 |
Основные преимущества цифровых приборов перед аналоговыми
|
|
|
|
Введение
Целью данной работы является рассмотрение преимуществ цифровой техники и их причин.
Цифровые технологии, как таковые, основаны на представлении сигналов дискретными полосами аналоговых уровней, а не в виде непрерывного спектра. Все уровни в пределах полосы представляют собой одинаковое состояние сигнала.
С конца 90-х годов прошлого века принято считать, что именно за цифровыми технологиями стоит будущее. В этой работе я попытаюсь осветить основные причины и тезисы такой точки зрения.
Аналоговый сигнал
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.
Свойства аналоговых сигналов в значительной мере отражают их непрерывность:
· 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).
Рассмотрим этот вид сигнала на простом примере. Во время разговора, наши голосовые связки излучают определенную вибрацию различной тональности (частоты), и громкости (уровня звукового сигнала). Эта вибрация, пройдя некоторое расстояние, попадает в человеческое ухо, воздействуя там, на так называемую слуховую мембрану. Эта мембрана, начинает вибрировать с такой же частотой и силой вибрации какую излучали наши звуковые связки, с одним лишь отличием, что сила вибрации за счет преодоления расстояния, несколько ослабевает.
|
|
|
Так вот, передачу голосовой речи от одного человека к другому, можно смело назвать аналоговой передачей сигнала, и вот почему.
Здесь дело в том, что наши голосовые связки, излучают такую же звуковую вибрацию, какую и воспринимает само человеческое ухо (что говорим, то и слышим), то есть, передаваемый и принимаемый звуковой сигнал, имеет схожую форму импульса, и такой же частотный спектр звуковых вибраций, или по другому сказать, «аналогичной» звуковой вибрации.
Теперь, рассмотрим более сложный пример. И за этот пример, возьмем упрощенную схему телефонного аппарата, то есть того телефона, которым люди пользовались задолго до появления сотовой связи.
Во время разговора, речевые звуковые вибрации передаются на чувствительную мембрану телефонной трубки (микрофона). Затем, в микрофоне, звуковой сигнал преобразуется в электрические импульсы, и далее поступает по проводам ко второй телефонной трубке, в которой, с помощью электромагнитного преобразователя (динамика или наушника) электрический сигнал преобразуется обратно в звуковой сигнал.
В приведенном выше примере, используется, опять же, «аналоговое» преобразование сигнала. То есть, звуковая вибрация имеет такую же частоту, как и частота электрического импульса в линии связи, а так же, звуковой и электрический импульсы, имеют схожую форму (то есть, аналогичную).
|
|
|
В передаче телевизионного сигнала, сам аналоговый радиотелевизионный сигнал имеет достаточно сложную форму импульса, а так же, достаточно высокую частоту этого импульса, ведь в нем передается на большие расстояния, как звуковая информация, так и видео.
Цифровой сигнал
Цифровой сигнал - сигнал данных, у которого каждый из представляющих параметров описывается функцией дискретного времени и конечным множеством возможных значений.
Сигналы представляют собой дискретные электрические или световые импульсы. При таком способе вся емкость коммуникационного канала используется для передачи одного сигнала. 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.
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).
За пример, «цифрового сигнала», возьмем принцип передачи информации с помощью достаточно известной «азбукой Морзе». Для тех, кто не знаком с таким видом передачи текстовой информации, далее вкратце поясню основной принцип.
Раньше, когда передача сигнала по воздуху (с помощью радиосигнала), еще только развивалась, технические возможности приемо-передающей аппаратуры не позволяли передавать речевой сигнал на большие расстояния. Поэтому, вместо речевой информации использовали текстовую. Так как текст состоит из букв, то эти буквы передавались с помощью коротких и длинных импульсов тонального электрического сигнала.
|
|
|
Такая передача текстовой информации называлась - передача информации с помощью «Азбуки Морзе».
Тональный сигнал, по своим электрическим свойствам, имел большую пропускную способность, чем речевой, и вследствие этого радиус действия приемо-передающей аппаратуры увеличивался.
Единицами информации в такой передаче сигнала, условно назывались «точка» и «тире». Короткий тоновый сигнал означал точку, а длинный тоновый сигнал тире. Здесь, каждая буква алфавита состояла из определенного набора точек и тире. Так например, буква А обозначалась комбинацией» .-» (точка-тире), а буква Б «- …» (тире-точка-точка-точка), ну и так далее.
То есть, передаваемый текст, кодировался с помощью точек и тире в виде коротких и длинных отрезках тонового сигнала. Если слова «АЗБУКА МОРЗЕ» выразить с помощью точек и тире, то это будет выглядеть так:
В основу цифрового сигнала, положен очень похожий принцип кодирования информации, только сами единицы информации там уже другие.
Любой цифровой сигнал состоит из так называемого «двоичного кода». Здесь, за единицы информации используются логический 0 (ноль), и логическая 1 (единица).
Если за пример, мы возьмем обычный карманный фонарик, то если включить его, то это как бы будет означать логическую единицу, а если выключим, то логический ноль.
В цифровых электронных микросхемах за единицы логической 1 и 0, принимают определенный уровень электрического напряжения в вольтах. Так, к примеру, логическая единица будет означать 4,5 вольта, а за логический ноль 0,5 вольт. Естественно для каждого типа цифровых микросхем, значения величины напряжений логического нуля и единицы, разные.
Любая буква алфавита, как и на примере с описанной выше азбукой Морзе, в цифровом виде, будут состоять из определенного количества нулей и единиц, располагающиеся в определенной последовательности, которые в свою очередь, входят в пакеты логических импульсов. Так например, буква А будет одним пакетом импульсов, а буква Б другим пакетом, но в букве Бпоследовательность нулей и единичек будет уже другой чем в букве А (то есть, различной комбинации расположения нулей и единичек).
|
|
|
В цифровой код, можно закодировать практически любой вид передаваемого электрического сигнала (включая и аналоговый), и не важно, будет это картинка, видеосигнал, аудио сигнал, или текстовая информация, причем можно передавать эти виды сигнала, практически одновременно (в едином цифровом потоке).
Аналоговые приборы
С появлением электричества у людей появилась возможность использовать технику, работающую от тока. С каждым днем появлялось все больше новых приборов, наука развивалась, техника совершенствовалась. Тогда все изобретения считались аналоговыми. Слово «аналоговый» означало, что прибор работает по аналогии чего-то. Чтобы было понятнее, рассмотрим измерительный прибор. Допустим, нужно построить график измерений, сами данные измерений известны. Прибор сначала выведет уравнение по известным данным, которое описывает поведение графика, а затем попытается построить график. Он работает по аналогии уравнения, строго подчиняется его законам. А насколько точно уравнение описывает график, прибору это неважно. Таким образом, аналоговые электронные устройства - это устройства усиления и обработки аналоговых электрических сигналов, выполненные на основе электронных приборов. Следует выделить две большие группы, по которым можно классифицировать аналоговые электронные устройства:
· Усилители - это устройства, которые за счет энергии источника питания формируют новый сигнал, являющийся по форме более или менее точной копией заданного, но превосходит его по току, напряжению или по мощности.
· Устройства на основе усилителей - в основном преобразователи электрических сигналов и сопротивлений.
Преобразователи электрических сигналов (активные устройства аналоговой обработки сигналов) - выполняются на базе усилителей, либо путем непосредственного применения последних со специальными цепями обратных связей, либо путем некоторого их видоизменения. Сюда относят устройства суммирования, вычитания, логарифмирования, антилогарифмирования, фильтрации, детектирования, перемножения, деления, сравнения и др. Преобразователи сопротивлений выполняются на основе усилителей с обратными связями. Они могут преобразовывать величину, тип, характер сопротивления. Используют их в некоторых устройствах обработки сигналов. Особый класс составляют всевозможные генераторы и связанные с ними устройства.
|
|
|
Цифровые приборы
Цифровыми называются измерительные приборы, автоматически вырабатывающие дискретные сигналы измерительной информации и дающие показания в цифровой форме. Под дискретными понимают сигналы, значения которых выражены числом N импульсов. Система правил для представления информации с помощью дискретных сигналов называется кодом. Дискретные сигналы в отличие от непрерывных имеют лишь конечное число значений, определяемое выбранным кодом.
Главными и обязательными функциональными узлами электронных цифровых измерительных приборов являются аналого-цифровые преобразователи, в которых измеряемая аналоговая, т.е. непрерывная во времени, физическая величина X автоматически преобразуется в эквивалентный ей цифровой код, а также цифровые отсчётные устройства, в которых полученные кодовые сигналы N преобразуются в цифровые символы десятичной системы счисления, удобные для визуального восприятия. Цифровая форма представления результата измерения по сравнению с аналоговой ускоряет считывание и существенно уменьшает вероятность субъективных ошибок. Так как большинство цифровых измерительных приборов содержат предварительные аналоговые преобразователи, предназначенные для изменения масштаба измеряемой входной величины х или её преобразования в другую величину Y = f(x), более удобную для выбранного метода кодирования, то в общем случае структурная схема прибора представляется в виде рис.
Структурная схема цифрового измерительного прибора
Современные цифровые приборы содержат аналого-цифровые преобразователи, способные производить сотни и более преобразований в секунду, что позволяет регистрировать быстро протекающие физические процессы и легко сопрягать объекты исследования с ЭВМ. Цифровые приборы - новая ступень эволюции техники, работающей по цифровым данным.
Для наглядности рассмотрим тот же случай - нужно построить график по заданным измерениям. Прибор не станет составлять уравнение, он разобьет график на мелкие кусочки, и по известным данным для каждого кусочка рассчитает координаты. Затем прибор построит каждый кусочек по полученным координатам, и из-за того, что таких кусочков огромное количество, они будут представлять непрерывный график. Вот так работает цифровая техника.
Основные преимущества цифровых приборов перед аналоговыми
Цифровой сигнал, по своим электрическим свойствам (также как и в примере с тональным сигналом), имеет большую пропускную способность передачи информации, нежели аналоговый сигнал. Также, цифровой сигнал, можно передавать на большее расстояние, чем аналоговый, причем без снижения качества передаваемого сигнала. Например, непрерывный звуковой сигнал, передающийся в виде последовательности 1 и 0, может быть восстановлен без ошибок при условии, что шума при передаче было не достаточно, чтобы предотвратить идентификацию 1 и 0. Час музыки может быть сохранен на компакт-диске с использованием около 6 млрд. двоичных разрядов. Это особенно актуально в последнее время, с учетом огромного роста передаваемой информации (увеличение количества теле-, радиоканалов, увеличение количества телефонных абонентов, увеличение числа пользователей интернета и скорости интернет линий).
Хранение информации в цифровых системах проще, чем в аналоговых. Помехоустойчивость цифровых систем позволяет хранить и извлекать данные без повреждения. В аналоговой системе старение и износ может ухудшить записанную информацию. В цифровой же, до тех пор, пока общие помехи не превышают определенного уровня, информация может быть восстановлена совершенно точно.
Цифровыми системами с компьютерным управлением можно управлять с помощью программного обеспечения, добавляя новые функции без замены аппаратных средств. Часто это может быть сделано без участия завода-изготовителя путем простого обновления программного продукта. Подобная функция позволяет быстро адаптироваться к изменяющимся требованиям. Кроме того, возможно применение сложных алгоритмов, которые в аналоговых системах невозможны или же осуществимы, но только с очень высокими расходами.
При передаче цифрового телевизионного сигнала, телезритель уже не увидит такого дефекта как «изображение снежит», как было в аналоговом сигнале при плохом приеме. В цифровой передаче телеканалов, качество картинки может быть только хорошим, или изображения совсем не будет если прием плохой (то есть, или да, или нет).
Что касается цифровой передачи телефонных разговоров, то здесь, с хорошим качеством может передаваться как шепот, так и крик, как нижние тона, так и высокие, и тут уже неважно на каком расстоянии находятся телефонные абоненты.
Цифровая техника всегда превосходила аналоговую по точности. Например, сравним аналоговый и цифровой диктофоны. При необходимости записать голосовую информацию, цифровой прибор справится с задачей лучше аналогового. Это будет заметно в качестве записи. Дело в том, что аналоговый диктофон не так точно воспроизводит информацию, в запись будут намешаны шумы, а цифровой будет отсеивать ненужные шумы, соответственно звучание будет правдоподобнее.
Цифровая техника миниатюрнее. Приборы построены на микросхемах, способных проводить операции сложения и вычитания над числами, отсюда и малые размеры. Данные современных приборов могут в отличие от аналоговых быстро обрабатываться компьютерами. Конечно, данные аналоговых тоже могут быть помещены в компьютер, но ему предварительно потребуется их переводить на «свой» цифровой язык.
Цифровая техника экономичнее и дольше служит. Микросхемы потребляют меньше энергии и могут долгое время исправно работать, в то время как механическая техника будет быстро выходить из строя.
Также цифровые приборы могут похвастаться:
· Малая погрешность. Точность аналоговых приборов ограничивается погрешностями измерительных преобразователей, самого измерительного механизма, погрешностями шкалы и т.д.
· Высокое быстродействие (число измерений в единицу времени);
При измерении изменяющихся во времени величин быстродействие играет важную роль. Если для показывающих приоров не требуется высокого быстродействия, так как возможности работающего с ними оператора ограничены, то напротив, требование быстродействия становится важным при обработке информации с помощью ЭВМ, к которым часто подключаются цифровые приборы.
· Отсутствие субъективной ошибки отсчетов результата измерения - субъективных погрешностей, связанных с особенностями зрения человека, из-за параллакса, из-за разрешающей способности глаза.
Цифровой фильтр
Цифровой фильтр - в электронике любой фильтр, обрабатывающий цифровой сигнал с целью выделения и / или подавления определённых частот этого сигнала. В отличие от цифрового, аналоговый фильтр имеет дело с аналоговым сигналом, его свойства недискретны, соответственно передаточная функция зависит от внутренних свойств составляющих его элементов.
Преимуществами цифровых фильтров перед аналоговыми являются:
· Высокая точность (точность аналоговых фильтров ограничена допусками на элементы).
· Стабильность (в отличие от аналогового фильтра передаточная функция не зависит от дрейфа характеристик элементов).
· Гибкость настройки, лёгкость изменения.
· Компактность - аналоговый фильтр на очень низкую частоту (доли герца, например) потребовал бы чрезвычайно громоздких конденсаторов или индуктивностей.
Но также имеются и недостатки:
· Трудность работы с высокочастотными сигналами. Полоса частот ограничена частотой Найквиста, равной половине частоты дискретизации сигнала. Поэтому для высокочастотных сигналов применяют аналоговые фильтры, либо, если на высоких частотах нет полезного сигнала, сначала подавляют высокочастотные составляющие с помощью аналогового фильтра, затем обрабатывают сигнал цифровым фильтром.
· Трудность работы в реальном времени - вычисления должны быть завершены в течение периода дискретизации.
· Для большой точности и высокой скорости обработки сигналов требуется не только мощный процессор, но и дополнительное, возможно дорогостоящее, аппаратное обеспечение в виде высокоточных и быстрых аналого-цифровых преобразователей.
|
|
|
