Виды сигналов, применяемые в телекоммуникации
Все сигналы, применяемые в телекоммуникациях, можно разделить на 2 основных вида: аналоговые и цифровые. Оба этих вида активно используются, однако различия между ними огромны и важны. Основным признаком такого разделения служит способ представления информации: аналоговый или цифровой.
Изначально в природе вся информация возникает и воспринимается в аналоговом виде, т.е. непрерывно и определена для любого момента времени. Зрение воспринимает объекты не каждую секунду или минуту, а непрерывно, и, соответственно, изменение какого-либо объекта также будет восприниматься человеком непрерывно. То же можно сказать и про звуки, вкусовые и осязательные ощущения и т.п. Для передачи такой информации удобнее всего использовать аналоговые сигналы, т.е. определенные для каждого момента времени.
Понять что такое аналоговый сигнал проще всего, представив себе непрерывную линию на графике, отражающую изменение какой-либо физической величины: температуры или давления. Если сопоставить значениям на графике напряжение, то мы получим аналоговый сигнал, амплитуда которого несет информацию о значении измеряемой величины.
Аналоговый сигнал
Аналоговые сигналы применялись долгое время во всех видах связи: телефонной сети, телевизионного радиовещания, военной связи и т.п. Для борьбы с помехами при передаче данного вида сигнала обычно используется увеличение мощности, т.к. чем выше мешающее воздействие, тем выше должна быть мощность сигнала, чтобы он мог быть принят без искажения. При этом данный метод борьбы будет давать результаты до тех пор, пока усиливаемый сигнал не начнет оказывать влияние на другие каналы связи. Кроме того этот способ борьбы очень энергетически не эффективен, потому как очень большая энергия сигнала рассеивается на тепло.
Однако аналоговые сигналы имеют и преимущества. В частности если аналоговый сигнал (например, речь) передавать по цифровому каналу, то необходимо будет провести аналого-цифровое преобразование, в результате которого качество сигнала будет снижено. На приемном конце потребуется обратная процедура (цифро-аналоговое преобразование) которое также немного снизит качество сигнала. Если передавать аналоговую информацию по аналоговому каналу, то этого удастся избежать.
Цифровой сигнал
Цифровая информация – это набор данных, т.е. она дискретна. Соответственно, цифровой сигнал определен только для отдельных моментов времени. Цифровую информацию принято кодировать двоичным кодом, например, «0» и «1». Соответственно и цифровой сигнал, как правило, принимает одно из двух возможных значений (реже используется 3 и более значения, например, для увеличения помехозащищенности или информационной емкости элементов сигнала). Таким образом, цифровой сигнал, представляет собой последовательность резко сменяющих друг друга значений. Причем, чем более резкий будет переход между уровнями сигнала, тем более точно можно будет декодировать исходный сигнал.
Цифровой сигнал имеет достаточно много преимуществ. Во-первых, он более помехоустойчив. Для защиты от ошибок в цифровой поток обычно вводится некоторая избыточность, которая позволяет выявить ошибки, которые могли возникнуть в ходе передачи или даже устранить их. Кроме того, цифровой сигнал энергетически эффективен, т.к. вводимая избыточность позволяет использовать меньшую мощность источника при передаче, чем при передаче аналогового сигнала. Также цифровой сигнал более эффективно использует выделяемые для передачи ресурсы связи.
Как отмечалось ранее, большая часть исходной информации непрерывна во времени и часто возникает ситуация когда такую информацию необходимо передать по цифровому каналу связи. Для того этого проводят процедуру аналого-цифрового преобразования (АЦП), которая несколько снижает качество исходного сигнала. На приемном конце необходимо выполнить обратную процедуру: цифро-аналоговое преобразование (ЦАП). Таким образом, передача по цифровому каналу речи, измерительных данных или любой другой аналоговой информации приведет к некоторой потере в качестве. Однако, благодаря высокой производительности цифровых сигнальных процессоров (digital signaling processor, DSP) и появлению широкополосных цифровых каналов вред от процедур АЦП/ЦАП сводится к минимуму.
Выбор типа сигнала (аналоговый или цифровой) в каждом конкретном отдельная задача. Обращается внимание на многие факторы, в том числе помехозащищенность и ширина полосы пропускания канала связи, необходимость передачи качества исходного сигнала и т.п. В сотовой связи преимущественно применяются цифровые сигналы. Главный вид информации, передаваемый по сотовым системам связи – это речь. АЦП и ЦАП, а также другие необходимые процедуры преобразования исходного сигнала производятся еще в мобильном телефоне и далее по системе связи передаются в цифровом виде.
Выбор именно цифрового способа передачи информации в сотовых системах связи обусловлен возможностью его кодирования и шифрования современными методами, возможностью передачи разнородной информации (сигнализации, речи, данных) по одним и тем же каналам за счет временного разделения каналов, а также высокой помехоустойчивостью цифровых сигналов.
При использовании материалов ссылка на сайт обязательна
—С автором сайта можно связаться по e-mail: ipleto@gmail.com
Основы радиолокации
Существуют два основных подхода к представлению и анализу процессов или сигналов: во временной области и в частотной области .
В первом случае (во временной области) процесс или сигнал представляется в виде зависимости его физических параметров от времени. Графическое изображение выполняется в декартовой системе координат, где ось абсцисс является осью времени, а вдоль оси ординат откладывается амплитуда или мощность сигнала. Таким образом, представление во временной области показывает как изменяется сигнал с течением времени. Представление сигналов во временной области имеет место в индикаторах осциллографов.
Представление сигнала в частотной области показывает зависимость его физических параметров от частоты. Графическое представление сигнала в частотной области выполняется также в декартовой системе координат, где вдоль оси абсцисс откладывается частота, а вдоль оси ординат – амплитуда или мощность сигнала, как и при анализе во временной области. Такое представление показывает какое количество сигнала приходится на ту или иную частоту (полосу частот), входящую в спектр сигнала. Представление сигнала в частотной области соответствует изображению на экране анализатора спектра.На Рисунке 1 показано представление сигнала, состоящего из нескольких гармонических колебаний разной амплитуды и частоты, в трехмерном пространстве «амплитуда (мощность) – время – частота». Как можно видеть из рисунка, представление сигнала во временной области является его проекцией на плоскость «амплитуда (мощность) – время», а в частотной области – проекцией на плоскость «амплитуда (мощность) – частота».
Частотное представление сигнала является более компактным, особенно когда сигнал является составным и представляет собой смесь из колебаний различных амплитуд и частот. Так, сигнал, показанный на рисунке (сумма трех гармоник с различными амплитудами и частотами), в частотной области будет изображен в виде трех пиков, расставленных на оси частот. С другой стороны временное представление сигнала является традиционным и интуитивно понятным. Использование представления сигнала во временной области приводит нас к индикатору типа А. Такое представление важно, в первую очередь, для функционирования импульсных радиолокаторов, в которых дальность до цели определяется по времени запаздывания принятого эхо-сигнала. После измерения времени запаздывания и расчета дальности цели сигнал зачастую переводят в частотную область. Это дает возможность выявить наличие и количество допплеровских частот с тем, чтобы использовать эту информацию для распознавания цели. В радиолокаторах непрерывного излучения с частотной модуляцией (FMCW) дальность и, возможно, скорость цели определяются по текущему значению частоты эхо-сигнала в момент его приема. Поэтому в таких радиолокационных устройствах используется представление сигнала в частотной области.
Переход из временной области представления сигнала в частотную и обратно выполняется при помощи преобразования Фурье.
Издатель: Кристиан Вольф, Автор: Андрій Музиченко
Текст доступен на условиях лицензий: GNU Free Documentation License
а также Creative Commons Attribution-Share Alike 3.0 Unported License,
могут применяться дополнительные условия.
(Онлайн с ноября 1998 года)
Виды сигналов, модуляция
Аналоговая величина – величина, значения которой в заданном интервале изменяются непрерывно. Её конкретное значение зависит только от точности прибора, производящего измерения. Это, например, температура.
Дискретная величина – величина, значения которой изменяются скачкообразно. Например, число студентов в аудитории. Измерительный сигнал – сигнал, содержащий количественную информацию об измеряемой физической величине. Например, напряжение на выходе термоэлектрического преобразователя, измеряющего температуру.
Сигнал данных – форма представления сообщения данных с помощью физической величины, изменения одного или нескольких параметров которой, отображает его изменение.
В микропроцессорной технике сигналами являются электрические величины (ток, напряжение). Представляющий параметр сигнала данных – параметр сигнала данных, изменение которого отображает изменение сообщения данных (амплитуда, частота, фаза, длительность импульса, длительность паузы).
Аналоговый сигнал данных – сигнал данных, у которого каждый из представляющих параметров описывается функцией времени и непрерывным множеством возможных значений, т.е. аналоговые сигналы описываются непрерывной (или кусочно-непрерывной) функцией xa(t), причём сама функция и аргумент t могут принимать любые значения на некоторых интервалах
Аналоговый сигнал f (t) называется периодическим, если существует действительное число T, такое, что f (t + T) = f (t) для любых t, при этом T называется периодом сигнала.
Дискретный сигнал данных – отличается от аналоговых тем, что его значения известны лишь в дискретные моменты времени. Дискретные сигналы описываются решётчатыми функциями – последовательностями – xд (nT), где T = const – интервал (период) дискретизации, n = 0, 1, 2, … .
Сама функция xд (nT) может в дискретные моменты принимать произвольные значения на некотором интервале. Эти значения функции называются выборками или отсчётами функции. Другим обозначением решётчатой функции x(nT) является x(n) или xn. Последовательность x(n) может быть конечной или бесконечной, в зависимости от интервала определения функции.
Квантованный сигнал данных – отличается от аналоговых или дискретных разбиением диапазона значений непрерывной или дискретной величины на конечное число интервалов. Простейшим видом квантования является деление целочисленного значения на натуральное число, называемое коэффициентом квантования.
Цифровой сигнал данных – сигнал, у которого каждый из представляющих параметров описывается функцией дискретного времени и конечным множеством возможных значений. Цифровые сигналы описываются квантованными решётчатыми функциями xц(nT). При получении цифрового сигнала из аналогового происходят дискретизация и квантование.
Двоичный цифровой сигнал – сигнал данных, в котором используется способ представления информации о величине параметра в виде многоразрядной комбинации двух величин – нуля и единицы – и называемый обычно двоичным кодом.
В двоичном коде используются только две цифры: 1 и 0. Любое число содержит некоторое количество разрядов, в каждом из которых может стоять только одна из этих цифр. Одна цифра соответствует одному состоянию какого-либо элемента, например, замкнутому контакту, а другая — другому состоянию элемента — разомкнутому контакту.
В двоичной системе единица каждого разряда вдвое больше единицы соседнего, более младшего разряда. Для целых чисел единица первого (самого младшего) разряда равна 2 0 =1, единица второго разряда равна 2•2 0 =2 1 =2, третьего — 2•2 1 =2 2 =4, четвертого 2•2 2 =2 3 =8 и т. д. Например, число 214 в десятичной системе 214 = 2•10 2 +1•10 1 +0•2 5 +4•10 0 , а в двоичной системе 214 = 1•2 7 +1•2 6 +0•2 5 +1•2 4 +0•2 3 +1•2 2 +1•2 1 +0•2 0 и запишется в виде 11010110.
Модуляция – процесс изменения одного или нескольких параметров высокочастотного несущего колебания по закону низкочастотного информационного сигнала (сообщения).
В наше время двоичные цифровые сигналы в связи с простотой кодирования и обработки используются в цифровых электронных устройствах. Для передачи цифрового сигнала по каналам связи (например, электрическим или радиоканалам) используются различные виды модуляции.
Рассмотрим примеры представляющих параметров сигналов данных на примере различных видов модуляции (см. рис. 1). Кроме рассмотренных видов модуляции, также существуют фазовая (ФМ), время-импульсная (ВИМ), широтно-импульсная (ШИМ) и другие модуляции.
Рис. 1. Различные виды модуляции сигналов – различные представляющие параметры сигналов данных
Для понимания сущности цифрового сигнала рассмотрим следующую классификацию. В цифровой технике выделяют сигналы (рис. 2):
- произвольные по величине и непрерывные во времени (аналоговые);
- произвольные по величине и дискретные по времени (дискретные);
- квантованные по величине и непрерывные по времени (квантованные);
- квантованные по величине и дискретные по времени (цифровые).
Рис. 2. Аналоговый, дискретный, квантованный и цифровой сигналы
Аналоговые сигналы часто используют для представления непрерывно изменяющихся физических величин. Например, аналоговый электрический сигнал, снимаемый с термопары, несёт информацию об изменении температуры, сигнал с микрофона – о быстрых изменениях давления в звуковой волне и т.п.
В области цифровой и импульсной техники терминология не является установившейся. Так, дискретный сигнал – это сигнал, значения представляющего параметра которого известны только в определённые моменты времени, а также это сигнал, в отличие от аналогового, представляющий параметр которого может принимать только фиксированные значения (обычно два: логический «ноль» или логическую «единицу»).
Во втором случае было бы правильно называть сигнал квантованным, но промышленные модули называются «модулями ввода дискретных сигналов». Кроме использования для передачи информации различных физических величин, сигналы различаются также представляющими параметрами.
Телеграмм канал для тех, кто каждый день хочет узнавать новое и интересное: Школа для электрика
Если Вам понравилась эта статья, поделитесь ссылкой на неё в социальных сетях. Это сильно поможет развитию нашего сайта!
Не пропустите обновления, подпишитесь на наши соцсети:
1. Сигнал. Его виды и представления
Вся информация передается в виде сигналов. Сигнал есть физический процесс, несущий в себе информацию. Сигнал может быть звуковым, световым, в виде почтового отправления и др. Наиболее распространен сигнал в электрической форме в виде зависимости напряжения от времени U(t). По своей природе все сигналы являются аналоговыми, будь то сигнал постоянного или переменного тока, цифровой или импульсный. Тем не менее, принято делать различие между аналоговыми и цифровыми сигналами.
Аналоговый сигнал — сигнал данных, у которого каждый из представляющих параметров описывается функцией времени и непрерывным множеством возможных значений. Такие сигналы описываются непрерывными функциями времени, поэтому аналоговый сигнал иногда называют непрерывным сигналом.
Цифровым сигналом называется двухуровневый сигнал, у которого каждый из представляющих параметров описывается функцией дискретного времени и конечным множеством возможных значений определённым образом обработанный и преобразованный в цифры. Обычно эти цифровые сигналы связаны с реальными аналоговыми сигналами, но иногда между ними и нет связи. В качестве примера можно привести передачу данных в локальных вычислительных сетях (LAN) или в других высокоскоростных сетях.
Рисунок 1 — Различия сигналов
Цифровой сигнал использует всю полосу пропускания кабеля. Полоса пропускания — это разница между максимальной и минимальной частотой, которая может быть передана по кабелю. Каждое устройство в таких сетях посылает данные в обоих направлениях, а некоторые могут одновременно принимать и передавать. Узкополосные системы передают данные в виде цифрового сигнала одной частоты.[5]
Дискретный цифровой сигнал сложнее передавать на большие расстояния, чем аналоговый сигнал, поэтому его предварительно модулируют на стороне передатчика, и демодулируют на стороне приёмника информации. Использование в цифровых системах алгоритмов проверки и восстановления цифровой информации позволяет существенно увеличить надёжность передачи информации.
Следует иметь в виду, что реальный цифровой сигнал по своей физической природе является аналоговым. Из-за шумов и изменения параметров линий передачи он имеет флуктуации по амплитуде, фазе / частоте поляризации. Но этот аналоговый сигнал (импульсный и дискретный) наделяется свойствами числа. В результате для его обработки становится возможным использование численных методов (компьютерная обработка).