Каким мне представляется профильный курс информатики: тема “Кодирование”. Аналоговые и цифровые сигналы

Аналоговые и цифровые сигналы

Основные принципы цифровой электроники.

Введение.

ЦИФРОВЫЕ УСТРОЙСТВА

Конспект лекций

Цифровая электроника в настоящее время всœе более и более вы­тесняет традиционную аналоговую. Ведущие фирмы, произво­дящие самую разную электронную аппаратуру, всœе чаще заяв­ляют 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 телœефонии позволяют в несколько раз сократить массогабаритные характеристики устройств коммутации, повысить надежность связи, ввести дополнительные функциональные возможности. Появление быстродействующих микропроцессоров, микросхем оперативной памяти больших объёмов, малогабаритных устройств хранения информации на жестких носителях больших объёмов позволило создать достаточно недорогие универсальные персональные электронные вычислительные машины (компьютеры), нашедшие очень широкое применение в быту и производстве. Цифровая техника незаменима в системах телœесигнализации и телœеуправления, применяемых в автоматизированных производствах, управлении удаленными объектами, к примеру, 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.

Стоит сказать, что для начала дадим несколько базовых определœений.

Сигнал - это любая физическая величина (к примеру, тем­пература, 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 ин­формацию.

Электрический сигнал - это электрическая величина (на­пример, напряжение, ток, мощность), изменяющаяся со време­нем. Вся электроника в основном работает с электрическими сигналами, хотя в последнее время всœе больше используются световые сигналы, которые представляют из себяизменяющуюся во времени интенсивность света.

Аналоговый сигнал - это сигнал, который может прини­мать любые значения в определœенных пределах (к примеру, на­пряжение может плавно изменяться в пределах от нуля до деся­ти вольт). Устройства, работающие только с аналоговыми сиг­налами, называются аналоговыми устройствами.

Цифровой сигнал - это сигнал, который может принимать только два значения (иногда - три значения). Причем разреше­ны некоторые отклонения от этих значений (рис. 1.1). Напри­мер, 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, называ­ются цифровыми устройствами.

В природе практически всœе сигналы аналоговые, то есть они изменяются непрерывно в некоторых пределах. Именно поэто­му первые электронные устройства были аналоговыми. Οʜᴎ преобразовывали физические величины в пропорциональные им напряжение или ток, выполняли над ними какие-то операции и затем выполняли обратные преобразования в физические вели­чины. К примеру, голос человека (колебания воздуха) с помощью микрофона преобразуется в электрические колебания, затем эти электрические сигналы усиливаются электронным усилителœем 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 устройства­ми над сигналами, можно условно разделить на три большие группы:

‣‣‣ обработка (или преобразование);

‣‣‣ передача;

‣‣‣ хранение.

Во всœех этих случаях полезные сигналы искажаются пара­зитными сигналами - шумами, помехами, наводками. Вместе с тем, при обработке сигналов (к примеру, при усилении, фильт­рации) еще искажается и их форма из-за несовершенст­ва, неидеальности электронных устройств. А при передаче на большие расстояния и при хранении сигналы к тому же ослаб­ляются.

Рис. 1.2. Искажение шумами и наводками аналогового сигнала (слева) и циф­рового сигнала (справа).

В случае аналоговых сигналов всœе это существенно ухуд­шает полезный сигнал, так как всœе его значения разрешены (рис. 1.2). По этой причине каждое преобразование, каждое промежу­точное хранение, каждая передача по кабелю или эфиру ухуд­шает аналоговый сигнал, иногда вплоть до его полного унич­тожения. Надо еще учесть, что всœе шумы, помехи и наводки принципиально не поддаются точному расчету, в связи с этим точноописать поведение любых аналоговых устройств абсолютно не­возможно. К тому же со временем параметры всœех аналоговых устройств изменяются из-за старения элементов, в связи с этим харак­теристики этих устройств не остаются постоянными.

В отличие от аналоговых, цифровые сигналы, имеющие всœе­го два разрешенных значения, защищены от действия шумов, наводок и помех гораздо лучше. Небольшие отклонения от разрешенных значений никак не искажают цифровой сигнал, так как всœегда существуют зоны допустимых отклонений (рис. 1.2). Именно в связи с этим цифровые сигналы допускают гораздо более сложную и многоступенчатую обработку, гораздо более дли­тельное хранение без потерь и гораздо более качественную передачу, чем аналоговые. К тому же поведение цифровых устройств всœегда можно абсолютно точно рассчитать и пред­сказать. Цифровые устройства гораздо меньше подвержены старению, так как небольшое изменение их параметров никак не отражается на их функционировании. Вместе с тем, цифро­вые устройства проще проектировать и отлаживать. Понятно, что всœе эти преимущества обеспечивают бурное развитие циф­ровой электроники.

При этом у цифровых сигналов есть и крупный недостаток. Дело в том, что на каждом из своих разрешенных уровней циф­ровой 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 определœен в непрерывном времени (то есть в любой момент времени), а цифровой - в дискретном времени (то есть только в выделœенные моменты времени). По этой причине мак­симально достижимое быстродействие аналоговых устройств всœегда принципиально больше, чем цифровых устройств. Ана­логовые устройства могут работать с более быстро меняющи­мися сигналами, чем цифровые. Скорость обработки и передачи информации аналоговым устройством всœегда должна быть сде­лана выше, чем скорость ее обработки и передачи цифровым устройством.

Вместе с тем, 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. По этой причине для передачи того объёма по­лезной информации, который содержится в одном аналоговом сигнале, чаще всœего приходится использовать несколько цифро­вых сигналов

(обычно от 4 до 16).

К тому же, как уже отмечалось, в природе всœе сигналы ана­логовые, то есть для преобразования их в цифровые сигналы и для обратного преобразования требуется применение специальной аппаратуры (аналого-цифровых и

цифро-аналоговых преоб­разователœей). Так что ничто не дается даром, и плата за пре­имущества цифровых устройств может порой оказаться непри­емлемо большой.

Аналоговые и цифровые сигналы - понятие и виды. Классификация и особенности категории "Аналоговые и цифровые сигналы" 2017, 2018.

Мы живём в эпоху бурной эволюции аналоговых технологий в цифровые. Тем не менее, многие устройства по-прежнему остаются аналоговыми, не спеша переходить на новую ступень развития техники. Более того, бытовые приборы нередко совмещают в себе обе технологии. Попытаемся разобраться, какова разница между аналоговым и цифровым, в чём их преимущества и недостатки.

Естественно, разговор пойдёт с точки зрения обычного пользователя, без заумных терминов и с уклоном на практическое применение в повседневной жизни.

Суть аналоговых технологий

В двадцатом веке, ближе к его середине, появились аналоговые компьютеры - вычислительные устройства. Всяческая информация в них выражалась и обрабатывалась в виде разницы в напряжении сигнала. Причём, даже при обработке числовых данных и совершении подсчётов.

На выходе могли быть графики, различные синусоиды, управляющие сигналы для механизмов и прочие полезности для производственного процесса. Предположим, везде расставили датчики. Изменилось где-то напряжение - и аналоговый компьютер тут же отреагировал, включил что надо (или выключил).

Суть аналоговой технологии в том, что информация не трансформируется в цифровую. Электрический импульс остаётся самим собой, со всеми своими параметрами, даже если чем-то измеряется и что-то означает. Кроме того, сигналы могут варьироваться как угодно, в зависимости от особенностей устройств.

Суть цифровых технологий

Первый прототип цифровой передачи данных - азбука Морзе. Буквы кодируются комбинациями коротких сигналов («точек»), длинных («тире») и разделяющих пауз (тишины) между ними. Неважно, каков уровень сигнала, каково его напряжение и частота, ведь есть только три компонента, передающие информацию.

Теперь представьте себе, что количество компонентов сокращено до двух: «сигнал и тишина». Наличие сигнала - единица, отсутствие - ноль. Параметры тоже не имеют значения.

Так вот, нули и единицы - это биты. Их последовательности объединяются в группы по восемь штук - байты. Ну и, конечно, килобайты, мегабайты, гигабайты.

Работа аналогового устройства

Возьмём, к примеру, звук. Сигнал с микрофона записывается на магнитную ленту в исходном виде. То есть, со всеми частотами, поступающими по проводу. Затем магнитофон (старинный аппарат для воспроизведения звука) считывает записанное с ленты, усиливает и отправляет в динамики, откуда мы всё слышим.

Или же звук транслируется в эфир. Антенна ловит радиоволну и преобразовывает её в такие же электрические сигналы, которые поступали на микрофон. Ну и мембраны динамиков работают точно так же, как в магнитофоне: колеблются под воздействием тока, передающего звуковые частоты.

Другой способ аналоговой записи - виниловые пластинки, большие такие диски, обычно чёрные. На них вырезаются тонкие дорожки, а считывающая игла потом колеблется именно с такими частотами, которые были у исходного звука. Колебания преобразуются в электрические, усиливаются и отправляются, как нетрудно догадаться, на динамики.

То есть, сигнал остаётся таким, как был изначально, не кодируется в цифровой вид. К нему добавляются помехи , шипение усилителей, он искажается некачественной магнитной лентой и аппаратурой. Лента постепенно размагничивается (особенно если эксплуатируется часто), а пластинка - изнашивается (ведь по ней ездит игла).

Работа цифрового устройства

Микрофон подключается к преобразователю, который все звуковые частоты кодирует в форму нулей и единиц. Кроме того, эти нули и единицы идут не сплошным потоком, а дискретно, порциями. Например, 44 тысячи раз в секунду (с частотой 44 килогерца), как на музыкальном компакт-диске.

Кроме того, чем больше нулей и единиц (килобит) используется для одной секунды, тем выше качество звука (тем полнее, адекватнее его описание в цифровой форме).

Оцифрованный звук копируется на CD, транслируется в сети интернет-радиостанциями , распространяется в виде файлов . В общем, тем или иным образом поступает в устройство, способное его воспроизвести.

При воспроизведении нет ни шума магнитной плёнки, ни треска от царапин на виниловой пластинке, потому что обрабатываются только последовательности нулей и единиц.

Однако для того, чтобы из динамиков что-либо зазвучало, на них необходимо подать аналоговый сигнал. То есть, звук, описанный не нулями и единицами, а частотами электрических колебаний.

Предыдущие публикации:

Аналоговым называется сигнал, изменяющийся непрерывно. Самым распространенным является изменение во времени. На уровне макромира все сигналы об окружающем мире имеет аналоговый характер и именно в аналоговой форме они фиксируются соответствующими датчиками и преобразуются в сигналы другой природы, чаще всего в электрические. (Правда, из школьного курса известно, что в атомах все переходы происходят скачком, квантовано, но отдельные атомы к нашему рассмотрению не относятся).

В компьютере мы имеем дело с двоичным цифровым сигналом, который принимает только два дискретных значения, одному значению приписывается 0, а другому 1 .

В процессоре и оперативной памяти это соответствует наличию или отсутствию электрического заряда в элементарной ячейке памяти (или, что то же самое, наличию или отсутствию напряжения). Кстати, в компьютерах сигналу, где есть напряжение, приписывается значение 0, а отсутствие напряжение – это сигнал 1. Хотя на первый взгляд логичнее было бы наоборот.

На жестком диске 0 отвечает намагниченность участка диска в одну сторону, а 1 – в противоположную. На компакт дисках двоичный код вводится штамповкой углублений в пластмассе, а на записывающих дисках CD-R и CD-RW двоичный код образуется за счет потемнения информационного слоя под лучом лазера. А самая первая запись двоичного кода осуществлялась пробиванием отверстий в картоне. Есть отверстие – это 0 гладкая бумага – это 1.

То есть неважно, каким образом создается двоичный сигнал, лишь бы получилось два хорошо отличающихся друг от друга уровня.

Двоичный цифровой сигнал в природе не встречается, он создается человеком. Человеку удобно работать с информацией, записанной в цифровой форме. Можно сказать, что мы присутствуем при создании человечеством своей собственной цифровой Вселенной. Человеческое общество создало множество дискретных вещей. Например, текст – он состоит из отдельных дискретных букв, и никакой непрерывности здесь нет. Для текста и других дискретных материалов, созданных человеком, цифровые компьютерные технологии лучше подходят, чем аналоговые.

Если сравнить цифровую и аналоговую электронику, то цифровые устройства обработки видео и звука – это всегда аппаратура более высокого класса, чем аналоговые устройства. Цифровая техника становится все более качественной и престижной.

По сравнению с аналоговым, цифровой сигнал имеет два плюса и один минус. Рассмотрим их по порядку.

1. С помощью аналогового сигнала в принципе нельзя передать информацию без искажений, цифровой сигнал позволяет передать информацию полностью без искажений.

Почему так происходит? В ходе передачи в линии связи всегда возникают какие-то помехи, искажающие передаваемый сигнал (пунктирные линии на рисунке). Не возникает помех только в идеальном случае, который, как всякий идеал, недостижим. А приемник не может восстановить исходный сигнал, поскольку информацией об исходном сигнале владеет только передатчик.

Совершенно другая ситуация наблюдается с цифровым сигналом. Здесь тоже при передаче возникают помехи – куда же от них денешься (пунктирные линии на рисунке). Но на приеме стоит задача распознать каждый сигнал как 0 или 1 – середины нет. И если все 0 и 1 распознаны правильно, то это значит, что информация передана без искажений.

Помехи могут возникать не только при передаче информации на большие расстояния. Внутри какого-нибудь устройства (телевизор, компьютер и пр.) тоже могут возникать сильные наводки и помехи.

Из сказанного следует два важных вывода.

а) Цифровая техника работает более надежно.

б) Ипульсный (цифровой) способ передачи информации позволяет создать неограниченное число абсолютно идентичных копий.

В аналоговом сигнале каждая стадия копирования будет сопровождаться появлением помех, с ростом стадий последовательного копирования качество сигнала становится все хуже, в конце концов информация совсем перестает читаться.

В цифровом сигнале помехи можно устранить, поскольку известно, что надо устранять – все, что отличается от 0 и 1. И с каждой последующей копии можно делать новую копию, точно так же, как и с оригинала. Правда это достоинство имеет неприятные последствия, поскольку создает почву для пиратства и несанкционированного использования чужой интеллектуальной собственности.