Analoginiai ir skaitmeniniai signalai bei jų panaudojimas

Bendrąja prasme: signalas yra fizikinis dydis, priklausomas nuo erdvės, laiko ar bet kurių kitų nepriklausomų kintamųjų arba kintamojo. Elektronikoje šis fizikinis dydis yra elektros srovė, įtampa arba elektromagnetinis laukas, kuris naudojamas energijai ar duomenims perduoti. Paprasčiausia signalo forma yra nuolatinė srovė, kuri įjungiama ir išjungiama[1]. Naudojantis elektronikos prietaisais susiduriama su dviejų tipų signalais: analoginiais ir skaitmeniniais. Prietaisai gali sąveikauti su aplinka naudojantis analoginiais signalais, tačiau mikroprocesoriai, kompiuteriai ir daug kitų loginių įrenginių yra sudaryti iš skaitmeninių signalų komponentų. Šie du signalų tipai yra skirtingos prietaisų komunikacijos išraiškos.
Analoginis signalas yra bet koks nepertraukiamas signalas, aprašomas konkrečiu laiko intervalu. Pavyzdžiui, žmogui kalbant sklindantis garsas, kadangi garso bangos yra ištisinės. Net ir paprastas laikrodis, kurio rodyklės juda tolydžiai, gali būti išreikštas analoginiu signalu. Tokie signalai turi tam tikrus tipinius parametrus (amplitudė, periodas, dažnis, fazė), kuriuos keičiant perduodama informacija. Kadangi signalai kinta laike, patogu juos išreikšti grafiku, kur laikas išdėstytas horizontalioje x ašyje, o kintamas dydis vertikalioje y ašyje. Žiūrint į signalo grafiką yra lengviausia atskirti ar tai analoginis, ar skaitmeninis signalas. Analoginio signalo grafikas yra tolygus ir ištisinis. 1.1 paveiksle pavaizduotas tolygiai laike kintančios įtampos signalas.

This image has an empty alt attribute; its file name is image.pngAnaloginis sinusoidės formos signalas

Dažnai tokie signalai būna apriboti tarp galimos minimalios ir maksimalios reikšmės, tačiau šiame reikšmių diapazone yra begalinis skaičius verčių, kurias signalas gali įgyti. Pavyzdžiui, analoginė vienfazio tinklo įtampa apribota nuo -325 iki +325 V, bet išnagrinėjus jos kitimą, galima pastebėti begalinį skaičių verčių, kurias kintantis signalas įgauna. Skaitmeniniai signalai diskretizuojami pagal laiką ir turi baigtinį skaičių galimų reikšmių. Tokių reikšmių skaičius gali būti nuo dviejų iki labai didelio skaičiaus, kuris nėra begalybė. Dažniausiai sutinkami signalai esantys vienoje iš dviejų reikšmių, skaitmeninėje elektronikoje traktuojami kaip dvejetainės sistemos 0 arba 1 (pavyzdžiui, 0 arba 5V). Tokie signalai laike atrodo kaip stačiakampės bangos (1.2 paveikslas). Skaitmeniniai signalai dar gali būti diskretinė analoginio signalo formos išraiška (1.3 paveikslas). Iš pirmo žvilgsnio, tokie signalai gali atrodyti tolydūs, tačiau padidinus grafiką matomi nedideli diskretiniai žingsniai, kuriais signalas kinta. Tai yra didžiausias skirtumas tarp analoginių ir skaitmeninių signalų: analoginiai kinta tolygiai, o skaitmeniniai – žingsniais[2].

This image has an empty alt attribute; its file name is image-1.png1.2 pav. Skaitmeninis signalas
This image has an empty alt attribute; its file name is image-2.png1.3 pav. Analoginis signalas išreikštas skaitmeniniu

Šiandieniniame pasaulyje elektronikos sistemos darosi vis sudėtingesnės ir vis dažniau tenka gautus iš aplinkos duomenis paversti į skaitmeninę formą, juos apdoroti ir perduoti atgal į aplinką. Šios sistemos dažniausiai turi 1.4 paveiksle pavaizduotą struktūrą, kur ASK – analoginis skaitmeninis keitiklis, SAK – kaitmeninis-analoginis keitiklis.

This image has an empty alt attribute; its file name is image-3.png1.4 pav. Hibridinių elektronikos sistemų struktūra

Skirtingi signalų tipai pranašesni skirtingose srityse, todėl vienur naudojami skaitmeniniai, kitur analoginiai signalai. Analoginių signalų ir grandinių panaudojimas:

Tolydus filtravimas. Kai signalas turi nepageidaujamų dažnio dedamųjų, atsiranda būtinybė tokį signalą filtruoti. Nors yra didelio tikslumo skaitmeninių filtrų (pavyzdžiui, ribotos impulsinės reakcijos filtras), tačiau, norint filtruoti tolydų signalą norimame dažnių diapazone ir neapsiriboti atskirų dažnių atskaitomis, naudojami analoginių grandinių filtrai.

Energijos perdavimas. Nors didelės galios sistemose skaitmeniniai matavimai ir kontrolė yra galimi, tačiau naudoti skaitmeninę sistemą, kurios įtampos lygis keičiasi nuo nulio iki kelių šimtų voltų, būtų neefektyvu. Tiek nuolatinę, tiek kintamą srovę naudojančiose didelės galios signalų transformavimo ir perdavimo sistemose naudojami tikslūs ir patikimi analoginiai komponentai (nors tokių sistemų valdymas gali būti vykdomas ir skaitmeniniu būdu).

Valdymo sistemos. Nors vis dažniau pereinama prie skaitmeninių valdymo sistemų, dėl analoginių signalų sistemų paprastumo jos vis dar plačiai naudojamos.

Jutikliai. Yra didelė įvairovė jutiklių, kurie skirti konvertuoti aplinkos fizikinių dydžių informaciją, kuri yra ne tik elektrinės prigimties, į skaitmeniniams prietaisams atpažįstamą informacijos formą. Jutiklius naudojančiose elektronikos sistemose dažniausiai, užuot betarpiškai analoginiai signalai būtų priimti ir konvertuoti į skaitmeninius, jutikliai, iš pradžių, priklausomai nuo matuojamo fizikinio dydžio reikšmės, suformuoja analoginį elektrinį signalą, kuris, po to, gali būti konvertuojamas. Jutiklių įtampa dažniausiai būna labai mažos amplitudės, todėl prieš konvertuojant signalą į skaitmeninį dažnai jį reikia sustiprinti. Šiame darbe kuriamos signalų registravimo sistemos vienas iš pritaikymų gali būti tokio tipo jutikliams, kurie labai jautrūs matuojamų dydžių pokyčiams ir naudojami sąlygose, kuriose reikalinga tiksliai užregistruoti matuojamų dydžių pokyčius (pavyzdžiui, laboratorijose atliekamuose eksperimentuose).

Garso sistemos. Nors šiuolaikinės garso sistemos gali labai tiksliai atitikti analogines sistemas, siekiant atkurti kuo tikslesnius garso signalus vis dar naudojamos analoginės elektronikos grandinės.

Skaitmeninių signalų ir grandinių panaudojimas:

Duomenų apdorojimas. Dėl savo prigimties įgyti tik fiksuotas reikšmes, skaitmeniniai signalai įgavo didelę reikšmę skaičiavimuose. Todėl visur, kur reikalingas sudėtingas duomenų apdorojimas, naudojama skaitmeniniais signalais grįsta techninė įranga.

Skaičiavimas. Analoginėse sistemose įgyvendinti signalų skaičiavimą yra žymiai sunkiau nei skaitmeninėse. Signalų diskretizavimas ir skaičiavimas, kiek kartų signalas pasikartoja, turi didelę reikšmę daugelyje valdymo sistemų.

Saugojimas. Išsaugoti analoginį signalą būtų labai sunku. Net paprastam signalui, kintančiam nuo 0 iki 1 V tektų saugoti begalinį skaičių reikšmių. Tuo tarpu, skaitmeninėsesist emose, turint 4 bitus išreikšti šiai įtampai, reikėtų tik 16 galimų reikšmių. Senose analoginėse valdymo sistemose signalų vertės buvo saugomos signalus vėlinant ir, po to, kombinuojant su sekančiais signalais. Dabar naudojant atmintį galima signalus registruoti ir atsiradus poreikiui juos panaudoti.

Triukšmingose aplinkose. Skaitmeniniai signalai, lyginant su analoginiais, yra daug atsparesni elektriniams triukšmams, tad triukšmingose aplinkose analoginiai signalai labiau iškraipomi, nei skaitmeniniai.

Duomenų perdavimas. Perduoti skaitmeninius informacinius signalus reikia mažiau energijos, nei analoginius, todėl vis dažniau pereinama prie duomenų perdavimo skaitmeniniais signalais. Be to, perduodant skaitmeninius signalus tame pačiame dažnių juostos plotyje galima sutalpinti daug daugiau informacijos, nei perduodant analoginius signalus[3].

Analoginis-skaitmeninis keitiklis

Kadangi naudojantis šiuolaikine technine įranga duomenys rašomi į atmintį skaitmeninių signalų pavidalu, norint į atmintį išsaugoti analoginius signalus, būtina juos paversti į skaitmeninius. To atlikimui plačiai naudojami analoginiai-skaitmeniniai keitikliai (ASK). ASK yra prietaisas, kuris įėjime priima analoginę įtampą ar srovę, ją paverčia į skaitinę reikšmę, tiesiškai priklausančią nuo įėjimo įtampos, ir savo išėjime šią reikšmę pateikia bitais (1.4 paveikslas).

This image has an empty alt attribute; its file name is image-4.png1.5 pav. Analoginis-skaitmeninis keitiklis

Paprastai ASK pagal savo konstrukciją skirstomi į 3 pagrindinius tipus[4]:

  1. Akimirkiniai (lygiagretieji)
  2. Nuoseklaus priartėjimo
  3. Integruojantys

ASK dažniausiai apibūdinami 3 pagrindiniais parametrais: dažnio pralaidumu, įėjimo diapazonu ir skiriamąja geba:

– Keitiklio dažnio pralaidumas nusako, kokį didžiausią analoginio signalo dažnį keitiklis geba apdoroti. Šį dažnį riboja keitiklio didžiausias galimas atskaitų dažnis, kuris dažniausiai priklauso nuo ASK konstrukcijos. Pagal Nyquist teoremą, kad neprarasti informacijos, atskaitų dažnis turi būti 2 ar daugiau kartų didesnis, nei didžiausia įėjimo signalo dažnio dedamoji. Tačiau, jei atskaitų dažnis bus daug kartų didesnis už signalo didžiausią dažnį, bus gaunama perteklinė informacija, kuri yra nepageidaujama, todėl būtina pasirinkti optimalų atskaitų dažnį.
– Įėjimo diapazonas nusako, kokią minimalią ir maksimalią įtampos reikšmę ASK gali paversti skaitmenine. Pasiekus įėjime maksimalią reikšmę, keitiklio išėjime visi bitai bus 1, o toliau didinant įėjimo įtampą išėjimo reikšmė nebedidės.
– Skiriamoji geba nusako mažiausią keitiklio atpažįstamą įtampos pokytį. Kuo pokytis mažesnis, tuo tikslesnis yra keitiklis. Ji priklauso nuo to, kiek išėjimo bitų turi keitiklis ir nuo įėjimo diapozono [5]:

This image has an empty alt attribute; its file name is image-5.pngUs – skiriamoji geba, V;
Umin, Umax – minimali ir maksimali ASK įėjimo diapazono reikšmės, V;
Nmax – maksimali skaitinė ASK išėjimo reikšmė;

Skirtumas tarp analoginio ir skaitmeninio signalo

Analoginės ir skaitmeninės yra skirtingos signalų formos. Signalai naudojami informacijos perdavimui iš vieno prietaiso į kitą. Analoginis signalas yra tęstinė banga, kuri per visą laiką keičiasi. Skaitmeninis signalas yra diskretiškas. Pagrindinis skirtumas tarp analoginio ir skaitmeninio signalo yra tas, kad analoginį signalą vaizduoja sinusinės bangos, o skaitmeninis signalas – kvadratinėmis bangomis. Leidžiame sužinoti daugiau skirtumų tarp analoginio ir skaitmeninio signalo, naudojant žemiau pateiktą palyginimo lentelę.

Palyginimo pagrindasAnaloginis signalasSkaitmeninis signalas
PagrindinisAnaloginis signalas yra nuolatinė banga, kuri per tam tikrą laikotarpį keičiasi.Skaitmeninis signalas yra diskretiška banga, kurioje pateikiama informacija dvejetainėje formoje.
AtstovavimasAnaloginį signalą vaizduoja sinusinė banga.Skaitmeninis signalas yra kvadratinių bangų.
apibūdinimasAnaloginį signalą apibūdina amplitudė, periodas arba dažnis ir fazė.Skaitmeninis signalas aprašomas bitų spartos ir bitų intervalais.
diapazonasAnaloginis signalas neturi fiksuoto diapazono.Skaitmeninis signalas yra baigtinis, ty nuo 0 iki 1.
IškraipymasAnaloginis signalas yra labiau linkęs iškraipyti.Skaitmeninis signalas yra mažiau linkęs iškraipyti.
PerduotiAnaloginis signalas perduoda duomenis bangos forma.Skaitmeninis signalas perduoda duomenis dvejetainėje formoje, ty 0 nad 1.
PavyzdysŽmogaus balsas yra geriausias analoginio signalo pavyzdys.Signalai, naudojami perduodant kompiuterį, yra skaitmeninis signalas.

Analoginio signalo apibrėžimas

Analoginis signalas yra nuolatinės bangos forma, kuri laikui bėgant keičiasi. Anlaog signalas toliau klasifikuojamas į paprastus ir sudėtinius signalus. Paprastas analoginis signalas yra sinusinė banga, kurios negalima toliau skaidyti. Kita vertus, sudėtinis analoginis signalas gali būti toliau suskaidytas į kelias sinusines bangas. Analoginis signalas aprašomas naudojant amplitudę, laikotarpį arba dažnį ir fazę. Amplitudė žymi didžiausią signalo aukštį. Dažnis rodo greitį, kuriuo keičiasi signalas. Fazė žymi bangos padėtį nulio atžvilgiu. Analoginis signalas nėra atsparus triukšmui, todėl susiduria su iškraipymu ir sumažina perdavimo kokybę. Analoginio signalo vertės diapazonas nėra fiksuotas.

Skaitmeninio signalo apibrėžimas

Skaitmeniniai signalai taip pat perduoda informaciją, pavyzdžiui, analoginius signalus, bet šiek tiek skiriasi nuo analoginių signalų. Skaitmeninis signalas yra nepertraukiamas, diskretiškas laiko signalas. Skaitmeninis signalas perduoda informaciją arba duomenis dvejetainėje formoje, ty skaitmeninis signalas reiškia informaciją bitų pavidalu. Skaitmeninis signalas gali būti toliau skaidomas į paprastas sinusines bangas, vadinamas harmonikais. Kiekviena paprasta banga turi skirtingą amplitudę, dažnį ir fazę. Skaitmeninis signalas aprašomas naudojant bitų spartą ir bitų intervalą. Bitų intervalas apibūdina laiką, kurio reikia vienam bitui siųsti. Kita vertus, bitų sparta apibūdina bitų intervalo dažnį.

Skaitmeninis signalas yra labiau apsaugotas nuo triukšmo; todėl jis vargu ar susiduria su iškraipymu. Skaitmeniniai signalai yra lengviau perduodami ir yra patikimesni, palyginti su analoginiais signalais. Skaitmeninis signalas turi ribotą reikšmių diapazoną. Skaitmeninio signalo diapazonas yra nuo 0 iki 1.

Pagrindiniai skirtumai tarp analoginio ir skaitmeninio signalo

  1. Analoginis signalas reiškia nepertraukiamą bangą, kuri per tam tikrą laiką keičiasi. Kita vertus, skaitmeninis signalas reiškia nepertraukiamą bangą, kuri perduoda informaciją dvejetainiu formatu ir turi atskiras reikšmes.
  2. Analoginis signalas visada yra nuolatinis sinusinės bangos, o skaitmeninis signalas yra kvadratinių bangų.
  3. Kalbėdami apie analoginį signalą aprašome bangos elgesį amplitudės, periodo ar dažnio ir bangos fazės atžvilgiu. Kita vertus, kalbėdami apie diskretiškus signalus, mes apibūdiname bangos elgesį bitų spartos ir bitų intervalo atžvilgiu.
  4. Angos signalo diapazonas nėra fiksuotas, o skaitmeninio signalo diapazonas yra baigtinis ir svyruoja nuo 0 iki 1.
  5. Analoginis signalas yra labiau linkęs iškreipti atsaką į triukšmą, tačiau skaitmeninis signalas turi imunitetą reaguojant į triukšmą, todėl jis retai susiduria su iškraipymu.
  6. Analoginis signalas perduoda duomenis bangos forma, o skaitmeninis signalas perduoda duomenis dvejetainiu pavidalu, ty bitų pavidalu.
  7. Geriausias analoginio signalo pavyzdys yra žmogaus balsas, o geriausias skaitmeninio signalo pavyzdys yra duomenų perdavimas kompiuteryje.

Išvada:

Skaitmeninis signalas dabar pakeičia analoginį signalą, tačiau analoginis signalas vis dar geriausiai tinka garso perdavimui.