Аналоговый и цифровой сигнал. Передача сигналов

Размещено на http://www.allbest.ru/

МИНИСТЕРСВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ

«НОВОСИБИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧИСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»

Кафедра «Конструирования и технологии радиоэлектронных средств»

САМОСТОЯТЕЛЬНАЯ РАБОТА

тема: «Аналоговый и цифровой сигнал. Передача сигналов»

Факультет: РЭФ

Группа: РКС10-52

Студентка: Дубова С.С.

Преподаватель: Дорогой С.В.

Новосибирск, 2015

• Содержание
• Введение
• Глава 1. Аналоговый и цифровой сигнал
• 1.1 Сигнал
• 1.1.1 Классификация сигналов
• 1.2 Цифровой сигнал
• 1.2.1 Цифровая обработка сигналов
• 1.2.2 Цифровой фильтр
• 1.3 Аналоговый сигнал
• 1.3.1 Аналоговая обработка сигналов
• 1.3.2 Аналоговый фильтр
• 1.4 Сравнение аналогово и цифрового фильтров
• Глава 2. Передача сигнала по каналу связи
• Заключение
• Список литературы

Введение

Современный человек не задумывается о природе сигналов, а вот о разнице между аналоговым и цифровым вещанием мы задумываемся довольно часто. Считается, что аналоговые технологии уходят в прошлое, и вскоре будут полностью заменены на цифровые. Стоит знать, от чего мы отказываемся в угоду новым веяниям.

Задачей данной работы является ознакомление с различными видами сигналов, в частности, цифрового и аналогового сигналов. А также способов передачи сигналов в современном мире.

Целью работы является сравнение цифрового и аналогового сигнала. Выявление их достоинств и недостатков.

Глава 1. Аналоговый и цифровой сигнал

1.1 Сигнал

Сигнал (в теории информации и связи) -- материальный носитель информации, используемый для передачи сообщений в системе связи. Сигнал может генерироваться, но его приём не обязателен, в отличие от сообщения, которое рассчитано на принятие принимающей стороной, иначе оно не является сообщением. Сигналом может быть любой физический процесс, параметры которого изменяются (или находятся) в соответствии с передаваемым сообщением.

1.1.1 Классификация сигналов

По физической природе носителя информации:

1. электрические;

2. электромагнитные;

3. оптические;

4. акустические.

По способу задания сигнала:

1. регулярные (детерминированные);

2. нерегулярные (случайные).

Зависящие от функции, описывающей параметры сигнала:

1. непрерывные (аналоговые), описываемые непрерывной функцией;

2. дискретные сигналы, квантованные по уровню (цифровые);

3. дискретные, описываемые функцией отсчётов, взятых в определённые моменты времени;

4. квантованные по уровню.

1.2 Цифровой сигнал

аналоговый цифровой сигнал

Цифровой сигнал -- сигнал, который можно представить в виде последовательности дискретных (цифровых) значений. В наше время наиболее распространены двоичные цифровые сигналы в связи с простотой кодирования и используемостью в двоичной электронике. Для передачи цифрового сигнала по аналоговым каналам используются различные виды модуляции.

Важным свойством цифрового сигнала, определившего его доминирование в современных системах связи, является его способность к полной регенерации в ретрансляторе. Когда в ретранслятор приходит сигнал с небольшими помехами, он преобразуется в цифровую форму, и ретранслятор заново формирует сигнал, полностью убирая искажения.

С другой стороны, если цифровой сигнал приходит с большими помехами, восстановить его невозможно (эффект крутой скалы). Выход из данной ситуации -- чаще регенерировать цифровой сигнал, вставляя регенераторы в разрыв линии связи, или уменьшать длину линии связи (например, уменьшать расстояние от сотового телефона до базовой станции, что достигается более частым расположением базовых станций на местности).

Использование в цифровых системах алгоритмов проверки и восстановления цифровой информации позволяет существенно увеличить надёжность передачи информации.

1.2.1 Цифровая обработка сигналов

Цифровая обработка сигналов -- преобразование сигналов, представленных в цифровой форме.

Любой непрерывный (аналоговый) сигнал может быть подвергнут дискретизации по времени и квантованию по уровню (оцифровке), то есть представлен в цифровой форме.

При помощи математических алгоритмов полученный дискретный сигнал преобразуется в некоторый другой сигнал, имеющий требуемые свойства. Процесс преобразования сигналов называется фильтрацией, а устройство, выполняющее фильтрацию, называется фильтром. Поскольку отсчёты сигналов поступают с постоянной скоростью (частота дискретизации сигналов), фильтр должен успевать обрабатывать текущий отсчет до поступления следующего, то есть обрабатывать сигнал в реальном времени. Для обработки сигналов в реальном времени применяют специальные вычислительные устройства -- цифровые сигнальные процессоры.

Всё это полностью применимо не только к непрерывным сигналам, но и к прерывистым, а также к сигналам, записанным на запоминающие устройства. В последнем случае скорость обработки непринципиальна, так как при медленной обработке данные не будут потеряны.

Различают методы обработки сигналов во временной и в частотной области.

Обработка сигналов во временной области широко используется в современной электронной осциллографии и в цифровых осциллографах. Для представления сигналов в частотной области используются цифровые анализаторы спектра.

В последние годы при обработке сигналов и изображений широко используется новый математический базис представления сигналов с помощью «коротких волночек» -- вейвлетов. С его помощью могут обрабатываться нестационарные сигналы, сигналы с разрывами и иными особенностями, сигналы в виде пачек.

1.2.2 Цифровой фильтр

Цифровой фильтр -- в электронике любой фильтр, обрабатывающий цифровой сигнал с целью выделения и/или подавления определённых частот этого сигнала.

Цифровые фильтры на сегодняшний день применяются практически везде, где требуется обработка сигналов, в частности в спектральном анализе, обработке изображений, обработке видео, обработке речи и звука и многих других приложениях.

1.3 Аналоговый сигнал

Аналоговый сигнал -- сигнал данных, у которого каждый из представляющих параметров описывается функцией времени и непрерывным множеством возможных значений.

Отсутствие чётко отличимых друг от друга дискретных уровней сигнала приводит к невозможности применить для его описания понятие информации в том виде, как она понимается в цифровых технологиях. Содержащееся в одном отсчёте «количество информации» будет ограничено лишь динамическим диапазоном средства измерения.

Отсутствие избыточности. Из непрерывности пространства значений следует, что любая помеха, внесенная в сигнал, неотличима от самого сигнала и, следовательно, исходная амплитуда не может быть восстановлена. В действительности фильтрация возможна, например, частотными методами, если известна какая-либо дополнительная информация о свойствах этого сигнала (в частности, полоса частот).

1.3.1 Аналоговая обработка сигналов

Аналоговая обработка сигналов -- любая обработка, производящаяся над аналоговыми сигналами аналоговыми средствами. В более узком смысле -- математический алгоритм, обрабатывающий сигнал, представленный аналоговой электроникой, в котором математические значения представлены непрерывными физическими величинами, например, напряжением, электрическим током или электрическим зарядом. Небольшая ошибка или шум в сигнале будет представлен в результирующей ошибке обработанного сигнала.

Первыми электронными приборами для обработки аналоговых сигналов были электронные лампы, затем их сменили транзисторы. Сегодня одним из основных элементов для аналоговой обработки сигнала является операционный усилитель (ОУ).

Аналоговая обработка сигнала любой сложности может осуществляться комбинацией трех основных электро-радио элементов (ЭРИ):

1. операционный усилитель (транзистор);

2. резистор;

3. конденсатор.

1.3.2 Аналоговый фильтр

Аналоговый фильтр -- разновидность электронных, механических, или звуковых фильтров, имеющих дело с аналоговыми или непрерывными сигналами, такими как напряжение, звук или механическое движение. В отличие от них цифровые фильтры имеют дело с дискретными сигналами.

Аналоговые фильтры используются главным образом для обработки сигналов в электронике. Электронные аналоговые фильтры состоят обычно из конденсаторов, катушек индуктивности и резисторов.

В настоящее время во многих приложениях вместо аналоговых фильтров используются цифровые, однако в некоторых приложениях замены аналоговым фильтрам нет.

1.4 Сравнение аналогового и цифрового фильтров

1. Стоимость: цифровые фильтры в целом дешевле аналоговых, поскольку обычно не требуют сложной элементной базы (катушки индуктивности, конденсаторы, резисторы, операционные усилители), хотя иногда требуются платы цифро-аналогового, аналого-цифрового преобразования, микроконтроллеры и т. п.

2. Скорость: скорость работы аналоговых фильтров выше скорости цифровых фильтров.

3. Шум квантования: цифровые фильтры могут иметь значительный шум квантования, тогда как аналоговые фильтры лишены этого недостатка.

4. Внешний шум: цифровой сигнал практически невозможно изменить под действием внешнего шума, поэтому цифровые фильтры очень устойчивы ко внешним возмущающим сигналам и шумам. Аналоговые фильтры подвержены этому влиянию.

5. Дрейф характеристик: цифровые фильтры обладают неизменными во времени характеристиками, тогда как электрические элементы, на которых построены аналоговые фильтры могут иметь дрейф характеристик по времени.

6. Динамический диапазон: отношение амплитуд максимального и минимального сигналов, с которыми может работать фильтр, для аналоговых фильтров обычно много выше, чем для цифровых фильтров.

7. Частотный диапазон: частотный диапазон цифровых фильтров ограничивается частотой Найквиста, тогда как для аналоговых фильтров подобного ограничения нет.

Глава 2. Передача сигнала по каналу связи

В цифровой системе передача сигнала по каналу связи происходит только в цифровой форме. На передающей стороне системы цифрового телевидения сигнал может быть преобразован из исходной аналоговой формы в цифровую или получен сразу в цифровом формате. По способу приема системы цифрового телевидения можно условно разделить на два вида. В одних системах используется преобразование сигнала из цифровой формы в аналоговую, а в других прием осуществляется сразу в цифровой форме без дополнительных преобразований. Определяющим фактором при этом является только способность телевизора декодировать цифровой сигнал.

Рассмотрим подробнее, как происходит преобразование аналогового сигнала в цифровой для передачи по каналу и обратное ему восстановление аналогового сигнала из цифрового для его отображения аналоговым телевизионным приемником. Исходный телевизионный сигнал является аналоговым поскольку, он повторяет распределение яркости на пути развертки изображения. Для получения цифрового сигнала необходимо выполнить преобразование аналогового сигнала в цифровой поток некоторых дискретных значений. Эту процедуру называют аналого-цифровым преобразованием.

Обычно ее представляют в виде последовательности трех операций: дискретизации, квантования и кодирования. Все три операции выполняет аналогово-цифровой преобразователь (АЦП). На выходе АЦП получаем сигнал, представляющий собой поток импульсов, следующих друг за другом с некоторой тактовой частотой или скоростью, которая определяется частотой дискретизации аналогового сигнала и числом квантованных значений его амплитуды и называется битовой скоростью. Сигнал, поступающий с выхода АЦП, имеет только два распознаваемых состояния: одно условно определяется как низкое, а второе условно определяется как высокое. Эти состояния в цифровой технике называются соответственно логическим нулем “О” и логической единицей “1”, а вместе двоичными символами или битами. Таким образом, нулю соответствует импульс с низким уровнем, а единице соответствует импульс с высоким уровнем.

Заключение

На практике имеем то, что аналоговый сигнал сопровождается большим количеством помех, тогда как цифровой их успешно отфильтровывает. Последний же способен восстанавливать исходные данные. Кроме того, непрерывный аналоговый сигнал часто несет в себе много лишней информации, что приводит к его избыточности - несколько цифровых сигналов можно передать вместо одного аналогового.

Если говорить о телевидении, а именно эта сфера своим переходом на “цифру” волнует большинство потребителей, то можно считать аналоговый сигнал совершенно себя изжившим. Однако пока что аналоговые сигналы принимает любая предназначенная для этого техника, а цифровой требует специальной. Правда, с распространением “цифры” аналоговых телевизоров все меньше и спрос на них катастрофически уменьшается.

Еще одна важная характеристика сигнала - безопасность. В этом отношении аналоговый демонстрирует полную беззащитность перед влияниями или вторжениями извне. Цифровой же шифруется посредством присвоения ему кода из радиоимпульсов, так что любое вмешательство исключено. На большие расстояния цифровые сигналы передавать сложно, потому используется схема модуляции-демодуляции.

Список литературы

1. https://ru.wikipedia.org/wiki/Сигнал

2. https://ru.wikipedia.org/wiki/Аналоговый_сигнал

3. https://ru.wikipedia.org/wiki/Аналоговая_обработка_сигналов

4. https://ru.wikipedia.org/wiki/Аналоговый_фильтр

5. https://ru.wikipedia.org/wiki/Цифровой_сигнал

6. https://ru.wikipedia.org/wiki/Цифровая_обработка_сигналов

7. https://ru.wikipedia.org/wiki/Цифровой_фильтр

8. http://www.kabelseti.ru/666/peredacha-signala-po-kanalu-svyazi

Размещено на Allbest.ru