Въведение

Целта на тази работа е да разгледа предимствата на цифровите технологии и причините за тях.

Цифровите технологии като такива разчитат на представяне на сигнали в дискретни ленти на аналогови нива, а не като непрекъснат спектър. Всички нива в една лента представляват едно и също състояние на сигнала.

От края на 90-те години на миналия век е общоприето, че бъдещето е на цифровите технологии. В тази работа ще се опитам да откроя основните причини и тези на тази гледна точка.

1. Аналогов сигнал

Аналоговият сигнал е сигнал за данни, в който всеки от представящите параметри е описан от функция на времето и непрекъснат набор от възможни стойности. Такива сигнали се описват чрез непрекъснати функции на времето, поради което аналоговият сигнал понякога се нарича непрекъснат сигнал.

Свойствата на аналоговите сигнали до голяма степен отразяват тяхната непрекъснатост:

· Липсата на ясно различими дискретни нива на сигнала прави невъзможно прилагането на концепцията за информация във формата, както се разбира в цифровите технологии, за да я опише. „Количеството информация“, съдържащо се в една проба, ще бъде само ограничено динамичен диапазонизмервателни уреди.

· Без излишък. От непрекъснатостта на стойностното пространство следва, че всеки шум, въведен в сигнала, е неразличим от самия сигнал и следователно оригиналната амплитуда не може да бъде възстановена. Всъщност филтрирането е възможно, например, чрез честотни методи, ако е известна допълнителна информация за свойствата на този сигнал (по-специално честотната лента).

Разгледайте този тип сигнал при прост пример. По време на разговор нашите гласни струни излъчват определена вибрация с различна тоналност (честота) и сила (ниво на звуковия сигнал). Тази вибрация, изминала определено разстояние, навлиза в човешкото ухо, засягайки там така наречената слухова мембрана. Тази мембрана започва да вибрира със същата честота и сила на вибрациите, които излъчват нашите звукови кабели, с единствената разлика, че силата на вибрациите отслабва донякъде поради преодоляването на разстоянието.

Така че предаването на гласова реч от един човек на друг може безопасно да се нарече предаване на аналогов сигнал, и ето защо.

Въпросът тук е, че нашите гласни струни излъчват същата звукова вибрация, която самото човешко ухо възприема (ние чуваме това, което казваме), тоест предаваният и приетият звуков сигнал има подобна форма на импулс и същия честотен спектър на звукови вибрации, или с други думи, „аналогична“ звукова вибрация.

Сега нека разгледаме по-сложен пример. И за този пример, нека вземем опростена диаграма на телефон, тоест телефонът, който хората са използвали много преди появата на клетъчните комуникации.

По време на разговор звуковите вибрации на речта се предават на чувствителната мембрана на слушалката (микрофона). След това в микрофона звуковият сигнал се преобразува в електрически импулси и след това преминава през кабели към втората слушалка, в която с помощта на електромагнитен преобразувател (високоговорител или слушалка) електрическият сигнал се преобразува обратно в звуков сигнал.

В горния пример, отново, " аналогов» преобразуване на сигнала. Тоест звуковите вибрации имат същата честота като честотата на електрическия импулс в комуникационната линия, а също така звуковите и електрическите импулси имат подобна форма (т.е. подобни).

При предаването на телевизионен сигнал самият аналогов радио-телевизионен сигнал има доста сложна импулсна форма, както и доста висока честота на този импулс, тъй като предава както аудиоинформация, така и видео на големи разстояния.

2. Цифров сигнал

Цифровият сигнал е сигнал за данни, в който всеки от представящите параметри е описан от дискретна времева функция и краен набор от възможни стойности.

Сигналите са дискретни електрически или светлинни импулси. При този метод целият капацитет на комуникационния канал се използва за предаване на един сигнал. Цифровият сигнал използва цялата честотна лента на кабела. Честотна лентае разликата между максималната и минималната честота, която може да се предава по кабела. Всяко устройство в такива мрежи изпраща данни в двете посоки, а някои могат да приемат и предават едновременно. Теснолентовите системи предават данни като цифров сигнал с една честота.

Дискретният цифров сигнал е по-труден за предаване на дълги разстояния от аналоговия сигнал, така че първо трябва да бъде модулирамот страната на предавателя и демодулиране от страната на приемника на информация. Използвайте в цифрови системиАлгоритмите за проверка и възстановяване на цифрова информация могат значително да повишат надеждността на предаването на информация.

Трябва да се има предвид, че истинският цифров сигнал е аналогов по своята физическа природа. Поради шума и промените в параметрите на предавателните линии, той има колебания в амплитудата, фазата/честотата на поляризацията. Но този аналогов сигнал (импулсен и дискретен) е надарен със свойствата на число. В резултат на това става възможно използването на числени методи (компютърна обработка) за обработката му.

например, "цифров сигнал", нека вземем принципа на предаване на информация с помощта на доста добре познатия „морзов код“. За тези, които не са запознати с този вид предаване на текстова информация, ще обясня накратко основния принцип по-долу.

Преди това, когато предаването на сигнал по въздуха (с помощта на радиосигнал) току-що се развиваше, технически възможностиПриемопредавателното оборудване не позволяваше предаване на речеви сигнали на големи разстояния. Следователно вместо речева информация е използвана текстова информация. Тъй като текстът се състои от букви, тези букви се предават с помощта на къси и дълги импулси на тонален електрически сигнал.

Това предаване на текстова информация се нарича предаване на информация с помощта на морзов код.

Тоналният сигнал, поради своите електрически свойства, имаше по-голяма пропускателна способност от говорния сигнал и в резултат на това обхватът на предавателното и приемащото оборудване се увеличи.

Информационните единици при такова предаване на сигнали условно се наричат ​​„точка“ и „тире“. Краткият тон означаваше точка, а дългият тон означаваше тире. Тук всяка буква от азбуката се състоеше от определен набор от точки и тирета. Например писмото Абеше обозначен от комбинацията" .- " (точка-тире) и буквата B " - … "(тире-точка-точка-точка) и т.н.

Тоест предаваният текст беше кодиран с помощта на точки и тирета под формата на къси и дълги сегменти от тонален сигнал. Ако думите „MORSE CODE“ се изразят с точки и тирета, това ще изглежда така:

Цифровият сигнал се основава на много подобен принцип на кодиране на информация, само самите единици информация са различни.

Всеки цифров сигнал се състои от така наречения „двоичен код“. Тук логическа 0 (нула) и логическа 1 (едно) се използват като единици информация.

Ако вземем за пример обикновено джобно фенерче, тогава ако го включите, това ще изглежда като логическа единица, а ако го изключите, това ще означава логическа нула.

В цифровите електронни схеми логическите единици 1 и 0 се приемат за определено ниво на електрическо напрежение във волтове. Така, например, логическа единица ще означава 4,5 волта, а логическа нула ще означава 0,5 волта. Естествено, за всеки тип цифрова микросхема стойностите на напрежението на логическата нула и една са различни.

Всяка буква от азбуката, както в примера с морзовия код, описан по-горе, в цифрова форма, ще се състои от определена суманули и единици, разположени в определена последователност, които от своя страна се включват в пакети от логически импулси. Така, например, буквата A ще бъде един пакет от импулси, а буквата B ще бъде друг пакет, но в буквата B последователността от нули и единици ще бъде различна от тази в буквата A (т.е. различна комбинация на подреждането на нули и единици).

В цифров код можете да кодирате почти всеки тип предаван електрически сигнал (включително аналогов) и няма значение дали е картина, видео сигнал, аудио сигнал или текстова информация, и можете да предавате тези типове сигнали почти едновременно (в единичен цифров поток).

3. Аналогови устройства

С появата на електричество хората имаха възможност да използват оборудване, захранвано с ток. Всеки ден се появяват все повече и повече нови устройства, науката се развива, технологията се подобрява. Тогава всички изобретения се смятаха за аналогови. Думата „аналогов“ означава, че устройството работи по аналогия с нещо. За да стане по-ясно, нека разгледаме измервателно устройство. Да кажем, че трябва да изградите графика от измервания; самите данни от измерванията са известни. Инструментът първо ще извлече уравнение от известните данни, което описва поведението на графиката, и след това ще се опита да построи графиката. Работи по аналогия с уравнение и стриктно се подчинява на неговите закони. И колко точно уравнението описва графиката не е важно за устройството. По този начин аналоговите електронни устройства са устройства за усилване и обработка на аналогови електрически сигнали, направени на базата на електронни устройства. Има две големи групи, в които аналоговите електронни устройства могат да бъдат класифицирани:

· Усилвателите са устройства, които, използвайки енергията на източник на захранване, формират нов сигнал, който по форма е повече или по-малко точно копие на дадения, но го превъзхожда по ток, напрежение или мощност.

· Устройствата, базирани на усилвател, са главно преобразуватели на електрически сигнали и съпротивления.

Преобразувателите на електрически сигнали (активни аналогови устройства за обработка на сигнали) се правят на базата на усилватели, или чрез директно използване на последните със специални вериги за обратна връзка, или чрез тяхното модифициране по някакъв начин. Те включват устройства за сумиране, изваждане, логаритмиране, антилогаритмиране, филтриране, откриване, умножение, деление, сравняване и т.н. Преобразувателите на съпротивление се основават на усилватели с обратна връзка. Те могат да променят величината, вида и природата на съпротивлението. Те се използват в някои устройства за обработка на сигнали. Специален клас се състои от всички видове генератори и свързани устройства.

4. Цифрови устройства

Цифровите са измервателни уреди, които автоматично генерират дискретни сигнали от измервателна информация и дават показания в цифрова форма. Под дискретниразбират сигнали, чиито стойности се изразяват чрез броя N импулси. Система от правила за представяне на информация с помощта на дискретни сигнали се нарича код. Дискретните сигнали, за разлика от непрекъснатите, имат само краен брой стойности, определени от избрания код.

Основни и задължителни функционални единициелектронните цифрови измервателни уреди са аналогово-цифрови преобразуватели, в които измерената аналогова, т.е. непрекъснато във времето, физическото количество X автоматично се преобразува в еквивалентен цифров код, както и устройства за цифрово отчитане, в които получените кодови сигнали N се преобразуват в цифрови символи на десетичната бройна система, удобни за визуално възприемане. Цифровата форма на представяне на резултата от измерването, в сравнение с аналоговата, ускорява отчитането и значително намалява вероятността от субективни грешки. Тъй като повечето цифрови измервателни уреди съдържат предварителни аналогови преобразуватели, предназначени да променят мащаба на измерената входна стойност x или да я преобразуват в друга стойност Y = f(x), по-удобна за избрания метод на кодиране, тогава в общия случай блоковата диаграма на устройството е представено под формата на фиг.

Блокова схема на цифрово измервателно устройство

Съвременните цифрови инструменти съдържат аналогово-цифрови преобразуватели, способни да произвеждат стотици или повече преобразувания в секунда, което прави възможно записването на бързо протичащи физически процеси и лесно свързване на изследователски обекти с компютър. Цифровите устройства са нов етап в еволюцията на технологиите, които работят с цифрови данни.

За по-голяма яснота, нека разгледаме същия случай - трябва да изградите графика въз основа на дадени измервания. Устройството няма да създаде уравнение; то ще раздели графиката на малки части и въз основа на известните данни ще изчисли координатите за всяка част. След това устройството ще начертае всяко парче според получените координати и поради факта, че има огромен брой такива парчета, те ще представляват непрекъсната графика. Ето как работят цифровите технологии.

5. Основните предимства на цифровите инструменти пред аналоговите

Цифров сигнал, в неговите електрически свойства (както в примера с тон), има по-голям капацитет за предаване на информация от аналогов сигнал. Освен това цифровият сигнал може да се предава на по-голямо разстояние от аналоговия, без да се намалява качеството на предавания сигнал. Например, непрекъснат аудиосигнал, предаван като последователност от 1s и 0s, може да бъде реконструиран без грешка, при условие че шумът от предаването не е достатъчен, за да предотврати идентифицирането на 1s и 0s. Един час музика може да бъде съхранен на компактдиск с помощта на около 6 милиарда двоични цифри. Това е особено вярно в напоследък, като се вземе предвид огромният ръст на предаваната информация (увеличаване на броя на телевизионните и радио каналите, увеличаване на броя на телефонните абонати, увеличаване на броя на потребителите на Интернет и скоростта на интернет линиите).

Съхраняването на информация в цифровите системи е по-лесно, отколкото в аналоговите. Устойчивостта на цифровите системи към шум позволява данните да се съхраняват и извличат без повреда. В аналогова система стареенето и износването могат да влошат записаната информация. При дигиталното, стига общата намеса да не надвишава определено ниво, информацията може да бъде възстановена абсолютно точно.

Цифровите компютърно управлявани системи могат да се управляват с помощта на софтуер, добавяйки нови функции без подмяна на хардуера. Често това може да стане без участието на производителя чрез просто актуализиране на софтуерния продукт. Тази функция ви позволява бързо да се адаптирате към променящите се изисквания. Освен това е възможно да се използват сложни алгоритми, които са невъзможни в аналогови системи или осъществими, но само при много високи разходи.

При предаване на цифров телевизионен сигнал зрителят вече няма да вижда такъв дефект като „изображението е снежно“, какъвто беше случаят с аналогов сигнал с лошо приемане. При цифровото предаване на телевизионни канали качеството на картината може да бъде само добро или изобщо няма да има картина, ако приемането е лошо (т.е. или да, или не).

Що се отнася до цифровото предаване на телефонни разговори, тук с добро качество може да се предава както шепот, така и писък, както ниски, така и високи тонове, като няма значение на какво разстояние се намират телефонните абонати.

Цифровата технология винаги е превъзхождала аналоговата технология по отношение на точността. Например, нека сравним аналогови и цифрови диктофони. Ако трябва да запишете гласова информация, цифровото устройство ще се справи със задачата по-добре от аналоговото. Това ще се забележи в качеството на записа. Факт е, че аналоговият рекордер не възпроизвежда толкова точно информация; шумът ще бъде смесен в записа, докато цифровият рекордер ще филтрира ненужния шум и съответно звукът ще бъде по-правдоподобен.

Цифровата технология е по-малка. Устройствата са изградени върху микросхеми, способни да извършват операции за събиране и изваждане на числа, оттук и малкият им размер. За разлика от аналоговите устройства, данните от съвременните устройства могат бързо да се обработват от компютри. Разбира се, аналоговите данни също могат да бъдат поставени в компютър, но той първо трябва да ги преведе на „своя“ цифров език.

Цифровата технология е по-икономична и издържа по-дълго. Микрочиповете консумират по-малко енергия и могат за дълго времеработят правилно, докато механичното оборудване бързо ще се провали.

Цифровите устройства също могат да се похвалят с:

· Малка грешка. Точността на аналоговите инструменти е ограничена от грешките на измервателните преобразуватели, самия измервателен механизъм, грешките на скалата и др.

· Висока производителност (брой измервания за единица време);
При измерване на вариращи във времето величини производителността играе важна роля. Ако индикацията на приоритетите не изисква висока скорост, тъй като възможностите на оператора, работещ с тях, са ограничени, тогава, напротив, изискването за скорост става важно при обработката на информация с помощта на компютри, към които често са свързани цифрови устройства.
· Липсата на субективна грешка в показанията на резултата от измерването - субективни грешки, свързани с характеристиките на човешкото зрение, поради паралакса, поради разделителната способност на окото.

6. Цифров филтър

Цифров филтър - в електрониката всеки филтър, който обработва цифров сигнал, за да подчертае и/или потисне определени честоти на този сигнал. За разлика от цифровия филтър, аналоговият филтър се занимава с аналогов сигнал, неговите свойства недискретни, съответно, трансферната функция зависи от вътрешните свойства на нейните съставни елементи.

Предимствата на цифровите филтри пред аналоговите са:

· Висока точност (точността на аналоговите филтри е ограничена от допустимите отклонения на елементите).

· Стабилност (за разлика от аналогов филтър, предавателната функция не зависи от дрейфа на характеристиките на елементите).

· Гъвкавост на конфигурацията, лесна промяна.

· Компактност - аналогов филтър с много ниска честота (фракции от херца, например) би изисквал изключително обемисти кондензатори или индуктори.

Но има и недостатъци:

· Трудност при работа с високочестотни сигнали. Честотната лента е ограничена от честотата на Найкуист, която е равна на половината от честотата на дискретизация на сигнала. Следователно аналоговите филтри се използват за високочестотни сигнали или, ако няма полезен сигнал при високи честоти, те първо потискат високочестотните компоненти с помощта на аналогов филтър, след което обработват сигнала с цифров филтър.

· Трудност при работа в реално време - изчисленията трябва да бъдат завършени в рамките на периода на вземане на проби.

· Високата точност и висока скорост на обработка на сигнала изискват не само мощен процесор, но и допълнителни, вероятно скъпи, хардуерпод формата на високопрецизни и бързи аналогово-цифрови преобразуватели.

7. Аналогово-цифров преобразувател

Обикновено аналогово-цифров преобразувател е електронно устройство, преобразувайки напрежението в двоичен цифров код. Въпреки това, някои неелектронни устройства с цифров изход също трябва да бъдат класифицирани като този тип, например някои видове конвертори на ъглов код. Най-простият еднобитов двоичен преобразувател е компаратор.

Резолюция на ADC- минималната промяна в големината на аналоговия сигнал, която може да бъде преобразувана от това устройство, е свързана с неговия битов капацитет. В случай на едно измерване без отчитане на шума, разделителната способност се определя директно от битовия капацитет на преобразувателя.

Капацитет на ADCхарактеризира броя на дискретните стойности, които преобразувателят може да произведе на изхода. В двоичните устройства се измерва в битове, в троичните устройства се измерва в тритове. Например двоичен 8-битов преобразувател е в състояние да произведе 256 дискретни стойности (0...255), тъй като . 8-битовият троичен код е в състояние да произведе 6561 дискретни стойности, тъй като .

Честота на преобразуванеобикновено се изразява в броене в секунда. Съвременните ADC могат да имат капацитет до 24 бита и скорост на преобразуване до милиард операции в секунда (разбира се, не едновременно). Колкото по-високи са скоростта и битовият капацитет, толкова по-трудно е да се получат необходимите характеристики, толкова по-скъп и сложен е конверторът. Скоростта на преобразуване и битовата дълбочина са свързани помежду си по определен начин и можем да увеличим ефективната битова дълбочина на преобразуване, като пожертваме скоростта.

Квантуващ шум- грешки, възникващи при цифровизиране на аналогов сигнал. В зависимост от вида на аналогово-цифровото преобразуване, те могат да възникнат поради закръгляване (до определена цифра) на сигнала или отрязване (отхвърляне на цифрите от по-нисък ред) на сигнала.

За да се осигури дискретизация на синусоидален сигнал от 100 kHz с грешка от 1%, времето за преобразуване на ADC трябва да бъде 25 ns. В същото време, използвайки такъв високоскоростен ADC, е принципно възможно да се вземат проби от сигнали с ширина на спектъра от около 20 MHz. По този начин вземането на проби с помощта на самото устройство води до забележимо несъответствие между изискванията между скоростта на ADC и периода на вземане на проби. Това несъответствие може да достигне 2...3 порядъка и значително увеличава цената и сложността на процеса на вземане на проби, тъй като дори за теснолентови сигнали той изисква доста високоскоростни преобразуватели. За сравнително широк клас от бързо променящи се сигнали този проблем се решава чрез използване на устройства за вземане на проби и задържане, които имат кратко време на апертура.

8. Цифрово и аналогово копиране

От края на 90-те години се наблюдава ясна тенденция на преход от аналогова към цифрова технология на пазара на широкоформатни копирни машини и инженерни системи. В днешно време повечето производители са променили своята продуктова линия. Много от тях напълно изоставиха производството на аналогови копирни машини.

Тенденцията към цифровите технологии е напълно разбираема. Първо, много предприятия, които искат да са в крак с времето и да бъдат конкурентоспособни, решават проблема с преобразуването на документооборота в електронна форма. Второ, изискванията към качеството на документите нарастват, което определя имиджа на предприятието в очите на партньори и клиенти.

В това отношение многофункционалната цифрова технология има значителни предимства пред аналоговата, дължащи се преди всичко на самите принципи на цифрово и аналогово копиране.

Предимства:

· Възможност за свързване към компютър

· Цифровата технология може не само да копира документи, но и да отпечатва файлове от компютър, както и да сканира оригинали и да ги конвертира в електронен вид, например за запазване в електронен архив. Аналоговите устройства могат само да копират.

· Качество на копиране

· Цифровата технология ви позволява да получавате копия с по-високо качество, тъй като файлът, сканиран в паметта на устройството, може да бъде цифрово обработен. Най-много полезно приложениеТази опция е за изчистване на фона при копиране на чертежи. В допълнение, цифровите фотоапарати поддържат фото режим и изобразяват нюансите на сивото и полутоновете много по-добре. Когато копират цветни изображения, цифровите машини могат да разграничават различните цветове, като ги отпечатват в различни нюанси на сивото.

· В допълнение към това, цифровата технология не използва оптика, която предава светлина, отразена от оригинала към фотобарабана. Тази оптика за аналогови устройства изисква редовна поддръжка, тъй като събира прах, което също се отразява на качеството на отпечатъците.

· Широка функционалност

· Цифровата обработка на оригинала позволява не само да се подобри качеството на копията, но и да се трансформира оригиналът, например мащабиране, прилагане на инверсия, негатив и др.

· Надеждност

· По-високата надеждност на цифровата технология е свързана не само с липсата на оптика и лампа за подсветка, която трябва да се сменя редовно, но и с различен метод на репликация. Когато правите тираж на аналогова машина, оригиналът трябва не само да се издърпа в посоката на сканиране, но и да се върне обратно начална позицияпреди следващото копие. Цифровата машина подава оригинала веднъж, запомня го и след това произвежда копия, отпечатвайки копия от паметта.

9. Цифрова и аналогова музикална техника

Отдавна, в нашето време на цифрови технологии, сме спрели да мислим колко по-удобни са цифровите хардуерни ресурси в сравнение с аналоговите. По принцип, когато преходът от аналогово към цифрово оборудване едва започваше, имаше много дебати по темата за лекотата на използване, техническите предимства и, обратно, недостатъците на цифровото пред аналоговото. Но сега, от време на време, този въпрос все още възниква в различни ситуации, както в различни звукозаписни студия, така и в клубове. Какви са предимствата на цифровото оборудване пред аналоговото и с какво цифровото е по-лошо от по-старите дизайни?

Първо, нека поговорим накратко за принципите, на които се основава аудио цифровизацията.

За преобразуване на аналогов звук в цифров има аналогово-цифрови преобразуватели; именно тези устройства са в състояние да преобразуват непрекъснат аналогов сигнал в последователност от отделни числа, тоест да го направят дискретен. Преобразуването става по следния начин: цифрово устройство измерва амплитудата на аналоговия сигнал много пъти в секунда и извежда резултатите от тези измервания директно под формата на числа. В същото време резултатът от измерването не е точен аналог на непрекъснат електрически сигнал. Пълнотата на съвпадението зависи от броя на измерванията и тяхната точност. Честотата, при която се правят измерванията, се нарича честота на дискретизация, а прецизността на амплитудните измервания показва броя на битовете, използвани за показване на резултата от измерването. Този параметър е битовата дълбочина.

И така, преобразуването на аналогов сигнал в цифров сигнал се състои от два етапа: дискредитиранепо време и квантуване(изравняване) по амплитуда. Дискредитирането по време означава, че сигналът е представен от поредица от неговите показания (проби), взети на равни интервали от време. Например, когато кажем, че честотата на дискретизация (по-често наричана честота на дискретизация) е 44,1 kHz, това означава, че сигналът се дискретизира 44 100 пъти в секунда. Като правило, основният въпрос на първия етап от преобразуването на аналогов сигнал в цифров (цифровизация) е изборът на честотата на аналоговия сигнал, тъй като качеството на резултата от преобразуването зависи пряко от това. Смята се, че обхватът на честотите, които човек чува, е от 20 до 20 000 Hz и за да може аналоговият сигнал да бъде точно възстановен от неговите семпли, честотата на семплиране трябва да бъде поне два пъти по-голяма от максималната аудио честота. По този начин, ако реален аналогов сигнал, който впоследствие ще бъде преобразуван в цифрова форма, съдържа честотни компоненти от 0 kHz до 20 kHz, тогава честотата на дискретизация на такъв сигнал трябва да бъде не по-малка от 40 kHz. По време на процеса на дискредитиране честотният спектър на аналоговия звук претърпява много значителни промени. Веднъж дискредитиран, сравнително нискочестотният оригинален аналогов сигнал е последователна времева поредица от много тесни импулси с различна амплитуда и с много широк спектър до няколко мегахерца. Следователно спектърът на дискредитирания сигнал е много по-широк от спектъра на оригиналния аналогов сигнал. Оттук и заключението: най-подходящата цифровизация се извършва при повишена честота на дискредитиране и с висока битова дълбочина.

Принципите на работа на аналоговото оборудване се основават на непрекъснатостта на сигнала в електрическата верига. Причината за прехода на производствените технологии от аналогови към цифрови беше необходимостта на първо място да се подобри качеството на звука, съхранението и автоматизацията на работния процес. Но в същото време, поради компресирането на оригиналния сигнал след процеса на цифровизация, компактдискът е по-нисък в общото качество на звука от винила, тъй като честотният диапазон на оригиналния сигнал по време на аналогов запис практически не претърпява промени (както за намаляване на шума , това също зависи от иглите на играчите) . Ето защо професионалистите предпочитат звука на винил пред компактдискове.

10. Недостатъци на цифровите устройства

Бих искал да отделя още няколко думи за недостатъците на цифровите технологии, които могат да бъдат много важни в масовото производство.

В някои случаи цифрови схемиизползват повече мощност от аналоговите за изпълнение на същата задача, генерирайки повече топлина, което увеличава сложността на веригата, например чрез добавяне на охладител. Това може да ограничи използването им в преносими устройства, захранвани с батерии.

например, мобилни телефоничесто използват аналогов интерфейс с ниска мощност за усилване и настройка на радиосигнали от базова станция. Базовата станция обаче може да използва енергоемка, но изключително гъвкава софтуерно дефинирана радиосистема. Такива базови станции могат лесно да бъдат препрограмирани за обработка на сигнали, използвани в новите стандарти за клетъчна комуникация.

Цифровите схеми понякога са по-скъпи от аналоговите.

Възможна е и загуба на информация при преобразуване на аналогов сигнал в цифров. Математически това явление може да се опише като грешка при закръгляване.

В някои системи загубата или повредата на едно парче цифрови данни може напълно да промени значението на големи блокове от данни.

Референции

аналогово цифрово сигнално устройство

1. Хоровиц П., Хил У. Изкуството на дизайна на вериги. В 3 тома: Т. 2. Прев. от английски - 4-то изд., преработено. и допълнителни - М.: Мир, 1993. - 371 с.

Hanzel G.E. Ръководство за изчисляване на филтри. САЩ, 1969. / Прев. от английски, изд. А.Е. Знаменски. М.: Сов. радио, 1974. - 288 с.

. "Цифрова обработка на сигнали". Л.М. Goldenberg, B.D. Матюшкин - М.: Радио и комуникация, 1985

Бирюков С.А. Цифрови устройства на MOS интегрални схеми / Бирюков S.A.-M .: Радио и комуникации, 2007.-129 с.: ил. - (Масова радиотека ; бр. 1132).

Горбачов Г.Н. Чаплыгин Е.Е. Индустриална електроника / Изд. проф. В.А. Лабунцова. - М.: Енергоатомиздат, 1988.

Shkritek P. Справочно ръководство за аудио схеми: Превод. от немски-М. Мир, 1991. - 446 с.: ил.

Шило В.Л. Популярни цифрови чипове: Справочник / Shilo V.L.-M .: Металургия, 2008.-349 с. - (Масова радиотека ; бр. 1111).

Голденберг Л.М. Импулсни и цифрови устройства: Учебник за университети / Goldenberg L.M.-M.: Комуникация, 2009.-495 с.: ил..-Библиография: с. 494-495.

Букреев И.Н. Микроелектронни схеми на цифрови устройства / Букреев И.Н., Мансуров Б.М., Горячев В.И. - 2-ро изд., преработено. и доп..-М.: Сов. радио, 2008.-368 с.

0

Има научни статии (напр. Chakrapani & Palem) и устройства (напр. Lyric), които използват така наречената вероятностна логика. Предполагам, че идеята е, че изходите на такова устройство, дадени някои входове, се сближават с някакво вероятностно разпределение. Каква е разликата между тези устройства и аналоговите сигнали? Така че тези устройства все още ли се считат за цифрови, аналогови, смесени сигнали?

• 1 отговор

Сортиране:

активност

0

Изглежда, че тази статия описва нова (вероятностна) булева логика и не става дума за внедряване. Просто гледах вестника, но изглежда, че това е още една от тези теории. Между другото, има проста причина, поради която вероятностните логики не ви дават това, което класическите логики ви дават, а именно, те не са функционални на истината (т.е. стойността на A & B не зависи единствено от стойността на A и стойността от Б).

Що се отнася до прилагането на такова нещо върху чип: мисля, че и двете са възможни. Ако го правите цифрово, тогава изчислявате вероятности и може също така да стартирате някакъв код на процесора. Всъщност не знам за аналоговите реализации, но мисля, че всеки основен аналогов компонент (транзистор, операционна системаи т.н.) Може да се разглежда като извършване на някои основни аритметични операции върху напрежения и токове. Друг е въпросът дали моделът води до заключения, които се придържат или се доближават до законите на Колмогоров за вероятността, но предполагам, че е възможно и може би е направено.

Основните недостатъци на цифровите системи за предаване, обработка и съхранение на аудио сигнали включват:

1) разширяване на честотната лента. Предаването на аналогови сигнали изисква честотна лента, чиято ширина не е по-голяма от тази на оригиналния сигнал. Необходимостта от разширяване на честотната лента за преминаване на цифрови сигнали се определя от факта, че пробите са представени под формата на двоични кодови комбинации, по време на предаването на които всеки бит от кодовата комбинация се показва като отделен импулс. Следователно един от основните недостатъци на цифровото представяне на сигнала са високите изисквания към честотна лентакомуникационни канали и капацитет за съхранение;

2) аналогово-цифрово преобразуване. Когато прилагат ADC, те се стремят да намерят компромис между точността на оригиналното представяне на сигнала в цифрова форма, което се постига чрез увеличаване на броя на нивата на квантуване и честотите на дискретизация, и степента на разширяване на честотната лента, необходима за предаване на цифровия сигнал, или капацитетът за съхранение, необходим за съхранението му. Обичайна практика е ADC аудио сигналите да са с достатъчно висока степенточност (около 16 бита на 1 проба) с последващо намаляване на броя на битовете на проба чрез използване различни схемицифрова компресия;

3) необходимостта от времева синхронизация. Синхронизацията определя моментите, в които трябва да се преброи входящият сигнал, за да се реши каква стойност е била предадена. За оптимално откриване на сигнала импулсният генератор трябва да бъде синхронизиран с времето на импулсите, пристигащи от линията. Проблемът се влошава в случаите, когато мрежата се формира от няколко комутационни станции и е необходимо да се решат проблемите на вътрешната и цялата мрежа синхронизация;

4) несъвместимост със съществуващи аналогови устройства. Цифрово оборудване, който се използва например в локални телефонни мрежи, задължително осигурява стандартен аналогов „интерфейс“ с останалата част от мрежата. Следователно, докато всички мрежи не станат напълно цифрови, ще бъде практически невъзможно да се постигнат максималните предимства на цифровите телефонни системи по отношение на качеството на сигнала и предоставянето на „не-гласови“ услуги.

Основните технически предимства на цифровите системи за обработка, предаване и съхранение на аудио сигнали са следните:

1) възможността за регенериране на сигнала. Основното предимство на цифровата система е, че вероятността от възникване на грешка в линейния път при предаване на съобщение може да бъде много малка чрез въвеждане на регенератори в междинните точки на предавателните линии. Междинните възли ще открият и регенерират цифрови сигнали, преди изкривяването, възникващо в канала, да достигне ниво, което ще доведе до грешки при приемане, т.е. влиянието на тези изкривявания е изключено. Обратно, в аналоговите системи шумът и изкривяването се натрупват, докато сигналът преминава от едно място към друго. Ако броят на точките за регенерация в проектираната цифрова комуникационна система е достатъчен за отстраняване на грешки в канала, тогава качеството на предаване в комуникационната мрежа се определя само от процеса на преобразуване на сигнала в цифрова форма, а не от предавателната система ;

2) способността за работа при ниски стойности на съотношението сигнал / шум (смущения). Шумът и смущенията при предаване на аудио сигнали в аналоговите мрежи са най-силно изразени по време на паузи, когато амплитудата на сигнала е малка. Друг от основните проблеми при проектирането и работата на аналоговите мрежи, например в телефонията, е необходимостта от премахване на преходни смущения между веригите, през които се предава речта. Проблемът става още по-остър в онези периоди, когато в единия канал има пауза в разговора, а другият, въздействащ канал, предава сигнал с максимална мощност. В цифровите системи по време на паузи се предават определени кодови комбинации и нивото на мощност на сигналите, предавани по време на паузи, е същото като при предаване на полезна информация. Тъй като регенерирането на сигнала по време на цифрово предаване елиминира почти целия шум, възникващ в предавателната среда, шумът на свободен канал (по време на пауза) се определя само от процеса на кодиране, а не от предавателната линия. По този начин паузите не определят максималните нива на шума, какъвто е случаят в аналоговите системи, а кръстосаните смущения на ниско ниво се елиминират по време на процеса на регенерация в цифровите регенератори или приемници.

Цифровите предавателни линии осигуряват възможност за практически безпогрешно предаване на съобщения по комуникационни канали със стойности на съотношението сигнал/шум от порядъка на 15-25 dB, в зависимост от метода на кодиране (приетата стойност на сигнала към - съотношението на шума при предаване от едно крайно устройство на друго в аналогова мрежа е съответно 46 и 40 dB за местни и международни комуникационни линии), което осигурява конкурентоспособността на цифровите системи в сравнение с аналоговите, когато се използват в условия на нисък прием нива на сигнала и наличие на преходни смущения;

3) лекота на прехвърляне на контролна информация. Контролната информация е предимно цифрова по природа и следователно може лесно да бъде включена в цифрова система за предаване. Независимо от метода за въвеждане на управляваща информация в цифровия път (мултиплексиране с разделяне по време, въвеждане на специални комбинации от контролни кодове), по отношение на предавателната система, управляващата информация се оказва неразличима от информационните съобщения. Обратно, аналоговите предавателни системи имат по-малко, често много ограничени, възможности за предаване на контролна информация, което доведе до появата на много различни видове формати на контролни сигнали и необходимостта от проектиране на устройства за разпознаване и преобразуване на тези формати;

4) адаптивност към други видове услуги. Използването на аналогова мрежа, например телефонна мрежа, за организиране на други видове комуникация, които не са предназначени за предаване на гласова информация, може да изисква специални мерки за адаптиране към условията на предаване на речеви сигнали (по-специално, за спазване на честотата честотна лента до 4 kHz). Напротив, в цифровата система всяко съобщение има стандартен формат, получени в преносната система. По този начин преносната система не трябва да анализира вида на предаваната информация и може да бъде като цяло безразлична към естеството на товара, който обслужва;

5) цифрова обработка на сигнала. Обработката на сигнали обикновено се отнася до такива операции върху сигнали, които подобряват или трансформират техните характеристики. Основните предимства на цифровата обработка на сигнала са следните:

Програмируемост. един основна структурас променливо алгоритмично или параметрично описание в цифрова памет може да се използва за обработка на сигнали от различни типове;

Споделяне. Едно устройство за цифрова обработка на сигнали може да се използва за обработка на много сигнали чрез съхраняване на междинните резултати от всеки процес в памет с произволен достъп (RAM) и обработка на последователността на сигнала по някакъв начин на циклично споделяне на времето;

Автоматичен контрол. Тъй като на входовете и изходите на устройство за цифрова обработка на сигнали се използват цифрови данни, правилната работа на устройството може да се провери по стандартен начин чрез сравняване на реакцията на изхода му с определена тестова последователност от данни, записани в паметта;

Универсалност. Тъй като цифровата обработка на сигнала се осъществява от цифрови логически схеми, процесът на обработка може да включва много различни функции, които може да не са възможни или непрактични за изпълнение в аналогова форма.

Примери за операции, свързани с обработката на сигнали и реализирани по-ефективно в цифровата обработка, са: откриване (генериране) на определени честоти, усилване (затихване), коригиране, филтриране, компандиране, преобразуване на различни формати на съобщения;

6) Лесно формиране на група. Същността на методите за групово формиране (многоканално предаване на сигнал) е, че съобщенията от различни източници на информация се комбинират, за да образуват групов сигнал, който се предава по комуникационната линия. При използване на аналогови комуникационни системи обикновено се използва принципът на честотно разделяне на каналите (FDM), при който всеки канал на системата е снабден с определен участък от честотния диапазон, чиято ширина е равна или по-голяма от честотата лента на абонатния канал. В цифровите многоканални комуникационни системи, обикновено изградени на принципа на разделяне на каналите във времето (TDK), сигналите се предават последователно по комуникационната линия от различни източници на съобщения, като се използва пълната честотна лента на линейния път по време на предаване на сигнали от всеки източник.

FDM оборудването обикновено е по-скъпо от TDM оборудването, дори когато се вземе предвид цената на аналогово-цифровото преобразуване. Трябва да се отбележи, че формирането на групови аналогови сигнали с TRC също е доста просто реализирано, но недостатъкът на аналоговите системи с TRC е тяхната ниска устойчивост на шум, поради чувствителността на тесните аналогови импулси към смущения, изкривявания, пресичане и интерсимвол намеса;

7) лекота на класифициране. За разлика от аналоговите съобщения, чието криптиране е доста трудоемка задача и надеждността на криптирането често е недостатъчна, внедряването на кодиране и декодиране на цифров поток е по-просто и ефективно.

Много от предимствата на цифровото предаване (в сравнение с аналоговото) могат да се отдадат и на цифровия запис. Първото от тези предимства е възможността да се определи качеството на възпроизвеждане по време на запис и да се поддържа това качество за неопределено време чрез периодично копиране (регенериране) на цифрово записана информация, което не е възможно при аналогов запис.

Друго предимство на цифровите системи за съхранение е възможността да се използват нискокачествени (нелинейни) носители за запис с по-ниско съотношение сигнал/шум в сравнение с аналоговите носители. В резултат на това устройствата за цифрово възпроизвеждане ще станат икономически привлекателни за потребителите поради намаляването на разходите за електронни продукти и носители за запис.

8) Анализът и синтезът на аудио сигнали, особено реч, е област на широко разпространени изследвания, тясно свързани с преобразуването на речта в цифрова форма. Някои от говорните кодери и декодери, работещи при най-ниските битрейтове, включват известна степен на анализ и синтез на говорни сигнали в цифрова форма.

9) висока надеждност и степен на интеграция с други устройства (предимно цифрови), лекота на взаимодействие с компютър.

Въвеждането на DSP се извършва с особено бързи темпове в различни видове комуникации, по-специално безжични. Такива инструменти включват цифрови комутатори за автоматични телефонни централи, инструменти за разпознаване на реч в системи за гласово управление, инструменти за кодиране на реч и мултиплексиране на канали в телефонни и клетъчни радиотелефонни комуникационни системи, инструменти за компресиране на изображения във видеотелефония и инструменти за защита на информацията от неоторизиран достъп. Новите технически изисквания към комуникационните системи от поколение 3G включват използването на по-високи честотни диапазони (2-3 GHz), увеличена честотна лента на канала и пакетите и високи скорости на трансфер на данни (до 2 Mbit/s). Мобилните терминали от ново поколение трябва да осигуряват пълен достъп до Интернет с възможност за обмен на аудио/видео информация.

Ускорителите, базирани на цифрови сигнални процесори (DSP), повишават производителността на компютъра с порядък или повече и в комбинация с аналогови входно-изходни интерфейси превръщат компютъра в работна станция за решаване на проблеми в областта на акустиката, радара, телевизията и радиото, медицина и т.н. В много отношения това са способностите ефективна обработкареч, аудио и видео информация в хардуерни схеми, базирани на DSP, направиха възможно да се направи качествен скок в използването на компютърните технологии.

В света на електрониката сервосистемите често се използват в силовата част. различни устройстваи механизми. Всички сервоуреди могат ясно да бъдат разделени на две групи - цифрови и аналогови сервосистеми.

Днес ще разгледаме предимствата и недостатъците на всеки тип серво, управлявани от библиотеката Servo, която е включена в стандартния пакет на софтуера ArduinoIDE, един от най-популярните инструменти за разработка на софтуер за микроконтролери.

Разлика между цифров и аналогов серво мотор

Само преди десетина години по-голямата част от сервосистемите бяха аналогови сервомашини, но сега цифровите сервомашини стават все по-популярни. Външно тези два типа сервоприводи са неразличими един от друг; всичките им разлики се крият във вътрешната електроника.

Аналоговите сервосистеми обикновено имат специален чип, конфигуриран с аналогови елементи като резистори и кондензатори, докато цифровите сервомашини имат микроконтролер с кристален осцилатор и фърмуер, в резултат на което цифровите сервомашини могат да усетят сигнал с по-висока честота от аналоговите сервосистеми.

Някои усъвършенствани сервоуреди имат възможност за обновяване на фърмуера, управление от компютър... Но основната разлика все още е в електрониката, а останалите механични компоненти, като мотор и скоростна кутия, може да са същите.

Обработка на управляващ сигнал от различни видове сервоприводи

ArduinoServo е специална библиотека за пакета ArduinoIDE, която осигурява прецизна работа на серво мотори с Arduino контролери. Нека да разгледаме как сервото възприема информацията, идваща от контролера Arduino. Сервомоторът, независимо от неговия тип, получава управляващ сигнал от контролера.

Ако това е аналогов сервомотор, тогава когато пристигне нов сигнал, той се сравнява с текущата позиция (която се определя с помощта на потенциометър) и след това, ако е необходимо, сигналът се преобразува и изпраща към двигателя, който движи вала до необходимия ъгъл.

Стандартният параметър на сигнала за аналогово серво е 50Hz (1/50 от секундата), което означава, че времето за реакция на серво трябва да бъде малко под 20µs. През този период от време, теоретично, позицията на вала може да бъде променена от някакво външно въздействие, поради което този период се нарича мъртва зона.

Цифровото серво задвижване е способно да получава управляващ сигнал с честота до 300 Hz, така че е в състояние да реагира по-бързо на промените в сигнала и има много малка мъртва зона в сравнение с аналоговото серво задвижване; По-бързият и по-точен микроконтролер също позволява по-точно позициониране на вала и прецизно задържане на вала под желания ъгъл. Тези сервомеханизми обикновено имат висок въртящ момент.

И почти единственият, но съществен недостатък е повишената консумация на енергия в сравнение с аналогов сервомотор.

Специални приложения за различни видове серво задвижвания

Цифровите сервомотори показват подобрени характеристики (скорост, сила) в сравнение с аналоговите, но имат по-висока консумация на енергия и цена.

Ако инсталирате цифрово серво задвижване на което и да е самостоятелно устройство, разходите за неговата поддръжка ще се увеличат, тъй като ще трябва да добавите по-големи (и по-скъпи) батерии и да изразходвате ресурси за презареждането им. Теглото на батериите ще намали драстично автономността.

Като цяло си струва да се използват цифрови сервомеханизми, ако искате да постигнете:

• Висока точност на позициониране (до части от градуса)
• Максимална резолюция
• Практически невидима мъртва зона
• Почти моментална реакция на входящ сигнал
• Постоянна сила върху вала

Но си струва да имате предвид, че само желанието не е достатъчно; ще трябва да платите и значителна сума за нов цифров сервомотор.

Цифровите сервосистеми често се използват в:

• Опаковъчни машини
• Механизми за управление на дронове
• Манипулатори
• Премиум радиоуправляеми модели

А аналоговите сервомотори, които нямат както предимства, така и „цифрови“ недостатъци, се използват в:

• Повдигащи механизми
• Металообработващи машини
• Прости конвейерни линии

Използването на цифрови технологии в видеонаблюдението непрекъснато нараства. Нека да разгледаме разликите между цифровата и аналоговата телевизия.
Началото и краят на всеки процес е аналогов сигнал. Междинните стойности могат да бъдат преобразувани в цифров формат, което осигурява много предимства. Човешките сетивни органи (ухо, око, нос, кожа и др.) реагират само на непрекъснат аналогов сигнал.

Аналогови системи

Аналоговият сигнал е непрекъснат сигнал за електрическо напрежение, който представлява физически процес, като светлина, звук или друга променлива. Въпреки че аналоговият процес е по-лесен за разбиране, той има много ограничения.

Шум и смущения

Всички електронни схеми и устройства произвеждат известно количество случаен шум. Освен това има и външни електромагнитни смущения. Тъй като аналоговият сигнал е непрекъсната функция, този шум и смущения стават част от сигнала и не могат да бъдат напълно елиминирани. Компонентите на шума се увеличават с броя на електрическите вериги.

Изкривявания

Аналоговият сигнал зависи от пропорционалността между физически процес и съответното му електрическо напрежение. Повечето аналогови схеми са нелинейни, което означава, че изходният сигнал не съвпада точно с входния сигнал. Обикновено тази позиция не може да бъде напълно коригирана. Освен това в голяма система тези изкривявания се натрупват. Във всички аналогови схеми възникват малки промени в нивото на сигнала в резултат на външни фактори, като температурни промени. Те не могат да бъдат коригирани, защото са неотделими от самите сигнали.

Цифрови системи

Цифровата система е по-сложна, но има много предимства пред аналоговата система.

Точно представяне

След като аналоговият сигнал се преобразува в цифров сигнал, неговите параметри могат да се поддържат непроменени в цялата система, независимо от неговия размер (освен ако не се използва компресия). Това се дължи на имунитета на цифровата система към външен шум и смущения.

Предаване на сигнал без загуба на информация

Всички системи за предаване на сигнали са предимно аналогови и имат присъщи проблеми с шума и изкривяването. Цифровите сигнали обаче могат да бъдат защитени срещу грешки, което позволява цифровите сигнали да бъдат предавани без изкривяване.

Сложност на процеса

В аналогова система всяка стъпка в сложен процес на обработка на сигнала обикновено изисква отделна верига. В една цифрова система един централен процесор (CPU) може да бъде програмиран така, че с помощта на подходящия софтуерможе да изпълнява различни стъпки. Това позволява на цифровата система да обработва много повече процеси.

Ниска цена

Интегралните схеми (IC) за цифрови системи са много по-евтини за производство, отколкото за аналогови системи.

Цифровото съхранение беше една от първите употреби на цифрово видео. Цифровите видео сигнали могат да се съхраняват в паметта с бързо търсене. Тази памет също така дава възможност за показване на сигнали в различни формати, независимо от формата на входящия сигнал. Възможно е показване на сигнали с различни резолюции и формати (PAL, NTSC и др.).

Недостатъци на цифровите видео системи

• По-трудно за разбиране и проектиране
• Изисква по-широка честотна лента (обаче различни методикомпресията преодолява този недостатък).
• Няма постепенно влошаване на цифровия сигнал - дори малка грешка може да изкриви цялото изображение.