также вызвать колебания цвета, яркости и качества звука. И, как радиосигналы, аналоговая передача снижается, а дальше от источника.

В цифровой код, можно закодировать практически любой вид передаваемого электрического сигнала (включая и аналоговый), и не важно, будет это картинка, видео сигнал, аудио сигнал, или текстовая информация, причем можно передавать эти виды сигнала, практически одновременно (в едином цифровом потоке).

Цифровой сигнал, по своим электрическим свойствам (так же как и в примере с тональным сигналом), имеет большую пропускную способность передачи информации, нежели аналоговый сигнал. Так же, цифровой сигнал, можно передавать на большее расстояние, чем аналоговый, причем без снижения качества передаваемого сигнала.

Это означает, что вам нравится стабильно четкое изображение, высококачественный звук и статичность или снег. Цифровая передача требует меньшей пропускной способности по сравнению с аналогичным аналоговым сигналом. Это позволяет вам испытать качественное программирование в домашних условиях. Значение изображения - 4 единицы ширины для каждых 3 единиц высоты.

К сожалению, телевизионные приемники (телевизоры), рассчитанные для приема аналогового телевидения, уже не смогут принимать цифровой эфирный сигнал . Но в любом случае, это не означает, что надо идти в магазин и приобретать новый телевизор способный принимать цифровое ТВ.

Чтобы Вы могли совершать прием цифрового эфирного вещания, на телевизор поддерживающий только аналоговый эфирный сигнал, Вам достаточно приобрести так называемый приемник цифрового телевизионного вещания (или по другому назвать, цифровой эфирный ресивер).

Цифровой эфирный приемник (ресивер), подключается к телевизору через антенное гнездо или через низкочастотный аудио-видео кабель. В данном случае, эфирная антенна, подключается уже не к антенному гнезду телевизора, а к гнезду самого цифрового приемника. Общая схема такого подключения изображена на Рис. 1.

Общий принцип такого приема будет следующий:

Цифровой эфирный радиосигнал будет приниматься эфирной антенной, с антенны этот сигнал будет приходить на цифровой приемник , а уже с приемника аналоговый сигнал поступит на ваш телевизор. Здесь, телевизор будет уже использоваться в качестве монитора, а переключение между телеканалами будет происходить с дистанционного пульта цифрового эфирного приемника (ресивера).

Здесь думаю, следует упомянуть, и о приеме звуковых радиостанций.

Для приема цифрового сигнала с радиовещательных станций, радиоприемники старого образца (поддерживающие прием аналогового вещания), так же уже не подойдут, и потребуется специальный радиоприемник, поддерживающий прием именно цифрового радиосигнала.

Преимущества цифрового эфирного ТВ:

*Как уже упоминалось ранее, основным и самым главным преимуществом цифрового эфирного ТВ, это конечно же мобильность. Свои любимые передачи, Вы сможете смотреть не только у себя дома, но и находясь в дороге. Так же, возможно в будущем, цифровое эфирного ТВ можно буде просматривать и на мобильном телефоне .
*Цифровое эфирное ТВ, это возможность принимать изображение и звук, в очень хорошем качестве.
*По своим электрическим свойствам, или вернее сказать электромагнитным свойствам, цифровой сигнал, можно передавать на большее расстояние, чем аналоговый, причем без снижения качества передаваемого сигнала.
Здесь, следует так же учесть, что цифровой радиосигнал более устойчивый к окружающим нас электромагнитным помехам (помехи могут идти как от находящихся рядом электро-, радиоприборов, так и проходящих неподалеку линий электропередач).
*В цифровом формате, можно передать значительно больше телеканалов, при этом качество изображения и звука будет намного лучше, чем в при аналоговой передаче сигнала.
*Несомненным преимуществом цифрового эфирного вещания, это конечно же простота в настройке, тогда как, к примеру, для установки и настройки спутникового телевидения , требуются определенные знания и навыки.

Думаю, это конечно же не весь список преимуществ цифрового вещания перед аналоговым, но, как говорится, поживем увидим.

Цифровое телевидение стремительно набирает популярность в нашей стране, однако многие люди по-прежнему не знают, чем же оно принципиально отличается от старого доброго аналогового ТВ.

Описание аналогового и цифрового телевидения

Нетрудно догадаться, что в основе аналогового и цифрового телевидения лежат соответственно аналоговый и цифровой сигналы. Аналоговый сигнал идет непрерывно, а значит, в случае какого-либо влияния извне он оказывается уязвимым, что приводит к худшему качеству изображения и звука. Несомненным преимуществом аналогового сигнала является возможность принимать его с помощью простой эфирной антенны . Можно также воспользоваться услугами провайдера кабельного телевидения . Можно сказать, что аналоговый сигнал сегодня уже является устаревшим, поскольку он значительно уступает цифровому сигналу по ряду важнейших параметров – качество, безопасность и др.
Современные телевизоры созданы главным образом для работы с цифровым сигналом, хоть у них еще и наличествует аналоговый разъем. Просто всё дело в том, что аналоговый сигнал не способен раскрыть всего потенциала современных плазменных и ЖК-телевизоров, лучшее качество картинки может дать лишь цифровой сигнал. Он, в отличие от аналогового, поступает компактными «порциями», которые разделены паузами, и поэтому воздействовать на такой сигнал очень непросто. Даже при передаче цифрового сигнала на очень далекое расстояние качество картинки и звука остается на самом высоком уровне. Помимо прочего, цифровой сигнал позволяет передать куда больше каналов, чем аналоговый, поэтому абоненты, подключающие цифровое телевидение, получают более сотни телеканалов самой разной тематики.

Сравнение аналогового и цифрового телевидения

Увы, аналоговое телевидение сегодня фактически не имеет явных преимуществ перед цифровым вещанием, кроме разве что возможности «ловить» сигнал с помощью обычной антенны. Впрочем, цифровое телевидение тоже может быть мобильным с помощью приемника цифрового сигнала. Учитывая, что вне зависимости от расстояния цифровой сигнал остается защищенным от взлома и помех и гарантирует высокий уровень качества, плюсы цифрового телевидения становятся совершенно очевидны.

TheDifference.ru определил, что разница между аналоговым и цифровым телевидением заключается в следующем:

Цифровое телевидение обеспечивает более высокий уровень качества и защиты сигнала. Аналоговый сигнал был и остается уязвимым для внешнего воздействия и не может обеспечить столь качественное изображение.
Цифровое телевидение более мобильное – уже сегодня можно принимать цифровой сигнал, находясь в дороге или далеко от дома.
Аналоговое телевидение не способно предоставить такого большого числа каналов, как цифровое. Благодаря особенностям цифрового сигнала, при подключении цифрового ТВ абонент может получить доступ к нескольким сотням различных телеканалов.

Подпишитесь на новости

Отличие аналоговой и цифровой связи.
Имея дело с радиосвязью, очень часто приходится сталкиваться с такими терминами, как «аналоговый сигнал» и «цифровой сигнал» . Для специалистов в этих словах нет никакой тайны, но для людей несведущих разница между «цифрой» и «аналогом» может быть совсем неведомой. А между тем разница есть и весьма существенная.
Итак. Радиосвязь это всегда передача информации (речевой, СМС, телесигнализации) между двумя абонентами источником сигнала передатчиком (Радиостанцией, репитером, базовой станцией) и приемником.
Когда мы говорим о сигнале, то обычно подразумеваем электромагнитные колебания, наводящие ЭДС и вызывающие колебания тока в антенне приемника. Далее приемное устройство – переводит полученные колебания обратно в сигнал звуковой частоты и выводит на динамик.
В любом случае сигнал передатчика можно представить как в цифровой, так и в аналоговой форме. Ведь, к примеру, сам по себе звук – это аналоговый сигнал. На радиостанции звук, воспринимаемый микрофоном, преобразуется в уже упоминавшиеся электромагнитные колебания. Чем выше частота звука – тем выше частота колебаний на выходе, а чем громче говорит диктор – тем больше амплитуда.
Получившиеся электромагнитные колебания, или волны, распространяются в пространстве с помощью передаточной антенны. Чтобы эфир не забивался низкочастотными помехами, и чтобы у разных радиостанций была возможность работать параллельно, не мешая друг другу, колебания, получившиеся от воздействия звука, суммируют, то есть «накладывают» на другие колебания, имеющие постоянную частоту. Последнюю частоту принято называть «несущей», и именно на ее восприятие мы настраиваем свой радиоприемник, чтобы «поймать» аналоговый сигнал радиостанции.
В приемнике происходит обратный процесс: несущая частота отделяется, а электромагнитные колебания, полученные антенной, преобразуются в колебания звука, и из динамика слышится информация которую хотел сообщить передавший сообщение.
В процессе передачи звукового сигнала от радиостанции к приемнику могут возникнуть сторонние помехи, частота и амплитуда могут измениться, что, конечно же, отразится на звуках, издаваемых радиоприемником. Наконец, и сами передатчик и приемник во время преобразования сигнала вносят некоторую погрешность. Поэтому звук, воспроизводимый аналоговым радиоприемником, всегда имеет некоторые искажения. Голос может вполне воспроизводиться, несмотря на изменения, но фоном будет шипение или даже какие-то хрипы, вызванные помехами. Чем менее уверенным будет прием, тем громче и отчетливее будут эти посторонние шумовые эффекты.

Вдобавок эфирный аналоговый сигнал имеет очень слабую степень защиты от постороннего доступа. Для общественных радиостанций это, конечно, не имеет никакого значения. Но во время пользования первыми мобильными телефонами был один неприятный момент, связанный с тем, что почти любой посторонний радиоприемник мог быть легко настроен на нужную волну для подслушивания вашего телефонного разговора.

Для защиты от этого используют так называемое «тонирование» сигнала или по другому система CTCSS (Continuous Tone-Coded Squelch System) система шумоподавления, кодированная непрерывным тоном или система идентификации сигнала «свой/чужой», предназначенная разделять пользователей, работающих в одном частотном диапазоне, на группы. Пользователи (корреспонденты) из одной группы могут слышать друг друга благодаря идентификационному коду. Объясняя доступно, принцип действия данной системы таков. Вместе с передаваемой информацией в эфир отправляют также дополнительный сигнал (или по другому тон). Приемник, помимо несущей, распознает при соответствующей настойке этот тон и принимает сигнал. Если же в рации –приемнике тон не настроен, то приема сигнала не происходит. Стандартов шифрования существует достаточное большое количество отличающаяся для различных производителей.
Такие недостатки есть у аналогового эфирного вещания. Из-за них, к примеру, телевидение в относительно скором времени обещает стать полностью цифровым.

Цифровая связь и вещания считаются более защищенными от помех и от внешних воздействий. Все дело в том, что при использовании «цифры» аналоговый сигнал с микрофона на передающей станции зашифровывается в цифровой код. Нет, конечно, в окружающее пространство не распространяется поток цифр и чисел. Просто звуку определенной частоты и громкости присваивается код из радиоимпульсов. Продолжительность и частота импульсов задана заранее – она одна и у передатчика, и у приемника. Наличие импульса соответствует единице, отсутствие – нулю. Поэтому такая связь и получила название «цифровая».
Устройство, преобразующее аналоговый сигнал в цифровой код, называется аналого-цифровым преобразователем (АЦП) . А устройство, установленное в приемнике, и преобразующее код в аналоговый сигнал, соответствующий голосу вашего знакомого в динамике сотового телефона стандарта GSM, называется цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП).
Во время передачи цифрового сигнала ошибки и искажения практически исключены. Если импульс станет немного сильнее, продолжительнее, или наоборот, то он все равно будет распознан системой как единица. А нуль останется нулем, даже если на его месте возникнет какой-то случайный слабый сигнал. Для АЦП и ЦАП не существует других значений, как 0,2 или 0,9 – только нуль и единица. Поэтому помехи на цифровую связь и вещание почти не оказывают влияния.
Более того, «цифра» является и более защищенной от постороннего доступа. Ведь, чтобы ЦАП устройства смог расшифровать сигнал, необходимо, чтобы он «знал» код расшифровки. АЦП вместе с сигналом может передавать и цифровой адрес устройства, выбранного в качестве приемника. Таким образом, даже если радиосигнал и будет перехвачен, он не сможет быть распознан из-за отсутствия как минимум части кода. Это особенно актуально для связи.
Итак, отличия цифрового и аналогового сигналов :
1) Аналоговый сигнал может быть искажен помехами, а цифровой сигнал может быть или забит помехами совсем, или приходить без искажений. Цифровой сигнал или точно есть, или полностью отсутствует (или нуль, или единица).
2) Аналоговый сигнал доступен для восприятия всеми устройствами, работающими по тому же принципу, что и передатчик. Цифровой сигнал надежно защищен кодом, его трудно перехватить, если вам он не предназначается.

Помимо чисто аналоговых и чисто цифровых станций, существуют и радиостанции поддерживающие как аналоговый так и цифровой режим. Они предназначены для перехода с аналоговой на цифровую связь.
Итак имея в распоряжении парк аналоговых радиостанций, вы можете постепенно перейти на цифровой стандарт связи.
Например, изначально вы строили систему связи на Радиостанциях Байкал 30.
Напомню, что это аналоговая станция с 16 каналами.

Но идет время, и станция перестает устраивать Вас, как пользователя. Да, она надежная, да мощная, да с хорошим аккумулятором до 2600 мА/ч. Но при расширении парка радиостанций более чем на 100 человек, а особенно при работе в группах её 16 каналов начинает не хватать.
Вам совершенно не обязательно сразу бежать и покупать радиостанции цифрового стандарта. Большинство производителей, намеренно вводят модель с наличием аналогового режима передачи.
То есть вы можете поэтапно переходить на например Байкал -501 или Vertex-EVX531 сохраняя существующую систему связи в рабочем состоянии.

Плюсы такого перехода неоспоримы.
Вы получаете станцию работающую
1) дольше (в цифровом режиме меньше потребление.)
2) Имеющую большее количество функций (групповой вызов, одинокий работник)
3) 32 канала памяти.
То есть вы фактически создаете изначально 2 базы каналов. Под новые закупленные станции (цифровые каналы) и базу каналов содействия с существующими станциями (аналоговые каналы). Постепенно по мере закупки оборудования вы будете сокращать парк радиостанций второго банка и увеличивать – первого.
В конечном итоге вы достигнете поставленной задачи – перевести полностью вашу базу на цифровой стандарт связи.
Хорошим дополнением и расширением к любой базе может послужить цифровой ретранслятор Yaesu Fusion DR-1

Это двухдиапазонный (144/430MHz) ретранслятор, который поддерживает аналоговую FM связь, а также одновременно цифровой протокол System Fusion в пределах частотного диапазона 12.5кГц. Мы уверены, что внедрение новейшей DR-1X станет рассветом нашей новой и впечатляющей многофункциональной системы System Fusion.
Одной из ключевых возможностей System Fusion является функция AMS (автоматический выбор режима) , которая мгновенно распознает принимается ли сигнал в режиме V/D, режиме голосовой связи или режиме данных FR аналоговом FM или цифровом C4FM, и автоматически переключается на соответствующий. Таким образом, благодаря нашим цифровым трансиверам FT1DR и FTM-400DR System Fusion ,чтобы поддерживать связь с аналоговыми FM радиостанциями больше нет необходимости каждый раз вручную переключать режимы,.
На репитере DR-1X, AMS можно настроить так, чтобы входящий цифровой C4FM сигнал преобразовывался в аналоговый FM и ретранслировался, таким образом позволяя поддерживать связь между цифровым и аналоговым трансиверами. AMS также можно настроить на автоматическую ретрансляцию входящего режима на выход, позволяя цифровым и аналоговым пользователям совместно использовать один ретранслятор.
До сих пор, FM ретрансляторы использовались только для традиционной FM связи, а цифровые ретрансляторы только для цифровой. Однако, теперь просто заменив обычный аналоговый FM репитер на DR-1X, вы можете продолжать пользоваться обычной FM связью, а также использовать ретранслятор для более продвинутой цифровой радиосвязи System Fusion . Другие периферийные устройства, такие как дуплексер и усилитель и т.д. можно продолжать использоваться как обычно.

Более подробные характеристики оборудование можно увидеть на сайте в разделе продукция

Цифровая электроника в настоящее время все более и более вы-тесняет традиционную аналоговую. Ведущие фирмы, произво-дящие самую разную электронную аппаратуру, все чаще заяв-ляют о полном переходе на цифровую технологию.

Успехи в технологии производства электронных микросхем обеспечили бурное развитие цифровой техники и устройств. Использование цифровых методов обработки и передачи сигналов позволяет существенно повысить качество линий связи. Цифровые методы обработки и коммутации сигналов в телефонии позволяют в несколько раз сократить массогабаритные характеристики устройств коммутации, повысить надежность связи, ввести дополнительные функциональные возможности.

Появление быстродействующих микропроцессоров, микросхем оперативной памяти больших объемов, малогабаритных устройств хранения информации на жестких носителях больших объемов позволило создать достаточно недорогие универсальные персональные электронные вычислительные машины (компьютеры), нашедшие очень широкое применение в быту и производстве.

Цифровая техника незаменима в системах телесигнализации и телеуправления, применяемых в автоматизированных производствах, управлении удаленными объектами, например, космическими кораблями, газоперекачивающими станциями и т. п. Цифровая техника также заняла прочное место в электро-радиоизмерительных системах. Современные устройства регистрации и воспроизведения сигналов также немыслимы без применения цифровых устройств. Цифровые устройства широко используются для управления в бытовых приборах.

Очень вероятно, что в будущем цифровые устройства займут доминирующее положение на рынке электроники.

Для начала дадим несколько базовых определений .

Сигнал — это любая физическая величина (например, тем-пература, давление воздуха, интенсивность света, сила тока и т. д.), изменяющаяся со временем. Именно благодаря этому изменению во времени сигнал может нести в себе какую-то ин-формацию.

Электрический сигнал — это электрическая величина (на-пример, напряжение, ток, мощность), изменяющаяся со време-нем. Вся электроника в основном работает с электрическими сигналами, хотя в последнее время все больше используются световые сигналы, которые представляют собой изменяющуюся во времени интенсивность света.

Аналоговый сигнал — это сигнал, который может прини-мать любые значения в определенных пределах (например, на-пряжение может плавно изменяться в пределах от нуля до деся-ти вольт). Устройства, работающие только с аналоговыми сиг-налами, называются аналоговыми устройствами.

Цифровой сигнал — это сигнал, который может принимать только два значения (иногда — три значения). Причем разреше-ны некоторые отклонения от этих значений (рис. 1.1). Напри-мер, напряжение может принимать два значения: от 0 до 0,5 В (уровень нуля) или от 2,5 до 5 В (уровень единицы). Устройства, работающие исключительно с цифровыми сигналами, называ-ются цифровыми устройствами.

В природе практически все сигналы аналоговые, то есть они изменяются непрерывно в некоторых пределах. Именно поэто-му первые электронные устройства были аналоговыми. Они преобразовывали физические величины в пропорциональные им напряжение или ток, выполняли над ними какие-то операции и затем выполняли обратные преобразования в физические вели-чины. Например, голос человека (колебания воздуха) с помощью микрофона преобразуется в электрические колебания, затем эти электрические сигналы усиливаются электронным усилителем и с помощью акустической системы снова преобразуются в колебания воздуха, в более громкий звук.

Рис. 1.1. Электрические сигналы: аналоговый (слева) и цифровой (справа).

Все операции, производимые электронными устройства-ми над сигналами, можно условно разделить на три большие группы:

Обработка (или преобразование);

Передача;

Хранение.

Во всех этих случаях полезные сигналы искажаются пара-зитными сигналами — шумами, помехами, наводками. Кроме того, при обработке сигналов (например, при усилении, фильт-рации) еще искажается и их форма из-за несовершенст-ва, неидеальности электронных устройств. А при передаче на большие расстояния и при хранении сигналы к тому же ослаб-ляются.

Рис. 1.2. Искажение шумами и наводками аналогового сигнала (слева) и циф-рового сигнала (справа).

В случае аналоговых сигналов все это существенно ухуд-шает полезный сигнал, так как все его значения разрешены (рис. 1.2). Поэтому каждое преобразование, каждое промежу-точное хранение, каждая передача по кабелю или эфиру ухуд-шает аналоговый сигнал, иногда вплоть до его полного унич-тожения. Надо еще учесть, что все шумы, помехи и наводки принципиально не поддаются точному расчету, поэтому точноописать поведение любых аналоговых устройств абсолютно не-возможно. К тому же со временем параметры всех аналоговых устройств изменяются из-за старения элементов, поэтому харак-теристики этих устройств не остаются постоянными.

В отличие от аналоговых, цифровые сигналы, имеющие все-го два разрешенных значения, защищены от действия шумов, наводок и помех гораздо лучше. Небольшие отклонения от разрешенных значений никак не искажают цифровой сигнал, так как всегда существуют зоны допустимых отклонений (рис. 1.2). Именно поэтому цифровые сигналы допускают гораздо более сложную и многоступенчатую обработку, гораздо более дли-тельное хранение без потерь и гораздо более качественную передачу, чем аналоговые. К тому же поведение цифровых устройств всегда можно абсолютно точно рассчитать и пред-сказать. Цифровые устройства гораздо меньше подвержены старению, так как небольшое изменение их параметров никак не отражается на их функционировании. Кроме того, цифро-вые устройства проще проектировать и отлаживать. Понятно, что все эти преимущества обеспечивают бурное развитие циф-ровой электроники.

Однако у цифровых сигналов есть и крупный недостаток. Дело в том, что на каждом из своих разрешенных уровней циф-ровой сигнал должен оставаться хотя бы в течение какого-то минимального временного интервала, иначе его невозможно будет распознать. А аналоговый сигнал может принимать любое свое значение бесконечно малое время. Можно сказать и иначе: аналоговый сигнал определен в непрерывном времени (то есть в любой момент времени), а цифровой — в дискретном времени (то есть только в выделенные моменты времени). Поэтому мак-симально достижимое быстродействие аналоговых устройств всегда принципиально больше, чем цифровых устройств. Ана-логовые устройства могут работать с более быстро меняющи-мися сигналами, чем цифровые. Скорость обработки и передачи информации аналоговым устройством всегда может быть сде-лана выше, чем скорость ее обработки и передачи цифровым устройством.

Кроме того, цифровой сигнал передает информацию только двумя уровнями и изменением одного своего уровня на другой, а аналоговый передает информацию еще и каждым текущим значением своего уровня, то есть он более емкий с точки зрения передачи информации. Поэтому для передачи того объема по-лезной информации, который содержится в одном аналоговом сигнале, чаще всего приходится использовать несколько цифро-вых сигналов (обычно от 4 до 16).

К тому же, как уже отмечалось, в природе все сигналы ана-логовые, то есть для преобразования их в цифровые сигналы и для обратного преобразования требуется применение специальной аппаратуры (аналого-цифровых и цифро-аналоговых преоб-разователей). Так что ничто не дается даром, и плата за пре-имущества цифровых устройств может порой оказаться непри-емлемо большой.

Аналоговые, дискретные и цифровые сигналы

ВВЕДЕНИЕ В ЦИФРОВУЮ ОБРАБОТКУ СИГНАЛОВ

Цифровая обработка сигналов (ЦОС или DSP - digital signal processing) является одной из новейших и самых мощных технологий, которая активно внедряется в широкий круг областей науки и техники, таких как коммуникации, метеорология, радиолокация и гидролокация, медицинская визуализация изображений, цифровое аудио- и телевизионное вещание, разведка нефтяных и газовых месторождений и др. Можно сказать, что происходит повсеместное и глубокое проникновение технологий цифровой обработки сигналов во все сферы деятельности человечества. Сегодня технология ЦОС относится к числу базовых знаний, которые необходимы ученым и инженерам всех отраслей без исключения.

Сигналы

Что такое сигнал? В наиболее общей формулировке это зависимость одной величины от другой. Т.е., с математической точки зрения сигнал является функцией. Чаще всего рассматриваются зависимости от времени. Физическая природа сигнала может быть различной. Очень часто это электрическое напряжение, реже – ток.

Формы представления сигнала :

1. временная;

2. спектральная (в частотной области).

Стоимость цифровой обработки данных меньше аналоговой и продолжает снижаться, а производительность вычислительных операций непрерывно возрастает. Немаловажным является и то, что системы ЦОС отличаются высокой гибкостью. Их можно дополнять новыми программами и перепрограммировать на выполнение различных операций без изменения оборудования. Поэтому интерес к научным и к прикладным вопросам цифровой обработки сигналов возрастает во всех отраслях науки и техники.

ПРЕДИСЛОВИЕ К ЦИФРОВОЙ ОБРАБОТКЕ СИГНАЛОВ

Дискретные сигналы

Сущность цифровой обработки состоит в том, что физический сигнал (напряжение, ток и др.) преобразуется в последовательность чисел , которая затем подвергается математическим преобразованиям в ВУ.

Аналоговые, дискретные и цифровые сигналы

Исходный физический сигнал является непрерывной функцией времени. Такие сигналы, определенные во все моменты t, называются аналоговыми .

Какой сигнал называется цифровым? Рассмотрим некоторый аналоговый сигнал (рис. 1.1 а). Он задан непрерывно на всем рассматриваемом временном интервале. Считается, что аналоговый сигнал абсолютно точен, если не учитывать погрешности при измерении.

Рис. 1.1 а) Аналоговый сигнал

Рис. 1.1 б) Дискретизированный сигнал

Рис. 1.1 в) Квантованный сигнал

Для того, чтобы получить цифровой сигнал, нужно провести две операции – дискретизацию и квантование . Процесс преобразования аналогового сигнала в последовательность отсчетов называется дискретизацией, а результат такого преобразования - дискретным сигналом .Т. обр., дискретизация заключается в составлении выборки из аналогового сигнала (рис. 1.1 б), каждый элемент которой, называемый отсчетом , будет отстоять по времени от соседних отсчетов на некотором интервале Т , называемом интервалом дискретизации или (поскольку интервал дискретизации чаще неизменен) – периодом дискретизации . Величина, обратная периоду дискретизации называется частотой дискретизации и определяется как:

(1.1)

При обработке сигнала в вычислительном устройстве его отсчеты представляются в виде двоичных чисел, имеющих ограниченное число разрядов. Вследствие этого отсчеты могут принимать лишь конечное множество значений и, следовательно, при представлении сигнала неизбежно происходит его округление. Процесс преобразования отсчетов сигнала в числа называется квантованием . Возникающие при этом ошибки округления называются ошибками или шумами квантования . Т. обр., квантование – это приведение уровней дискретизированного сигнала к некоторой сетке (рис. 1.1 в), чаще обычным округлением в сторону большего. Дискретный во времени и квантованный по уровню сигнал и будет являться цифровым.

Условия, при которых возможно полное восстановление аналогового сигнала по его цифровому эквиваленту с сохранением всей исходно содержавшейся в сигнале информации, выражаются теоремами Найквиста, Котельникова, Шеннона, сущность которых практически одинакова. Для дискретизации аналогового сигнала с полным сохранением информации в его цифровом эквиваленте максимальные частоты в аналоговом сигнале должны быть не менее, чем вдвое меньше, чем частота дискретизации, то есть f max £ (1/2)f d , т.е. на одном периоде максимальной частоты должно быть минимум два отсчета. Если это условие нарушается, в цифровом сигнале возникает эффект маскирования (подмены) действительных частот более низкими частотами. При этом в цифровом сигнале вместо фактической регистрируется "кажущаяся" частота, а, следовательно, восстановление фактической частоты в аналоговом сигнале становится невозможным. Восстановленный сигнал будет выглядеть так, как если бы частоты, лежащие выше половины частоты дискретизации, отразились от частоты (1/2)f d в нижнюю часть спектра и наложились на частоты, уже присутствующие в этой части спектра. Этот эффект называется наложением спектров или алиасингом (aliasing). Наглядным примером алиасинга может служить иллюзия, довольно часто встречающаяся в кино – колесо автомобиля начинает вращаться против его движения, если между последовательными кадрами (аналог частоты дискретизации) колесо совершает более чем пол-оборота.

Преобразование сигнала в цифровую форму выполняется аналого-цифровыми преобразователями (АЦП). Как правило, они используют двоичную систему счисления с определенным числом разрядов в равномерной шкале. Увеличение числа разрядов повышает точность измерений и расширяет динамический диапазон измеряемых сигналов. Потерянная из-за недостатка разрядов АЦП информация невосстановима, и существуют лишь оценки возникающей погрешности «округления» отсчетов, например, через мощность шума, порождаемого ошибкой в последнем разряде АЦП. Для этого используется понятие отношения «сигнал/шум» - отношение мощности сигнала к мощности шума (в децибелах). Наиболее часто применяются 8-, 10-, 12-, 16-, 20- и 24-х разрядные АЦП. Каждый дополнительный разряд улучшает отношение сигнал/шум на 6 децибел. Однако увеличение количества разрядов снижает скорость дискретизации и увеличивает стоимость аппаратуры. Важным аспектом является также динамический диапазон, определяемый максимальным и минимальным значением сигнала.

Обработка цифровых сигналов выполняется либо специальными процессорами, либо на универсальных ЭВМ и компьютерах по специальным программам. Наиболее просты для рассмотрения линейные системы. Линейными называются системы, для которых имеет место принцип суперпозиции (отклик на сумму входных сигналов равен сумме откликов на каждый сигнал в отдельности) и однородность (изменение амплитуды входного сигнала вызывает пропорциональное изменение выходного сигнала).

Если входной сигнал x(t-t 0) порождает однозначный выходной сигнал y(t-t 0) при любом сдвиге t 0 , то систему называют инвариантной во времени . Ее свойства можно исследовать в любые произвольные моменты времени. Для описания линейной системы вводится специальный входной сигнал - единичный импульс (импульсная функция).

Единичный импульс (единичный отсчет) u 0 (n ) (рис. 1.2):

Рис. 1.2. Единичный импульс

В силу свойства суперпозиции и однородности любой входной сигнал можно представить в виде суммы таких импульсов, подаваемых в разные моменты времени и умноженных на соответствующие коэффициенты. Выходной сигнал системы в этом случае представляет собой сумму откликов на эти импульсы. Отклик на единичный импульс (импульс с единичной амплитудой) называют импульсной характеристикой системы h(n). Знание импульсной характеристики позволяет проанализировать прохождение через дискретную систему любого сигнала. Действительно, произвольный сигнал {x(n)} можно представить в виде линейной комбинации единичных отсчетов.

Сегодня попытаемся разобраться, что такое аналоговый и цифровой сигналы? Их преимущества и недостатки. Не будем кидаться различными научными терминами и определениями, а попытаемся разобраться в ситуации на пальцах.

Что такое аналоговый сигнал?

Аналоговый сигнал основан на аналогии электрического сигнала (значений тока и напряжения) значению исходного сигнала (цвету пикселя, частоте и амплитуде звука и т.п). Т.е. определенные значения тока и напряжения соответствуют передаче определенного цвета пикселя или звукового сигнала.

Приведу пример на аналоговом видеосигнале.

Напряжение на проводе 5 вольт соответствует синему цвету, 6 вольт – зеленому, 7 вольт красному.

Для того чтобы на экране появились красные, синие и зеленые полосы нужно поочередно подавать на кабель напряжения 5, 6, 7 вольт. Чем быстрее мы проводим смену напряжений, тем тоньше полоски получаются у нас на мониторе. Сократив интервал между сменой напряжений до минимума, мы получим уже не полоски, а чередующиеся друг за другом цветные точки.

Важной особенностью аналогового сигнала является то обстоятельство, что он передается строго от передатчика к приемнику (например, от антенны к телевизору), обратной связи нет. Поэтому если в передачу сигнала вмешается помеха (например, вместо шести вольт придет четыре), цвет пикселя исказится, и на экране появится рябь.
Аналоговый сигнал непрерывен.
Что такое цифровой сигнал?

Передача данных осуществляется также с помощью электрического сигнала, но значений этих сигналов всего два и они соответствуют 0 и 1. Т.е. по проводам передается последовательность из нулей и единиц. Примерно так: 01010001001 и т. д. Для того чтобы приемное устройство (например, телевизор) не запутался в передаваемых данных, цифры передаются пачками. Это происходит примерно так: 10100010 10101010 10100000 10111110. Каждая такая пачка несет какую-нибудь информацию, например - цвет пикселя. Важной особенностью цифрового сигнала, является то, что передающие и принимающее устройство могут общаться между собой и исправлять друг за другом ошибки, которые могут возникнуть при передаче.

Примеры передачи цифрового и аналогового сигналов

Для цифрового сигнала передача происходит примерно так:

• Помеха: АААААААААААААА!
• Телевизор: Какой? Не слышу!
• Видеомагнитофон: Зеленый!
• Телевизор: Ага, понял! Рисую зеленый.
• Телевизор: Прошу подтвердить, что цвет красный.
• Видеомагнитофон: подтверждаю.
• Телевизор: Ок! рисую.

Передача для аналогового сигнала:

• Видеомагнитофон: Эй, телевизор, цвет пикселя с координатами 120х300 - зеленый.
• Помеха: АААААААААААААА!
• Телевизор: Какой? Не слышу! Блин, нарисую синий.
• Видеомагнитофон: Следующий цвет красный!
• Помеха: БАХ! БУМ!
• Телевизор: Красный вроде! Рисую.
• Видеомагнитофон: Лопата!
• Помеха: ПШШШШШШ!
• Телевизор: ?!. Надо что-то рисовать?! Пусть будет лопата!

Преимущества и недостатки цифрового и аналогового сигналов

Из вышесказанного можно сделать вывод, что при прочих равных условиях качество передачи информации с помощью цифры будет выше, чем при аналоговом представлении сигнала. В то же время при хорошей помехозащищенности две технологии могут конкурировать на равных.