Рассматривая сигналы и виды сигналов, необходимо сказать, что существуют различное количество данных связей. Каждый день любой человек сталкивается с использованием электронного прибора. Без них современная жизнь уже никому не представляется. Речь идет о работе телевизора, радио, компьютере и так далее. Раньше никто не задумывался о том, какой сигнал используется во многих работоспособных приборах. Сейчас же уже давно на слуху слова аналоговый, цифровой и дискретный.
Не все, однако некоторые из вышеперечисленных сигналов считаются довольно качественными и надежными. Цифровая передача используется не так давно, как аналоговая. Это связано с тем, что техника стала поддерживать данный вид только недавно, открыт был этот вид сигнала также сравнительно не так давно. С дискретностью любой человек сталкивается постоянно. Говоря о видах обработки сигнала, необходимо напомнить, что этот немного прерывистый.
Если углубляться в науку, то следует сказать, что дискретной является передача информации, которая позволяет переносить данные и изменять время среды. Благодаря последнему свойству дискретный сигнал может принимать любое значение. На данный момент этот показатель уходит на второй план, после того как большинство техники начали производить на чипах.
Цифровой и другие сигналы целостные, компоненты взаимодействуют друг с другом на все 100 %. В дискретности же все наоборот. Дело в том, что здесь каждая деталь работает самостоятельно и отвечает за свои функции отдельно.
Сигнал
Рассмотрим виды сигналов связи чуть позже, сейчас же следует познакомиться с том, что же собой представляет в принципе сам сигнал. Это обычный код, который передается по воздуху системами. Это формулировка общего типа.
В сфере информации и некоторых других технологий имеется специальный носитель, который позволяет передавать сообщения. Его можно создать, но принять невозможно. В принципе в некоторых системах его могут принять, но это не обязательно. Если сигнал будет считаться сообщением, то «поймать» его нужно обязательно.
Подобный код передачи данных можно назвать обычной математической функцией. Он описывает любое изменение доступных параметров. Если рассматривать радиотехническую теорию, то следует сказать, что такие опции считаются базовыми. Следует заметить, что понятие «шум» является аналогичным сигналу.
Он искажает его, может накладываться на уже переданный код, а также сам собой представляет функцию времени. В статье будут ниже охарактеризованы сигналы и виды сигналов, речь идет о дискретном, аналоговом и цифровом. Коротко рассмотрим всю теорию по теме.
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.
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.
Виды сигналов
Имеется несколько видов, а также классификации уже имеющихся сигналов. Рассмотрим их.
Первый тип – это электрический сигнал, есть также оптический, электромагнитный и акустический. Имеется еще несколько подобных типов, однако они не являются популярными. Такая классификация происходит по физической среде.
По способу задания сигнала они разделяются на регулярные и нерегулярные. Первый вид имеет аналитическую функцию, а также детерминированный вид передачи данных. Случайные сигналы могут формироваться при помощи некоторых теорий из высшей математики, более того, они способны принимать многие значения в совершенно разные промежутки времени.
Виды передачи сигналов довольно разные, следует отметить, что сигналы по данной классификации разделяются на аналоговые, дискретные и цифровые. Нередко для обеспечения работы электрических приборов используются именно такие сигналы. Для того чтобы разобраться с каждым из вариантов, необходимо вспомнить школьный курс физики и немного почитать теории.
Понятие информационного сигнала
Материальными носителями информации являются сигналы различной физической природы. В узком смысле сигналами называют колебания электрического тока, напряжения, электромагнитные волны, механические колебания некоторой упругой среды. Информационные сигналы формируются путем изменения тех или иных параметров носителя по определенному закону. Таким образом, информационным сигналом может быть любой физический процесс, параметры которого способны изменяться в зависимости от передаваемой информации. Этот процесс изменения параметров носителя принято называть модуляцией, а сами параметры информационными. В отличие от сообщения, прием сигнала после его генерации не является обязательным.
При прохождении сигнала по физической среде на него воздействуют различные дестабилизирующие факторы, в результате чего возникают шумы и помехи самой различной природы (рисунок 12.4). При регистрации сигнала основной задачей является выделение из общего сигнала полезной составляющей и максимальное подавление шумов и помех.
Рис. 1.3. Сигнал без помех Рис. 1.4. Сигнал с помехами
Чтобы анализировать, исследовать и обрабатывать сигналы необходимо использовать математическую модель сигнала, которая представляет собой математическое описание сигнала. Слово «модель» произошло от латинского modelium, что означает: мера, способ, образ. Назначение модели состоит в том, что она отображает лишь наиболее важные черты сигнала и позволяет абстрагироваться от его физической природы и материальной формы носителя. Как правило, описание сигнала задается функциональной зависимостью его значений от независимой переменной, например, s(t).
Простейшими сигналами являются одномерные сигналы, то есть значение сигнала зависит от одного параметра (например, звуковые сигналы). Пример одномерного сигнала на рисунках 1.3, 1.4.
Рис. 1.5. Двумерный сигнал
В общем случае сигналы являются многомерными функциями пространственных, временных и прочих координат. Пример – интенсивность компьютерного изображения р(x,y) (рисунок 1.5).
По форме представления сигналы бывают двух типов – аналоговые и цифровые (дискретные) (рисунок 6). Аналоговый сигнал определен для любого значения независимого параметра, то есть является непрерывной функцией непрерывного аргумента. Источниками аналоговых сигналов, как правило, являются физические процессы и явления, непрерывные в своем развитии (динамике изменения значений определенных свойств) во времени, в пространстве или по любой другой независимой переменной, при этом регистрируемый сигнал подобен (аналогичен) порождающему его процессу.
Рис.1.6. Аналоговый и цифровой сигналы
Фундаментальным аналоговым сигналом является синусоида (рисунок 7). В общем случае синусоидальный сигнал можно представить так:
Синусоидальный сигнал можно определить тремя параметрами: максимальной амплитудой , частотой и фазой . Максимальной амплитудой называется максимальное значение или интенсивность сигнала во времени; измеряется максимальная амплитуда, как правило, в вольтах. Частотой называется темп повторения сигналов (в периодах за секунду, или герцах). Эквивалентным параметром является период сигнала Т, представляющий собой время, за которое происходит повторение сигнала; следовательно, . Фаза является мерой относительного сдвига по времени в пределах отдельного периода сигнала.
Рис. 1.7. Синусоидальный сигнал
Большинство аналоговых сигналов в природе имеют более сложную форму. Периодические, то есть повторяющиеся через определенный интервал времени, сигналы произвольной формы, могут быть представлены в виде суммы гармонических колебаний с помощью преобразования Фурье. Применив преобразование Фурье, т.е. сложив вместе достаточное количество синусоидальных сигналов с соответствующими амплитудами, частотами и фазами, можно получить электромагнитный сигнал любой формы. Аналогично, любой сигнал рассматривается как совокупность периодических аналоговых (синусоидальных) сигналов с разными амплитудами, частотами и фазами.
Цифровой сигнал можно выразить следующим образом:
Совокупность спектральных составляющих сигнала образует его спектр. Амплитуда каждой спектральной составляющей характеризует энергию соответствующей гармоники основной частоты сигнала. Чем выше скорость изменения сигнала, тем больше в его спектре высокочастотных гармоник. Разность между максимальной и минимальной частотой в спектре сигнала называется шириной спектра сигнала.
В соответствии с изменением амплитуды аналогового сигнала меняется его мощность или энергия, пропорциональная квадрату амплитуды. В зависимости от времени измерения сигнала различают среднюю и мгновенную мощность. Десятичный логарифм отношения максимальной мгновенной мощности сигнала к минимальной называется динамическим диапазономсигнала.
Признак защищаемого сигнала, позволяющий обнаруживать и распознавать его среди других сигналов, называется демаскирующим. Признаки сигналов описывают параметры полей и электрических сигналов, генерируемых объектом защиты: мощность, частота, вид сигнала, ширина спектра и т.п.
Аналоговый сигнал описывается набором параметров, являющихся его признаками. К ним относятся параметры, рассмотренные нами ранее:
- частота и диапазон частот;
- амплитуда (и мощность) сигнала;
- фаза сигнала;
- длительность сигнала;
- вид модуляции;
- ширина спектра сигнала;
- динамический диапазон сигнала.
К демаскирующим признаком сигналов можно отнести и время их проявления, в зависимости от которого сигналы делятся на регулярные (получателю известно время появления) и случайные (время появления не известно).
Вид информации, содержащийся в сигнале, изменяет его демаскирующие признаки. Например, сигнал стандартной речи, передаваемой по телефонной линии, имеет ширину спектра 300-3400 Гц, звуковой – 16-20000 Гц, телевизионный – 6-8 МГц и т.д.
У дискретных сигналов амплитуда имеет конечный, заранее определенный набор значений. Наиболее распространенным сигналом, применяемым, в частности, в ЭВМ, является бинарный сигнал. Бинарный сигнал имеет два уровня амплитуды: низкий и высокий.
Дискретный сигнал в общем случае характеризуется следующими параметрами: амплитудой, мощностью, длительностью импульса, периодом, шириной спектра сигнала, скважностью импульсов (отношение периода к длительности одного импульса).
Бинарный периодический сигнал характеризуется следующими параметрами:
- форма огибающей спектра — ;
- амплитуда гармоник
- постоянная составляющая сигналов , где – скважность сигнала.
При прохождении дискретных сигналов по проводам их спектр изменяется ввиду различных воздействующих факторов извне и свойств среды передачи. В результате искажается их форма и уменьшается крутизна импульсов, что уменьшает дальность их передачи.
Модуляция сигналов
Процесс модуляции требует участия, по крайней мере, двух величин. Одна из них содержит всю передаваемую информацию и называется модулирующим сигналом, вторая представляет собой высокочастотное несущее колебание, которое модулируется посредством изменения одного или нескольких параметров. Необходимость в модуляции аналоговой информации возникает, например, когда нужно передать низкочастотный (например, голосовой) аналоговый сигнал через канал, находящийся в высокочастотной области спектра.
Для решения этой проблемы амплитуду высокочастотного несущего сигнала изменяют (модулируют) в соответствии с изменением низкочастотного сигнала. Модулируемый сигнал при этом называется несущим. В подавляющем большинстве случаев в качестве несущего используется синусоидальное колебание, имеющее три параметра – амплитуду, частоту и фазу. В зависимости от изменяемого параметра различают три основных вида модуляции – амплитудную, частотную и фазовую.
Амплитудная модуляция — вид модуляции, при которой изменяемым параметром несущего сигнала является его амплитуда.
Частотная модуляция – вид модуляции, при которой изменяемым параметром несущего сигнала является частота.
Фазовая модуляция — вид модуляции, при которой изменяемым параметром несущего сигнала является фаза.
Все три вида модуляции цифровых данных изображены на рисунке 8.
Рис. 1.8. Модуляция аналогового сигнала цифровыми данными
Максимальное значение информационного параметра несущей относительно его номинального значения называется глубиной модуляции, а максимальное отклонение значения информационного параметра несущей относительно максимального изменения информационного параметра модулирующего сигнала – индексом модуляции.
При модуляции дискретного сигнала в качестве информационных признаков могут использоваться длительность импульса, частота повторения и др.
Выделение информации из модулированного электрического сигнала производится путем его обратных преобразований – демодуляции в детекторе приемника. Демодуляция обеспечивается путем сравнения текущей структуры полученного сигнала с эталонной. Эталонная признаковая структура при ЧМ-модуляции определяется частотой настройки контура детектора, для АМ-модуляции – усредненной амплитудой несущего колебания на выходе детектора, ФМ-модуляции – значением фазы несущего колебания до его модуляции.
Из-за влияния помех сигналы при передаче и приеме будут отличаться. Степень их отличия будет зависеть от отношения сигнал/шум на входе демодулятора. При этом если мощность несущего сигнала намного больше, чем помех, искажение будет незаметным.
В общем случае любое сообщение можно описать с помощью трех основных параметров:
- — динамический диапазон;
- — диапазон частот;
- — длительность передачи.
Произведение этих параметров называется объемом сигнала. В пространстве объем сигнала можно представить в виде параллелепипеда (рисунок 1.9) [3,9].
Рис. 1.9. Представление объема сигнала в пространстве
Для обеспечения неискаженной передачи сообщения необходимо, чтобы характеристики канала передачи (среды распространения) и приемника соответствовали ширине спектра и динамическому диапазону сигнала.
Если полоса частот среды распространения или приемника уже полосы сигнала, то для уменьшения искажения сигнала уменьшают ширину его спектра. При этом для сохранения объема сообщения в том же значении, увеличивают длительность передачи. Если необходимо передавать сигнал в реальном времени, то есть без изменения длительности передачи, полоса пропускания приемника должна совпадать с шириной спектра сигнала.
Материальными носителями информации являются сигналы различной физической природы. В узком смысле сигналами называют колебания электрического тока, напряжения, электромагнитные волны, механические колебания некоторой упругой среды. Информационные сигналы формируются путем изменения тех или иных параметров носителя по определенному закону. Таким образом, информационным сигналом может быть любой физический процесс, параметры которого способны изменяться в зависимости от передаваемой информации. Этот процесс изменения параметров носителя принято называть модуляцией, а сами параметры информационными. В отличие от сообщения, прием сигнала после его генерации не является обязательным.
При прохождении сигнала по физической среде на него воздействуют различные дестабилизирующие факторы, в результате чего возникают шумы и помехи самой различной природы (рисунок 12.4). При регистрации сигнала основной задачей является выделение из общего сигнала полезной составляющей и максимальное подавление шумов и помех.
Рис. 1.3. Сигнал без помех Рис. 1.4. Сигнал с помехами
Чтобы анализировать, исследовать и обрабатывать сигналы необходимо использовать математическую модель сигнала, которая представляет собой математическое описание сигнала. Слово «модель» произошло от латинского modelium, что означает: мера, способ, образ. Назначение модели состоит в том, что она отображает лишь наиболее важные черты сигнала и позволяет абстрагироваться от его физической природы и материальной формы носителя. Как правило, описание сигнала задается функциональной зависимостью его значений от независимой переменной, например, s(t).
Простейшими сигналами являются одномерные сигналы, то есть значение сигнала зависит от одного параметра (например, звуковые сигналы). Пример одномерного сигнала на рисунках 1.3, 1.4.
Рис. 1.5. Двумерный сигнал
В общем случае сигналы являются многомерными функциями пространственных, временных и прочих координат. Пример – интенсивность компьютерного изображения р(x,y) (рисунок 1.5).
По форме представления сигналы бывают двух типов – аналоговые и цифровые (дискретные) (рисунок 6). Аналоговый сигнал определен для любого значения независимого параметра, то есть является непрерывной функцией непрерывного аргумента. Источниками аналоговых сигналов, как правило, являются физические процессы и явления, непрерывные в своем развитии (динамике изменения значений определенных свойств) во времени, в пространстве или по любой другой независимой переменной, при этом регистрируемый сигнал подобен (аналогичен) порождающему его процессу.
Рис.1.6. Аналоговый и цифровой сигналы
Фундаментальным аналоговым сигналом является синусоида (рисунок 7). В общем случае синусоидальный сигнал можно представить так:
Синусоидальный сигнал можно определить тремя параметрами: максимальной амплитудой , частотой и фазой . Максимальной амплитудой называется максимальное значение или интенсивность сигнала во времени; измеряется максимальная амплитуда, как правило, в вольтах. Частотой называется темп повторения сигналов (в периодах за секунду, или герцах). Эквивалентным параметром является период сигнала Т, представляющий собой время, за которое происходит повторение сигнала; следовательно, . Фаза является мерой относительного сдвига по времени в пределах отдельного периода сигнала.
Рис. 1.7. Синусоидальный сигнал
Большинство аналоговых сигналов в природе имеют более сложную форму. Периодические, то есть повторяющиеся через определенный интервал времени, сигналы произвольной формы, могут быть представлены в виде суммы гармонических колебаний с помощью преобразования Фурье. Применив преобразование Фурье, т.е. сложив вместе достаточное количество синусоидальных сигналов с соответствующими амплитудами, частотами и фазами, можно получить электромагнитный сигнал любой формы. Аналогично, любой сигнал рассматривается как совокупность периодических аналоговых (синусоидальных) сигналов с разными амплитудами, частотами и фазами.
Цифровой сигнал можно выразить следующим образом:
Совокупность спектральных составляющих сигнала образует его спектр. Амплитуда каждой спектральной составляющей характеризует энергию соответствующей гармоники основной частоты сигнала. Чем выше скорость изменения сигнала, тем больше в его спектре высокочастотных гармоник. Разность между максимальной и минимальной частотой в спектре сигнала называется шириной спектра сигнала.
В соответствии с изменением амплитуды аналогового сигнала меняется его мощность или энергия, пропорциональная квадрату амплитуды. В зависимости от времени измерения сигнала различают среднюю и мгновенную мощность. Десятичный логарифм отношения максимальной мгновенной мощности сигнала к минимальной называется динамическим диапазономсигнала.
Признак защищаемого сигнала, позволяющий обнаруживать и распознавать его среди других сигналов, называется демаскирующим. Признаки сигналов описывают параметры полей и электрических сигналов, генерируемых объектом защиты: мощность, частота, вид сигнала, ширина спектра и т.п.
Аналоговый сигнал описывается набором параметров, являющихся его признаками. К ним относятся параметры, рассмотренные нами ранее:
- частота и диапазон частот;
- амплитуда (и мощность) сигнала;
- фаза сигнала;
- длительность сигнала;
- вид модуляции;
- ширина спектра сигнала;
- динамический диапазон сигнала.
К демаскирующим признаком сигналов можно отнести и время их проявления, в зависимости от которого сигналы делятся на регулярные (получателю известно время появления) и случайные (время появления не известно).
Вид информации, содержащийся в сигнале, изменяет его демаскирующие признаки. Например, сигнал стандартной речи, передаваемой по телефонной линии, имеет ширину спектра 300-3400 Гц, звуковой – 16-20000 Гц, телевизионный – 6-8 МГц и т.д.
У дискретных сигналов амплитуда имеет конечный, заранее определенный набор значений. Наиболее распространенным сигналом, применяемым, в частности, в ЭВМ, является бинарный сигнал. Бинарный сигнал имеет два уровня амплитуды: низкий и высокий.
Дискретный сигнал в общем случае характеризуется следующими параметрами: амплитудой, мощностью, длительностью импульса, периодом, шириной спектра сигнала, скважностью импульсов (отношение периода к длительности одного импульса).
Бинарный периодический сигнал характеризуется следующими параметрами:
- форма огибающей спектра — ;
- амплитуда гармоник
- постоянная составляющая сигналов , где – скважность сигнала.
При прохождении дискретных сигналов по проводам их спектр изменяется ввиду различных воздействующих факторов извне и свойств среды передачи. В результате искажается их форма и уменьшается крутизна импульсов, что уменьшает дальность их передачи.
Модуляция сигналов
Процесс модуляции требует участия, по крайней мере, двух величин. Одна из них содержит всю передаваемую информацию и называется модулирующим сигналом, вторая представляет собой высокочастотное несущее колебание, которое модулируется посредством изменения одного или нескольких параметров. Необходимость в модуляции аналоговой информации возникает, например, когда нужно передать низкочастотный (например, голосовой) аналоговый сигнал через канал, находящийся в высокочастотной области спектра.
Для решения этой проблемы амплитуду высокочастотного несущего сигнала изменяют (модулируют) в соответствии с изменением низкочастотного сигнала. Модулируемый сигнал при этом называется несущим. В подавляющем большинстве случаев в качестве несущего используется синусоидальное колебание, имеющее три параметра – амплитуду, частоту и фазу. В зависимости от изменяемого параметра различают три основных вида модуляции – амплитудную, частотную и фазовую.
Амплитудная модуляция — вид модуляции, при которой изменяемым параметром несущего сигнала является его амплитуда.
Частотная модуляция – вид модуляции, при которой изменяемым параметром несущего сигнала является частота.
Фазовая модуляция — вид модуляции, при которой изменяемым параметром несущего сигнала является фаза.
Все три вида модуляции цифровых данных изображены на рисунке 8.
Рис. 1.8. Модуляция аналогового сигнала цифровыми данными
Максимальное значение информационного параметра несущей относительно его номинального значения называется глубиной модуляции, а максимальное отклонение значения информационного параметра несущей относительно максимального изменения информационного параметра модулирующего сигнала – индексом модуляции.
При модуляции дискретного сигнала в качестве информационных признаков могут использоваться длительность импульса, частота повторения и др.
Выделение информации из модулированного электрического сигнала производится путем его обратных преобразований – демодуляции в детекторе приемника. Демодуляция обеспечивается путем сравнения текущей структуры полученного сигнала с эталонной. Эталонная признаковая структура при ЧМ-модуляции определяется частотой настройки контура детектора, для АМ-модуляции – усредненной амплитудой несущего колебания на выходе детектора, ФМ-модуляции – значением фазы несущего колебания до его модуляции.
Из-за влияния помех сигналы при передаче и приеме будут отличаться. Степень их отличия будет зависеть от отношения сигнал/шум на входе демодулятора. При этом если мощность несущего сигнала намного больше, чем помех, искажение будет незаметным.
В общем случае любое сообщение можно описать с помощью трех основных параметров:
- — динамический диапазон;
- — диапазон частот;
- — длительность передачи.
Произведение этих параметров называется объемом сигнала. В пространстве объем сигнала можно представить в виде параллелепипеда (рисунок 1.9) [3,9].
Рис. 1.9. Представление объема сигнала в пространстве
Для обеспечения неискаженной передачи сообщения необходимо, чтобы характеристики канала передачи (среды распространения) и приемника соответствовали ширине спектра и динамическому диапазону сигнала.
Если полоса частот среды распространения или приемника уже полосы сигнала, то для уменьшения искажения сигнала уменьшают ширину его спектра. При этом для сохранения объема сообщения в том же значении, увеличивают длительность передачи. Если необходимо передавать сигнал в реальном времени, то есть без изменения длительности передачи, полоса пропускания приемника должна совпадать с шириной спектра сигнала.
Для чего обрабатывается сигнал?
Сигнал следует обрабатывать для того, чтобы получить информацию, которая в нем зашифрована. Если рассматривать виды модуляции сигнала, то следует отметить, что по амплитудной и частотной манипуляции это довольно сложный процесс, который необходимо полностью понимать. Как только информация будет получена, ее можно использовать совершенно различными способами. В некоторых ситуациях ее форматируют и отправляют далее.
Также нужно отметить другие причины, по которым происходит обработка сигналов. Она заключается в том, чтобы сжать частоты, которые передаются, однако не повредив всю информацию. Далее ее форматируют еще раз и передают. При этом делается это на медленных скоростях. Если говорить о сигналах аналогового и цифрового вида, то здесь используются особенные способы. Имеется фильтрация, свертка и некоторые другие функции. Они нужны для того, чтобы восстановить информацию, если сигнал был поврежден.
Определения
Определения, характерные для подполей, являются общими. Например, в теория информации, а сигнал
кодифицированное сообщение, то есть последовательность состояний в канале связи, который кодирует сообщение. В контексте обработка сигналов, сигналы представляют собой аналоговые и цифровые представления аналоговых физических величин.
С точки зрения их пространственного распределения сигналы могут быть разделены на сигналы точечных источников (PSS) и сигналы распределенных источников (DSS).[2]
В системе связи передатчик
кодирует
сообщение
для создания сигнала, который переносится на
приемник
посредством канал связи. Например, слова «У Мэри был маленький ягненок»может быть сообщение, сказанное в телефон. Телефонный передатчик преобразует звуки в электрический сигнал. Сигнал передается на принимающий телефон по проводам; в приемнике он преобразуется в звуки.
В телефонных сетях сигнализация, Например сигнализация по общему каналу, относится к номеру телефона и другой цифровой управляющей информации, а не к фактическому речевому сигналу.
Сигналы можно классифицировать по-разному. Чаще всего различают дискретные и непрерывные пространства, в которых функции определены, например, в дискретной и непрерывной областях времени. Дискретные сигналы времени часто упоминаются как Временные ряды
в других областях. Сигналы непрерывного времени часто упоминаются как
непрерывные сигналы
.
Второе важное различие — между дискретными и непрерывными значениями. Особенно в цифровая обработка сигналов, а цифровой сигнал может быть определена как последовательность дискретных значений, обычно связанных с лежащим в основе непрерывным физическим процессом. В цифровая электроника, цифровые сигналы — это сигналы с непрерывным временем в цифровой системе, представляющие поток битов.
Еще одним важным свойством сигнала является его энтропия или же информационное содержание.
Создание и форматирование
Многие виды информационных сигналов, о которых мы поговорим в статье, необходимо создать и после форматировать. Для этого следует иметь цифро-аналоговый преобразователь, а также аналого-цифровой. Как правило, используются они оба в одной ситуации: только в случае использования такой техники как DSP.
В остальных случаях подойдет лишь первый прибор. Для того чтобы создать физические аналоговые коды и потом их переформатировать в цифровые методы, необходимо использовать специальные приборы. Это позволит максимально предотвратить повреждение информации.
Как аналоговый сигнал преобразуется в цифровой и наоборот
Первой в цифровую форму преобразовали математическую, физическую и компьютерную информацию. Описать формулы и расчеты не составило труда. А вот для преображения аналоговой действительности в цифровые массивы уже потребовались специальные устройства. Ими стали аналого-цифровые преобразователи или сокращенно АЦП. Они предназначены для преобразования различных физических величин в цифровые коды. Обратное действие совершают устройства ЦАП.
Любые цифровые передатчики и приёмники оснащены такими преобразователями. Например, сотовому телефону, поступивший звук необходимо обработать и передать в оцифрованном виде. В то же время необходимо принять от другого абонента код, преобразовать и передать напряжение на динамик. Так же и с изображением на смартфонах и в телевизорах. В любом случае первоначальной информацией выступает напряжение.
Существует много видов АЦП, но самыми распространёнными являются следующие:
- параллельного преобразования;
- последовательного приближения;
- дельта-сигма, с балансировкой заряда.
Преобразования в АЦП понятийно связаны с измерением и сравнением. Кодировка, это процесс сравнения полученных от источника данных с эталоном. То есть полученная аналоговая величина сравнивается с эталонной (с заданным напряжением). Эталоном выступает информация о конкретном цвете, звуке и т.п. Она соответствует заложенным в устройство представлениям о преобразуемом сигнале. Потом данные эталонной величины кодируются для передачи. Во время аналого-цифровой обработки физических превращений сигнала не происходит. С аналогового делается цифровой матрица (модель).
Упрощенно работу любого АЦП можно представить так:
- Измерение через определенные интервалы времени амплитуды напряжения.
- Сравнение с эталоном и формирование данных.
- Отгрузка оцифрованных сведений об изменениях амплитуды на передатчик.
Качество передаваемой информации зависит от двух параметров — точности и частоты измерений. Чем точнее измеряется и зашифровывается входящее напряжение, тем качественней передаваемая информация. Поэтому, имеет большое значение, сколько бит может зашифровать преобразователь. Чем плотнее информационный поток, тем точней передача данных. Это выражается в красках экрана, контрастности картинки и чистоте звука. Следующим важным показателем является дискретизация, то есть частота измерений. Чем чаще, тем меньше провалов в измерениях и необходимости сглаживания. В совокупности, чем чаще и точнее преобразователь может измерять и обрабатывать полученное напряжение, тем он лучше.
Динамический диапазон
Диапазон любого вида аналогового сигнала вычислить несложно. Необходимо использовать разницу большего и меньшего уровня громкости, который показывается в децибелах.
Следует заметить, что информация зависит полностью от особенностей ее исполнения. Причем речь идет как о музыке, так и о разговорах простого человека. Если брать диктора, который будет читать новости, то его динамический диапазон будет составлять не больше 30 децибел. А если читать какое-либо произведение в красках, то этот показатель вырастет до 50.
Аналоговый сигнал
Виды представления сигнала довольный разные. При этом нужно заметить, что аналоговый сигнал является непрерывным. Если говорить о недостатках, то многие отмечают наличие шума, который может, к сожалению, приводить к потери информации.
Довольно часто возникает такая ситуация, что непонятно, где в коде есть действительно важная информация, а где просто искажения. Именно из-за этого аналоговый сигнал стал менее популярен, и на данный момент его вытесняет цифровая технология.
Цифровой сигнал
Нужно заметить, что такой сигнал, как и виды сигналов другие, является потоком данных, который описывается за счет дискретных характеристик.
Нужно заметить, что его амплитуда может повторяться. Если вышеописанный аналоговый вариант способен поступать в конечную точку с огромным количеством шумов, то цифровой подобного не допускает. Он способен самостоятельно ликвидировать большую часть помех, для того чтобы избежать повреждения информации. Также нужно заметить, что данный вид переносит информацию без каких-либо смысловых нагрузок.
Таким образом, через один физический канал пользователь может без труда отправить несколько сообщений. Нужно заметить, что, в отличие от видов звукового сигнала, которые являются максимально распространенными на данный момент, а также аналогового, цифровой не делится на несколько типов. Он является единственным и самостоятельным. Представляет собой двоичный поток. Сейчас является довольно популярным, его просто использовать, о чем свидетельствуют отзывы.
Как выглядят спектры аналогового и дискретного сигнала
Изображение сигналов можно представить как две функции. На рисунке наглядно представлено, чем отличается непрерывный сигнал от дискретного. Напряжение исходного изменяется плавно, обработанного прерывисто. Спектр дискретного периодически ступенчато совпадает с непрерывным.
Изменения дискретного происходят резко, через определённый период времени. Уровень в цифровой системе зашифровывается и любую величину напряжения описывают двоичным кодом. От частоты измерений зависит сглаженность преобразования и оригинальность передаваемых данных. Чем точнее описан уровень сигнала и чем чаще проводится и обрабатывается измерение, тем точнее совпадает спектр начального и переданного сигналов.
Применение цифрового сигнала
Рассматривая виды передачи сигналов, необходимо сказать о том, где применяется цифровой вариант. Чем же отличается он от многих других при передаче и при использовании? Дело в том, что, поступая в ретранслятор, он полностью регенерируется.
Когда в оборудование поступает сигнал, который в процессе передачи получил шумы и помехи, он сразу же форматируется. Благодаря этому телевышки могут сформировать сигнал заново, избегая использования шумового эффекта.
Аналоговая связь в этом случае будет намного лучше, так как при получении информации с большим количеством искажений, ее можно извлечь хотя бы частично. Если говорить о цифровом варианте, то это невозможно. Если более 50 % сигнала будет иметь шум, то можно считать, что информация полностью утрачена.
Многие люди, обсуждая сотовую связь, причем совершенно разных форматов и способов передачи, говорили, что иногда практически невозможно разговаривать. Люди могут не слышать слова или же фразы. Такое может происходить только на цифровой линии, если имеется шум.
Если говорить об аналоговой связи, то в этом случае разговор будет можно продолжать далее. Из-за таких неполадок ретрансляторы формируют сигнал всегда по новой, для того чтобы сократить разрывы.
Сигналы и системы
В Электротехника программ, класс и область обучения, известные как «сигналы и системы» (S и S), часто рассматриваются как «класс сокращения» для карьеры в области EE, и некоторые студенты боятся его как такового. В зависимости от школы, студенты EE бакалавриата обычно посещают класс как младшие или старшие, обычно в зависимости от количества и уровня предыдущего обучения. линейная алгебра и дифференциальное уравнение уроки, которые они брали.[19]
Эта область изучает входные и выходные сигналы и математические представления между ними, известные как системы, в четырех областях: время, частота, s
и
z
. Поскольку сигналы и системы изучаются в этих четырех областях, существует 8 основных разделов обучения. Например, при работе с сигналами непрерывного времени (
т
), можно преобразовать из временной области в частоту или
s
домен; или с дискретного времени (
п
) на частоту или
z
домены. Системы также могут преобразовываться между этими областями, как сигналы, с непрерывным
s
и дискретно
z
.
Хотя S и S относятся ко всем темам, затронутым в этой статье, а также Обработка аналогового сигнала и Цифровая обработка сигналов, на самом деле это подмножество поля Математическое моделирование. Это поле восходит к РФ более века назад, когда оно было аналоговым и, как правило, непрерывным. Сегодня программное обеспечение заменило большую часть разработки и анализа аналоговых схем, и даже непрерывные сигналы теперь обычно обрабатываются в цифровом виде. По иронии судьбы, цифровые сигналы также обрабатываются в некотором смысле непрерывно, при этом программное обеспечение выполняет вычисления между дискретными «паузами» сигнала, чтобы подготовиться к следующему событию ввода / преобразования / вывода.
В прошлом учебные планы S и S, как их часто называют, включали анализ и проектирование схем с помощью математического моделирования и некоторых численных методов и были обновлены несколько десятилетий назад с Динамические системы инструменты, включая дифференциальные уравнения, а недавно Лагранжианы. Сложность этой области в то время заключалась в том, что моделировались не только математическое моделирование, схемы, сигналы и сложные системы, но и физика, а также требовалось глубокое знание электрических (а теперь и электронных) тем.
Сегодня эта область стала еще более сложной и устрашающей с добавлением языков и программного обеспечения для анализа схем, систем и сигналов, а также проектирования и разработки программного обеспечения. MATLAB и Simulink к NumPy, VHDL, PSpice, Verilog и даже язык ассемблера. Ожидается, что студенты будут понимать инструменты, а также математику, физику, анализ схем и преобразования между 8 областями.
Поскольку такие темы машиностроения, как трение, демпфирование и т. Д., Имеют очень близкие аналогии в науке о сигналах (индуктивность, сопротивление, напряжение и т. Д.), Многие инструменты, изначально использовавшиеся в МЭ-преобразованиях (преобразования Лапласа и Фурье, лагранжианы, теория выборки, вероятность, разностные уравнения и т. д.) теперь применяются к сигналам, схемам, системам и их компонентам, анализу и проектированию в EE. Динамические системы, которые включают шум, фильтрацию и другие случайные или хаотические аттракторы и репеллеры, теперь поместили стохастические науки и статистику между более детерминированными дискретными и непрерывными функциями в этой области. (Термин «детерминистический» здесь означает сигналы, которые полностью определяются как функции времени).
Специалисты по таксономии EE до сих пор не определились, где S&S находится в рамках всей области обработки сигналов по сравнению с анализом схем и математическим моделированием, но общая связь тем, охватываемых в ходе обучения, расширила границы с помощью десятков книг, журналов и т. Д. … называется «Сигналы и системы», и используется в качестве текста и подготовки к экзаменам для EE, а также недавно к экзаменам по компьютерной инженерии.[20]
Дискретный сигнал
В данный момент человек пользуется различными звонилками или же другими электронными приборами, которые принимают сигналы. Виды сигналы довольно разнообразны, и одним из них является дискретный. Нужно заметить, что, для того чтобы такие приспособления работали, необходимо передавать звуковой сигнал. Именно поэтому необходим канал, который имеет пропускную способность намного большего уровня, чем было описано ранее.
С чем это связано? Дело в том, что, для того чтобы качественно передать звук, необходимо использовать дискретный сигнал. Он создает не волну звука, а его цифровую копию. Соответственно, передача идет от самой техники. Плюсы такого переноса в том, что пакетная отправка будет осуществляться пакетами, а количество передаваемых данных уменьшится.
Чем отличается непрерывный сигнал от дискретного
На первый взгляд отличия в сигналах можно не различить. Оба передаются в виде электрических импульсов по проводам или электромагнитными волнами в эфире. Преобразовываются в звук и изображение, выводятся на динамики и экран. Но разница существенна. Отличие аналогового сигнала от цифрового обусловлено особенностями обработки и передачи данных.
Аналоговые данные не кодируются и не шифруются, просто отображаются в электрические или электромагнитные импульсы. Приёмник преобразовывает импульсы в полном соответствии с полученным сигналом. Передаваемый и принимаемый импульс многогранен и характеризуются постоянным плавным изменением с течением времени. Величина и частота определяют параметры информации. Примером может быть соответствие определённого цвета экрана заданному напряжению. С течением времени цвета плавно меняются следуя изменению напряжения.
Казалось бы, природное происхождение, простота генерации, передачи и приёма благоприятствуют использованию аналогового сигнала. Но в дело вмешиваются электрические и электромагнитные помехи. Это могут быть электромагнитные наводки от электрических сетей, работающих механизмов, рельеф местности, грозы, бури на солнце, шумы создаваемые работой передающего и принимающего оборудования, прочие. Они изменяют плавную кривую. На приёмник информация поступает с изменениями. Шипение, хрипы и искаженное изображение обычная история для аналоговой связи.
Цифровая технология использует совсем иной принцип передачи. Аналоговые данные сначала кодируются и только потом передаются. Кодировка заключается в описании непрерывной кривой аналоговой информации. В каждый конкретный момент времени, передаваемый импульс имеет значение единицы или нуля, и определенная последовательность битов отображает всю полноту оригинальной картинки или звука.
Дискретный сигнал как азбука Морзе, только вместо точек и тире — чёткие биты. Ничего более, шумы и помехи им не мешают. Цифровой информации главное дойти до цели. Цифры без примесей передадут данные и без изменений перевоплотятся в звук и цвет. Но слабый сигнал может не донести полную картину. Как пример — пропадание слов или изображения полностью. Поэтому сотовые передатчики, устанавливают как можно ближе друг от друга, также используют повторители.
Примером непрерывных и дискретных сигналов могут служить старая проводная и новая сотовая связь. Через старые АТС иногда невозможно было разговаривать с соседним домом. Шумы и плохое усиление сигнала мешали слышать друг друга. Что бы вести полноценную беседу, приходилось громко кричать самому и прислушиваться к собеседнику. Другое дело сотовая связь основанная на цифровой технологии. Звук закодирован и хорошо передаётся на далёкие расстояния. Отчетливо слышно собеседника даже с другого континента.
Оба вида связи не лишены недостатков, а ключевыми отличиями являются:
- Аналоговый подвержен помехам и поступает с искажениями. В то время как цифровой доходит полностью без искажений или отсутствует вовсе.
- Принять или перехватить аналоговое вещание может любой приёмник такого принципа. Дискретная передача адресована конкретному адресату, кодируется и мало доступна к перехвату.
- Объём передаваемых данных у аналоговой связи конечен, поэтому она практически исчерпала себя в передаче теле сигнала. Напротив с развитием технологии преобразования аналоговой информации в цифровой код растут объемы и качество трансляции. Например, главным отличием цифрового от аналогового телевидения является превосходное качество изображения.
Цифровая технология выигрывает по всем показателям. Споры идут только среди любителей музыки. Многие меломаны и звукорежиссеры утверждают, что могут различить аналоговый оригинал и цифровую копию. Однако большинство слушателей этого сделать не в состоянии. Да и с развитием цифровых систем аналоговые данные кодируются точнее. Оригинальное звучание и цифровая копия делаются практически неразличимым.
Виды модуляции
Описывая виды сигналов и сигналы в целом, необходимо также поговорить и о модуляции. Что это такое? Это процесс изменения сразу нескольких параметров колебаний, которые осуществляются по определенному закону. Нужно заметить, что делится модуляция на цифровую и импульсную, а также на некоторые другие.
В свою очередь, многие из них делятся отдельно на несколько видов, причем их довольно много. Следует сказать об основных характеристиках такого понятия. Например, за счет видов модуляции сигнала можно добиться устойчивой передачи, минимальной потери, однако следует заметить, что для каждого из них требуется особенный усилитель линейности.
Сигнал: виды сигналов, особенности, сферы применения и отзывы. Виды модуляции сигналов на News4Auto.ru.
Наша жизнь состоит из будничных мелочей, которые так или иначе влияют на наше самочувствие, настроение и продуктивность. Не выспался — болит голова; выпил кофе, чтобы поправить ситуацию и взбодриться — стал раздражительным. Предусмотреть всё очень хочется, но никак не получается. Да ещё и вокруг все, как заведённые, дают советы: глютен в хлебе — не подходи, убьёт; шоколадка в кармане — прямой путь к выпадению зубов. Мы собираем самые популярные вопросов о здоровье, питании, заболеваниях и даем на них ответы, которые позволят чуть лучше понимать, что полезно для здоровья.
