Analogové, diskrétní a digitální signály – typy signálů, vlastnosti, jaký je rozdíl, příklady

Analogové, diskrétní a digitální signály jsou tři různé typy signálů, které se používají k přenosu a zpracování informací. Liší se způsobem prezentace dat, fyzikálními vlastnostmi a aplikací v různých oblastech.

Jakákoli fyzikální veličina může být podle povahy změny své hodnoty konstantní (pokud má pouze jednu pevnou hodnotu), diskrétní (pokud může mít dvě nebo více pevných hodnot) nebo analogová (pokud může mít nespočet hodnot). . Všechny tyto veličiny lze převést do digitální podoby.

Analogové signály

Analogový (tj. plynule se měnící v čase) je signál, který může být reprezentován spojitou čárou ze sady hodnot definovaných v každém okamžiku v čase vzhledem k časové ose.

Hodnoty analogového signálu jsou v libovolném čase libovolné, takže jej lze v zásadě reprezentovat jako druh spojité funkce (v závislosti na čase jako proměnné) nebo jako po částech spojitou funkci času.

Spojité signály jsou generovány spojitými procesy a systémy. Jedná se například o EEG – vzniká díky elektrické aktivitě mozku, EKG – vzniká elektrickou aktivitou srdce, výstupem senzoru, např. senzoru rychlosti otáčení – tachogenerátoru atd.

Analogový signál lze nazvat například zvukovým signálem generovaným vinutím elektromagnetického mikrofonu nebo elektronkového akustického zesilovače, protože takový signál je spojitý a jeho hodnoty (napětí nebo proud) se od každého velmi liší. jiné v každém okamžiku.

Níže uvedený obrázek ukazuje příklad tohoto druhu analogového signálu.

Analogové veličiny mohou mít v určitých mezích nekonečný počet hodnot. Jsou spojité a jejich hodnoty se nemohou náhle změnit.

Příklad analogového signálu: termočlánek přenáší analogovou hodnotu teploty do programovatelného logického regulátoru, který řídí teplotu v elektrické peci pomocí polovodičového relé.

Jakýkoli analogový signál může být reprezentován jako jeho odpovídající digitální ekvivalent a přesnost reprezentace závisí na počtu číslic ekvivalentního čísla.

Ke zpracování analogových signálů se používají logické prvky.

Na základě fyzikálních charakteristik se rozlišuje potenciální a impulsní způsob reprezentace proměnných v logických prvcích. V potenciálních prvcích vysoký potenciál odpovídá logické jedničce (1), nízký potenciál – nule (0). Potenciály mohou být pozitivní nebo negativní. U impulsní metody reprezentace čísel je přítomnost impulsu stav 1, jeho nepřítomnost je 0.

Pro interakci elektronických zařízení, která zpracovávají analogové signály se zařízeními, která obsluhují binární (digitální) signály, se používají převodníky digitálně-analogové (DAC) a analogově-digitální (ADC).

Diskrétní signály

Pokud určitý signál nabývá libovolných hodnot pouze v určitých okamžicích, pak se takový signál nazývá diskrétní. Nejčastěji se v praxi používají diskrétní signály distribuované po jednotné časové mřížce, jejíž krok se nazývá vzorkovací interval.

Diskrétní signál nabývá určitých nenulových hodnot pouze v okamžicích vzorkování, to znamená, že na rozdíl od analogového signálu není spojitý. Pokud jsou ze zvukového signálu vyříznuty malé kousky určité velikosti ve stejných intervalech, lze takový signál nazvat diskrétním.

Diskrétní signál se skládá ze sekvence vzorků, které obecně mohou nabývat libovolné hodnoty. Tento signál je obvykle vytvořen vzorkováním analogového signálu.

Níže je uveden příklad vytvoření takového diskrétního signálu se vzorkovacím intervalem T. Upozorňujeme, že je kvantován pouze interval vzorkování, nikoli však samotné hodnoty signálu.

Diskrétní signály mají dvě nebo více pevných hodnot (počet jejich hodnot je vždy vyjádřen v celých číslech).

Příklad jednoduchého diskrétního signálu se dvěma hodnotami: vypnutí pojezdového spínače (přepnutí kontaktů spínače v určité poloze mechanismu). Signál z koncového spínače lze přijímat pouze dvěma způsoby – kontakt je rozepnutý (žádná akce, žádné napětí) a kontakt sepnutý (je zde akce, je napětí).

V domácí literatuře se spínací zařízení také nazývají „diskrétní“, „logické“, „reléová zařízení“ nebo „reléová zařízení“.

Výhody diskrétních zařízení jsou z velké části způsobeny skutečností, že jejich prvky jsou poměrně jednoduché a spolehlivé. Ve většině případů mají pouze dva různé stavy: zapnuto – vypnuto (relé), otevřeno – uzamčeno (tranzistor) atd.

Takové prvky mohou generovat nebo zpracovávat signály, které mají pouze dva významy: jedna hodnota signálu je spojena s jedním stavem prvku, druhá – s druhým. Proto název „diskrétní signál“ často znamená signál se dvěma hodnotami. Fyzicky to znamená, že signál má pulzní povahu: nejvyšší úroveň je jedna hodnota, nejnižší je druhá. Obvykle jsou tyto úrovně označeny 1 a 0.

Digitální signály

Když diskrétní signál nabývá pouze některých pevných hodnot (které mohou být uspořádány na mřížce s určitým krokem), takže mohou být reprezentovány jako množství kvantových veličin, takový diskrétní signál se nazývá digitální.

To znamená, že digitální signál je diskrétní signál, který je kvantován nejen časovými intervaly, ale také úrovní.

Sledy pulzů představují posloupnosti číslic a lze si je představit jako binární čísla. Proto se nazývají digitální a související metody pro zpracování takových signálů a odpovídající zařízení a systémy se také nazývají digitální.

Digitální signál je signál, který je vzorkován a následně kvantován. Skládá se ze sekvence vzorků, které mohou nabývat pouze omezeného počtu hodnot, takže ji lze reprezentovat jako sekvenci celých čísel.

Informace se vždy ztratí při převodu analogového signálu na digitální (jak během vzorkování, tak kvantizace). Zvýšením vzorkovací frekvence a počtu kvantizačních úrovní se však můžete přiblížit původnímu signálu s libovolně malou odchylkou.

Například každý ze dvou stereo kanálů audio CD nahrávky může být reprezentován jako sekvence 44 100 šestnáctibitových čísel za sekundu a digitální telefonní signál ISDN může být reprezentován jako sekvence 8000 osmibitových čísel za sekundu.

V řadě úloh jsou identifikovány prakticky diskrétní a digitální signály a lze je snadno specifikovat ve formě vzorků pomocí výpočetního zařízení.

V domácí literatuře se ve vztahu k popsaným signálům, zařízením a systémům častěji používá termín „diskrétní“. Termín „digitální“ se používá méně často. To je odůvodněno tím, že význam posledního termínu je lépe přisoudit konkrétním zařízením s digitálním odečtem (digitální voltmetry, ampérmetry atd.).

Analogové signály musí být převedeny do digitálního formátu, než je může mikroprocesor interpretovat.

Obrázek ukazuje příklad vytvoření digitálního signálu na základě analogového. Vezměte prosím na vědomí, že hodnoty digitálního signálu nemohou nabývat středních hodnot, ale pouze určitých – celočíselného počtu kroků vertikální mřížky.

Digitální signál se snadno zaznamenává a přepisuje do paměti výpočetních zařízení, jednoduše čte a kopíruje bez ztráty přesnosti, zatímco přepis analogového signálu vždy zahrnuje ztrátu nějaké, byť nevýznamné, části informace.

Digitální zpracování signálu umožňuje získat zařízení s velmi vysokým výkonem prováděním výpočetních operací absolutně bez ztráty kvality nebo se zanedbatelnými ztrátami.

Díky těmto výhodám jsou dnes digitální signály v systémech pro ukládání a zpracování dat všudypřítomné. Všechny moderní paměti jsou digitální. Analogová paměťová média (jako jsou filmové kazety atd.) jsou minulostí.

Analogové a digitální měřiče napětí:

Ale i digitální signály mají své nevýhody. Nemohou být přenášeny přímo tak, jak jsou, protože přenos je obvykle realizován prostřednictvím nepřetržitých elektromagnetických vln. Proto je při přenosu a příjmu digitálních signálů nutné uchýlit se k dodatečné modulaci a analogově-digitální konverzi.

Další nevýhodou je menší dynamický rozsah digitálních signálů (poměr největší hodnoty k nejmenší) v důsledku kvantování hodnot přes mřížku.

Existují také oblasti, kde jsou analogové signály nepostradatelné. Například analogový zvuk se nikdy nebude srovnávat s digitálním, což je důvod, proč elektronkové zesilovače a desky stále zůstávají v módě, a to navzdory velkému množství formátů digitálního záznamu zvuku s nejvyšší vzorkovací frekvencí.

Připojte se k našemu telegramovému kanálu „Automatizace a robotika“! Buďte první, kdo se dozví o vzrušujících novinkách a fascinujících faktech ze světa automatizace: Automatizace a robotika na Telegramu

Pokud se vám tento článek líbil, sdílejte odkaz na něj na sociálních sítích. Velmi to pomůže rozvoji našeho webu!

Nenechte si ujít aktualizace, přihlaste se k odběru našich sociálních sítí: