Аналоговые и цифровые устройства

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

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

Отличия цифрового ТВ от аналогового

Не буду тут лить «воду» про цифровые и аналоговые сигналы, кому это интересно? Да никому. Давайте лучше рассмотрим практическую разницу в использовании.

Оборудование

Итак, для просмотра аналогового телевидения необходима обычная эфирная антенна (в квартире, на крыше) или подключенное, в какой-нибудь компании, кабельное телевидение. Из-за специфики работы аналогового сигнала (все-таки пришлось написать про сигналы) изображение может всячески искажаться под воздействием внешних источников помех.

В свою очередь, для просмотра цифрового телевидения, наличием обычной антенной не обойтись. Около телевизора придется установить ресивер (декодер зашифрованного цифрового сигнала), который будет преобразовывать полученные данные в изображение, и выводить картинку на экран телевизора.

Хорошим примером является Интерактивное ТВ от Ростелеком, про которое я очень подробно писал в статье.

Цифровое спутниковое ТВ немного отличается от предыдущего примера. И если вы хотите смотреть именно спутниковое телевидение, то придется установить на стене своего частного или многоквартирного дома спутниковую антенну («тарелку»). На этот раз, в качестве примера можно привести компанию «Триколор ТВ».

Естественно, провайдер спутникового ТВ предоставит вам все необходимое оборудование и установит антенну. А вот уже количество каналов будет зависеть от выбранного пакета услуг.

Качество изображения

Без сомнения, цифровое телевидение лидирует в этом вопросе по всем параметрам. Вот некоторые очевидные плюсы «цифры»:

• Не теряет качество сигнала, если передается на очень отдаленные расстояния;
• На изображении не может быть бликов, «снега», искажения картинки и других распространенных, при просмотре аналогового телевидения, недостатков;
• Возможность подключения каналов в HD качестве. Можно было смело ставить этот пункт первым с списке, так как изображение высокой четкости — это мечта любого телезрителя, у которого большая диагональ экрана телевизора.

Другие возможности

Несомненно, помимо качества изображения, у IPTV есть много других преимуществ:

Что-то я с писаниной разошелся не на шутку, пора заканчивать.

Устройства аналоговые и цифровые

Органы
чувств человека так устроены, что он
способен принимать, хранить и обрабатывать
аналоговую информацию. Многие устройства,
созданные человеком, тоже работают с
аналоговой информацией.

1.Телевизор
— это аналоговое устройство. Внутри
телевизора есть кинескоп. Луч кинескопа
непрерывно перемещается по экрану. Чем
сильнее луч, тем ярче светится точка, в
которую он попадает. Изменение свечения
точек происходит плавно и непрерывно.

2.Монитор
компьютера тоже похож на телевизор, но
это устройство цифровое. В нём яркость
луча изменяется не плавно, а скачком
(дискретно). Луч либо есть, либо его нет.
Если он есть, мы видим яркую точку (белую
или цветную). Если луча нет, мы видим
черную точку. Поэтому изображения на
экране монитора получаются более
четкими, чем на экране телевизора.

К
цифровым устройствам относятся
персональные компьютеры — они работают
с информацией, представленной в цифровой
форме. Цифровыми также являются
музыкальные проигрыватели лазерных
компакт-дисков, поэтому музыкальные
компакт-диски можно воспроизводить на
компьютере. Недавно началось создание
цифровой телефонной связи, а в ближайшие
годы ожидается и появление цифрового
телевидения.

http://academy.cross-kpk.ru/bank/2/012/ustr.htm

Значительный
прогресс в развитии многих областей
науки и техники обусловлен развитием
электроники. В настоящее время невозможно
найти какую-либо отрасль промышленности,
в которой не использовались бы электронные
приборы или электронные устройства
измерительной техники, автоматики и
вычислительной техники. Причем тенденция
развития такова, что доля электронных
информационных устройств и устройств
автоматики непрерывно увеличивается.
Это является результатом развития
интегральной технологии, внедрение
которой позволило наладить массовый
выпуск дешевых, высококачественных
микроэлектронных функциональных узлов
различного назначения.

В
настоящее время промышленность выпускает
все электронные функциональные узлы,
необходимые для создания устройств
измерительной и вычислительной техники:
интегральные усилители, коммутаторы,
логические элементы, цифровые устройства
и т.д. Типовые электронные узлы позволяют
собрать нужный электронный блок без
детального расчета отдельных каскадов.

Необходимо
только подобрать интегральные микросхемы,
разработать схему их соединения и ввести
обратные связи требуемого вида.

В
целом электроника включает в себя два
направления: энергетическое (силовое),
связанное с преобразованием переменного
и постоянного токов для нужд
электроэнергетики, металлургии,
электротяги и т.д., и информационное, к
которому относятся электронные средства,
обеспечивающие измерения, контроль и
управление различными процессами во
многих инженерных и неинженерных
областях.

Настоящее
пособие «Аналоговая и цифровая
электроника» посвящено, в основном,
информационной электронике и написано
в соответствии с программой курса
“Аналоговая и цифровая электроника”
для студентов, обучающихся по специальностям
220500 “Конструирование и технология ЭВС”
и 200800 “Проектирование и технология
радиоэлектронных средств”.

Учебное
пособие состоит из четырех разделов. В
первом разделе рассмотрена элементная
база электронных устройств, второй
посвящен вопросам построения аналоговых
и импульсных электронных устройств,
третий цифровой электронике и четвертый
раздел содержит информацию по электронным
устройствам хранения и преобразования
информации.

В
данном учебном пособии изложены в сжатой
и доступной форме основные разделы
программы курса, рассмотрены принципы
функционирования, выбора и практической
реализации электронных устройств
различного назначения, методы их анализа
и расчета

Особое внимание уделяется
вопросам практического построения
аналоговых и цифровых электронных
устройств

Цели обработки сигналов.

Главная цель обработки сигналов заключается в необходимости получения содержащейся в них
информации. Эта информация обычно присутствует в амплитуде сигнала (абсолютной или относительной),
в частоте или в спектральном составе, в фазе или в относительных временных зависимостях
нескольких сигналов.

Как только желаемая информация будет извлечена из сигнала, она может быть использована
различными способами. В некоторых случаях желательно переформатировать информацию, содержащуюся
в сигнале.

В частности, изменение формата сигнала происходит при передаче звукового сигнала в телефонной
системе с многоканальным доступом и частотным разделением (FDMA). В этом случае используются
аналоговые методы, чтобы разместить несколько голосовых каналов в частотном спектре для передачи
через радиорелейную станцию СВЧ диапазона, коаксиальный или оптоволоконный кабель.

В случае цифровой связи аналоговая звуковая информация сначала преобразуется в цифровую с
использованием АЦП. Цифровая информация, представляющая индивидуальные звуковые каналы,
мультиплексируется во времени (многоканальный доступ с временным разделением, TDMA) и передается по
последовательной цифровой линии связи (как в ИКМ-системе).

Еще одна причина обработки сигналов заключается в сжатии полосы частот сигнала (без
существенной потери информации) с последующим форматированием и передачей информации на
пониженных скоростях, что позволяет сузить требуемую полосу пропускания канала. В
высокоскоростных модемах и системах адаптивной импульсно-кодовой модуляции (ADPCM) широко
используются алгоритмы устранения избыточности данных (сжатия), так же как и в цифровых системах
мобильной связи, системах записи звука MPEG, в телевидении высокой четкости (HDTV).

Промышленные системы сбора данных и системы управления используют информацию, полученную от
датчиков, для выработки соответствующих сигналов обратной связи, которые, в свою очередь,
непосредственно управляют процессом

Обратите внимание, что эти системы требуют наличия как АЦП и
ЦАП, так и датчиков, устройств нормализации сигнала (signal conditioners) и DSP (или микроконтроллеров)

В некоторых случаях в сигнале, содержащем информацию, присутствует шум, и основной целью
является восстановление сигнала. Такие методы, как фильтрация, автокорреляция, свертка и т.д.,
часто используются для выполнения этой задачи и в аналоговой, и в цифровой областях.

ЦЕЛИ ОБРАБОТКИ СИГНАЛОВ

Извлечение информации о сигнале (амплитуда, фаза, частота, спектральные составляющие,временные
соотношения)
Преобразование формата сигнала (телефония с разделением каналов FDMA, TDMA, CDMA)
Сжатие данных (модемы, сотовые телефоны, телевидение HDTV, сжатие MPEG)
Формирование сигналов обратной связи (управление промышленными процессами)
Выделение сигнала из шума (фильтрация, автокорреляция, свертка)
Выделение и сохранение сигнала в цифровом виде для последующей обработки (БПФ)

Сравнение аналоговой и цифровой обработки сигналов

Сегодняшний инженер стоит перед выбором надлежащей комбинации аналоговых и цифровых методов
для решения задачи обработки сигналов. Невозможно обработать физические аналоговые сигналы,
используя только цифровые методы, так как все датчики (микрофоны, термопары, пьезоэлектрические
кристаллы, головки накопителя на магнитных дисках и т.д.) являются аналоговыми устройствами.

Некоторые виды сигналов требуют наличия цепей нормализации для дальнейшей обработки сигналов
как аналоговым так и цифровым методом. Цепи нормализации сигнала — это аналоговые процессоры,
выполняющие такие функции как усиление, накопление (в измерительных и предварительных (буферных)
усилителях), обнаружение сигнала на фоне шума (высокоточными усилителями синфазного сигнала,
эквалайзерами и линейными приемниками), динамическое сжатие диапазона (логарифмическими
усилителями, логарифмическими ЦАП и усилителями с программируемым коэффициентом усиления) и
фильтрация (пассивная или активная).

Несколько методов реализации процесса обработки сигналов показано на рисунке 1. В верхней области
рисунка изображен чисто аналоговый подход

В остальных областях изображена реализация DSP.
Обратите внимание, что, как только выбрана DSP технология, следующим решением должно быть
определение местоположения АЦП в тракте обработки сигнала

ОБРАБОТКА АНАЛОГОВЫХ И ЦИФРОВЫХ СИГНАЛОВ

Рисунок 1. Способы обработки сигналов

Вообще, поскольку АЦП перемещен ближе к датчику, большая часть обработки аналогового сигнала
теперь производится АЦП. Увеличение возможностей АЦП может выражаться в увеличении частоты
дискретизации, расширении динамического диапазона, повышении разрешающей способности, отсечении
входного шума, использовании входной фильтрации и программируемых усилителей (PGA), наличии
источников опорного напряжения на кристалле и т.д. Все упомянутые дополнения повышают
функциональный уровень и упрощают систему.

При наличии современных технологий производства ЦАП и АЦП с высокими частотами дискретизации и
разрешающими способностями существенный прогресс достигнут в интеграции все большего числа
цепей непосредственно в АЦП /ЦАП.

В сфере измерений, например, существуют 24-битные АЦП со встроенными программируемыми
усилителями (PGA), которые позволяют оцифровывать полномасштабные мостовые сигналы 10 mV
непосредственно, без последующей нормализации (например серия AD773x).

На голосовых и звуковых частотах распространены комплексные устройства кодирования-декодирования&nbp;—
кодеки (Analog Front End, AFE), которые имеют встроенную в микросхему аналоговую схему,
удовлетворяющую минимуму требований к внешним компонентам нормализации (AD1819B и AD73322).

Существуют также видео-кодеки (AFE) для таких задач, как обработка изображения с помощью ПЗС (CCD), и
другие (например, серии AD9814, AD9816, и AD984X).

От аналога к цифре в эфире российский вариант

Учитывая преимущества цифры, мировое сообщество начало переход на современные стандарты вещания в начале 2000-х годов. Во всех странах этот процесс шел (и продолжает идти) одновременно с «оптимизацией» радиоэфира, который активно используется не только телевизионщиками, но и мобильными операторами, военными и другими потребителями.

За счет сжатия в 1 аналоговый телевизионный канал, к примеру, в стандарте DVB-T2, позволяет уместить до 10 цифровых каналов приблизительно с тем же качеством картинки. Кроме того, часть спектра позволяет высвободить упомянутое выше снижение мощности передатчиков. Внутри одной страны эти процессы регулируются государством, а в масштабах континента – различными межгосударственными соглашениями.

Согласно одному из таких соглашений, российские приграничные территории должны со временем прекратить вещать в аналоговом формате. Так что переход с аналогового на цифровое телевидение определяет не только стремление к новым технологиям, но и ответственность перед ближайшими соседями.

Переход от аналогового к цифровому телевидению в эфире в нашей стране начался в 2009 году. За основу на тот момент был взят стандарт DVB-T, уже внедрявшийся в ряде европейских стран.

Надо понимать, что телевидение – это цепочка взаимодействия целого списка посредников между производителем контента и его потребителем, у каждого из которых есть парк аналогового оборудования, подлежащего замене. Государственный проект подразумевает обновление лишь части этой цепочки – распределительного и передающего оборудования.

В некоторых случаях государство помогает с закупкой нового съемочного оборудования телестудиям.

Но зрителям приходится думать о замене «приемников» самостоятельно. Все эти сложности и не дают в один момент перейти на новый стандарт, где бы подобные преобразования не предпринимались.

А в нашей стране переход пошел еще сложнее. Вначале был взят очень высокий темп, но спустя несколько лет «коней сменили на переправе», сэкономив время на очередном эволюционном шаге: было принято решение внедрять более совершенное второе поколение «эфирного» стандарта – DVB-T2, обеспечивающего размещение большего числа цифровых каналов на частотной полосе аналогового канала (по сравнению с DVB-T).

Надо отметить, что при этом переход так и не подразумевает какого-то увеличения разрешения транслируемой картинки. Проект включает только смену способа ее представления, а HD-качества в эфире нам следует ждать лишь в отдаленном будущем (стандарт поддерживает HD, но на уровне государства принято решение эту тему пока не трогать).

На сегодняшний день передатчики DVB-T2 работают уже практически по всей стране. Где-то пока включен только 1 мультиплекс (пакет, занимающий место одного аналогового канала); в других районах включили уже второй. Это значит, что, имея соответствующее приемное оборудование, из эфира бесплатно можно смотреть 20 каналов в приличном качестве.

Хотя с самого начала перехода речь шла о том, что к 2015 году наша страна должна полностью перейти на цифру и отключить аналог, пока вопрос отключения отложили, поэтому аналоговое телевидение продолжает функционировать.

Фото:
компании-производители

1. Понятие о цифровых сигналах

Во
всем
мире
сейчас
активно
развивается
цифровая
телефония,
i
i
юство
цифровой
телефонной
связи
значительно
выше,
чем
обыч-II’Hi,
поскольку
цифровые
сигналы
меньше
боятся
всякого
рода
по­мех.
Цифровой
телефон
позволяет
предоставить
нам
массу
дополни-ини.ных
услуг.
Появляется
возможность
к
одной
и
той
же
телефонной
мпмии
подключить,
казалось
бы,
внешне
совершенно
различные
уст­ройства
— телефонный
аппарат
и
персональный
компьютер.
Через
цифровую
телефонную
сеть
владельцам
персональных
компьютеров
открывается
доступ
к
банкам
данных
с
широким
ассортиментом
ин­формации.

В
наши
дома
приходит
цифровое
кабельное
телевидение,
даю­щее
необыкновенную
четкость
изображения
и
сочность
красок;
на
прилавках
магазинов
мы
можем
увидеть
аппаратуру
цифровой
зву-и
видеозаписи,
обеспечивающую
уникальное
качество
звука
и
и
шбражения.

Что
же
такое
цифровой
сигнал?
Впервые
мы
столкнулись
с
ним,
ми
да
обсуждали
факсимильный
сигнал,
полученный
с
черно-белого
изображения,
не
содержащего
полутонов.
Такой
цифровой
сигнал
п.ц.1зан
на
рис.
1.12. Однако
реальный
факсимильный
сигнал
чаще
бывает
не
цифровым,
а
аналоговым.
Цифровыми
сигналами
являются
телеграфные
сигналы
и
сигналы
ипродачи
данных,
вырабатываемые
компьютерами
(см.
рис.
1.14).

Такимобразом,
можносказать,
чтоцифровойсигнал
— этопо—i
пидовательностьимпульсов.
Если
принять
условно
факт
наличия
нмпульра
за
1, а
факт
его
отсутствия
за
0, то
импульсную
последовательность
можно
представить
как
чередование
двух
цифр:
0 и
1.

Отсюда
и
появилось
название
«цифровой
сигнал».
Число,
которое
принимает
только
два
значения:
0 и
1, называется
«двоичной
цифрой».
В
переводе
на
английский
это
звучит
как
«binary
digit».
В
практике
широко
вошло
сокращение,
составленное
из
начальных
и
конечных
английского
словосочетания,
т.е.
слово
«bit»,
что
на
английском
читается
как
бит.
Итак,
одна
позиция
в
цифровом
сигнале
есть
1 бит;
это может
быть
либо
0, либо
1. Восемь
позиций
в
цифровом
сигнале
объединяется
понятием
байт.

При
передаче
цифровых
сигналов
естественным
образом
вводит­ся
понятие
скоростипередачи
— это
количество
бит,
передаваемых
в
единицу
времени,
чаще
всего
— в
секунду.

Аналоговые каналы связи

Аналоговые каналы связи являются наиболее распространенными по причине длительной истории их развития и простоты реализации. Типичным примером аналогового канала является канал тональной частоты (телефония).

Необходимость в модуляции аналоговой информации возникает, когда нужно передавать низкочастотный аналоговый сигнал через канал, находящийся в высокочастотной области спектра.

Примерами такой ситуации является передача голоса по радио и телевидению. Голос имеет спектр шириной примерно в 10кГц, а радиодиапазоны включают гораздо более высокие частоты, от 30кГц до 300МГц. Еще более высокие частоты используются в телевидении. Очевидно, что непосредственно голос через такую среду передать нельзя.

Модуляцией называется преобразование сигнала, заключающееся в изменении какого-либо его информационного параметра в соответствии с передаваемым сообщением.

Передаваемая информация заложена в управляющем (модулирующем) сигнале, а роль переносчика информации выполняет высокочастотное колебание, называемое несущим. Модуляция, таким образом, представляет собой процесс «посадки» информационного колебания на заведомо известную несущую.

Аналоговая модуляция является таким способом физического кодирования, при котором информация кодируется изменением амплитуды, частоты или фазы синусоидального сигнала несущей частоты.

Амплитудная модуляция (AM) — модуляция при которой амплитуда несущего колебания управляется информационным (модулирующим) сигналом.

Частотная модуляция (FM) — модуляция при которой частота несущего колебания управляется информационным (модулирующим) сигналом.

Фазовая модуляция (PM) — модуляция при которой фаза несущего колебания управляется информационным (модулирующим) сигналом.

Цифровые каналы связи

К цифровым каналам связи относятся каналы ISDN, T1/E1.

При передаче дискретных данных по каналам связи применяются два основных типа физического кодирования — на основе синусоидального несущего сигнала и на основе последовательности прямоугольных импульсов. Первый способ часто называется аналоговой модуляцией или манипуляцией, подчеркивая тот факт, что кодирование осуществляется за счет изменения параметров аналогового сигнала. Второй способ обычно называют цифровым кодированием. Эти способы отличаются шириной спектра результирующего сигнала и сложностью аппаратуры, необходимой для их реализации.

Аналоговая модуляция дискретных данных

Необходимость применения аналоговой модуляции к передаче дискретных данных возникает, при необходимости передачи компьютерных данных по телефонным каналам.

Устройство, которое выполняет функции модуляции несущей синусоиды на передающей стороне и демодуляции на приемной стороне, носит название модем (модулятор — демодулятор).

Основные способы аналоговой модуляции дискретных данных:

При амплитудной модуляции AM для логической единицы выбирается один уровень амплитуды синусоиды несущей частоты, а для логического нуля — другой. Этот способ редко используется в чистом виде на практике из-за низкой помехоустойчивости, но часто применяется в сочетании с другим видом модуляции — фазовой модуляцией.

При частотной модуляции FM значения 0 и 1 исходных данных передаются синусоидами с различной частотой . Этот способ модуляции не требует сложных схем в модемах и обычно применяется в низкоскоростных модемах, работающих на скоростях 300 или 1200 бит/с.При фазовой модуляции PM значениям данных 0 и 1 соответствуют сигналы одинаковой частоты, но с различной фазой, например 0 и 180 градусов или 0,90,180 и 270 градусов.

В скоростных модемах часто используются комбинированные методы модуляции, как правило, амплитудная, в сочетании с фазовой.

Цифровое кодирование каналов связи

При цифровом кодировании дискретной информации применяют потенциальные и импульсные коды.

В потенциальных кодах для представления логических единиц и нулей используется только значение потенциала сигнала, а его перепады, формирующие законченные импульсы, во внимание не принимаются. Импульсные коды позволяют представить двоичные данные либо импульсами определенной полярности, либо частью импульса — перепадом потенциала определенного направления

Требования к методам цифрового кодирования:

• имел при одной и той же битовой скорости наименьшую ширину спектра результирующего сигнала;
• обеспечивал синхронизацию между передатчиком и приемником;
• обладал способностью распознавать ошибки;
• обладал низкой стоимостью реализации.

Более узкий спектр цифровых сигналов позволяет на одной и той же линии (с одной и той же полосой пропускания) добиваться более высокой скорости передачи данных. Кроме того, часто к спектру сигнала предъявляется требование отсутствия постоянной составляющей, то есть наличия постоянного тока между передатчиком и приемником. В частности, применение различных трансформаторных схем гальванической развязки препятствует прохождению постоянного тока.

Синхронизация передатчика и приемника нужна для того, чтобы приемник точно знал, в какой момент времени необходимо считывать новую информацию с линии связи. Эта проблема в сетях решается сложнее, чем при обмене данными между близко расположенными устройствами. На небольших расстояниях хорошо работает схема, основанная на отдельной тактирующей линии связи.

В сетях использование этой схемы вызывает трудности из-за:

• Неоднородности характеристик проводников в кабелях. На больших расстояниях неравномерность скорости распространения сигнала может привести к тому, что тактовый импульс придет настолько позже или раньше соответствующего сигнала данных, что бит данных будет пропущен или считан повторно.
• Экономия проводников в дорогостоящих кабелях.

Поэтому в сетях применяются так называемые самосинхронизирующиеся коды. Любой резкий перепад сигнала — так называемый фронт — может служить хорошим указанием для синхронизации приемника с передатчиком.