Tipos de sinais. Sinal digital e analógico: quais são as semelhanças e diferenças, vantagens e desvantagens

Uma pessoa fala ao telefone todos os dias, assiste a programas de vários canais de TV, ouve música, navega na Internet. Todos os meios de comunicação e outros ambientes de informação são baseados na transmissão de sinais tipos diferentes... Muitas pessoas fazem perguntas sobre como a informação analógica difere de outros tipos de dados, o que é um sinal digital. A resposta a eles pode ser obtida entendendo a definição de vários sinais elétricos, tendo estudado sua diferença fundamental entre eles.

Sinal analógico

Um sinal analógico (contínuo) é um sinal de informação natural que possui uma série de parâmetros, que são descritos por uma função de tempo e um conjunto contínuo de todos os valores possíveis.

Os sentidos humanos captam todas as informações do ambiente de forma analógica. Por exemplo, se uma pessoa vê um caminhão passando, então seu movimento é observado e muda continuamente. Se o cérebro recebesse informações sobre o movimento dos veículos a cada 15 segundos, as pessoas sempre cairiam sob suas rodas. Uma pessoa estima a distância instantaneamente, e a cada momento ela é determinada e diferente.

O mesmo acontece com outras informações - as pessoas ouvem o som e avaliam seu volume, avaliam a qualidade do sinal de vídeo e assim por diante. Conseqüentemente, todos os tipos de dados são de natureza analógica e estão em constante mudança.

Em uma nota. O sinal analógico e digital participa da transmissão da fala dos interlocutores que se comunicam por telefone, a Internet funciona a partir da troca desses canais de sinal via cabo de rede... Esses sinais são elétricos por natureza.

Um sinal analógico é descrito por uma função matemática de tempo semelhante a uma senoide. Se você fizer medições, por exemplo, da temperatura da água, aquecendo-a e resfriando-a periodicamente, será exibida uma linha contínua no gráfico da função, que reflete seu valor a cada intervalo de tempo.

Para evitar interferências, tais sinais devem ser amplificados por meio de meios e dispositivos especiais. Se o nível de interferência do sinal for alto, será necessário amplificá-lo mais. Este processo é acompanhado por um grande dispêndio de energia. Um sinal de rádio amplificado, por exemplo, muitas vezes pode se tornar um obstáculo para outros canais de comunicação.

Interessante saber. Sinais analógicos eram usados ​​anteriormente em qualquer tipo de comunicação. No entanto, hoje em dia está sendo substituído em todos os lugares ou já suplantado (pelas comunicações móveis e pela Internet) por sinais digitais mais avançados.

Analógico e televisão digital até agora coexistem, mas o tipo digital de transmissão de televisão e rádio em alta velocidade está substituindo o método analógico de transmissão de dados devido às suas vantagens significativas.

Três parâmetros principais são usados ​​para descrever este tipo de sinal de informação:

• frequência;
• Comprimento de onda;
• amplitude.

Desvantagens de um sinal analógico

O sinal analógico possui as seguintes propriedades, nas quais sua diferença em relação à versão digital pode ser rastreada:

1. Este tipo de sinal é redundante. Ou seja, a informação analógica neles não é filtrada - eles carregam muitos dados de informação desnecessários. Porém, é possível passar informações pelo filtro, conhecendo parâmetros adicionais e a natureza do sinal, por exemplo, pelo método da frequência;
2. Segurança. Ele está quase completamente desamparado diante de intrusões não autorizadas de fora;
3. Desamparo absoluto diante de vários obstáculos. Se qualquer interferência for imposta no canal de transmissão de dados, ela será transmitida inalterada pelo receptor do sinal;
4. Falta de diferenciação específica dos níveis de amostragem - a qualidade e a quantidade das informações transmitidas não são limitadas por nada.

As propriedades acima são as desvantagens do método analógico de transmissão de dados, com base no qual pode ser considerado completamente obsoleto.

Sinais digitais e discretos

Os sinais digitais são sinais de informação artificiais apresentados na forma de valores digitais sucessivos que descrevem parâmetros específicos da informação transmitida.

Para informação. Hoje em dia, um fluxo de bits fácil de codificar é usado principalmente - um sinal digital binário. Este é o tipo que pode ser usado em eletrônica binária.

Diferença tipo digital a transmissão de dados de uma versão analógica consiste no fato de tal sinal possuir um determinado número de valores. No caso de um fluxo de bits, existem dois deles: "0" e "1".

A transição de zero para máximo no sinal digital é feita de forma abrupta, o que permite ao equipamento receptor uma leitura mais clara. Com algum ruído e interferência, o receptor achará mais fácil decodificar sinais elétricos digitais do que transmissões analógicas de dados.

No entanto, os sinais digitais diferem da versão analógica por uma desvantagem: com um alto nível de ruído, eles não podem ser restaurados e as informações podem ser extraídas do sinal contínuo. Exemplo disso é uma conversa ao telefone entre duas pessoas, durante a qual palavras inteiras e até frases de um dos interlocutores podem desaparecer.

Esse efeito no ambiente digital é chamado de efeito de recorte, que pode ser localizado reduzindo o comprimento da linha de comunicação ou instalando um repetidor, que copia completamente a forma original do sinal e a transmite posteriormente.

As informações analógicas podem ser transmitidas via canais digitais, tendo passado pelo processo de digitalização com dispositivos especiais. Este processo é denominado conversão analógico-digital (ADC). Este processo pode ser revertido - conversão digital para analógico (DAC). Um exemplo de dispositivo DAC é um receptor de TV digital.

Os sistemas digitais também se distinguem pela capacidade de criptografar e criptografar dados, que se tornou razão importante digitalização comunicações móveis e a Internet.

Sinal discreto

Existe também um terceiro tipo de informação - discreta. Um sinal deste tipo é descontínuo e muda com o tempo, tomando qualquer um dos valores possíveis (previamente prescritos).

A transmissão discreta de informações é caracterizada pelo fato de que as mudanças ocorrem em três cenários:

1. O sinal elétrico muda apenas com o tempo, permanecendo contínuo (inalterado) em magnitude;
2. Ele muda apenas no nível de magnitude, permanecendo contínuo no parâmetro de tempo;
3. Ele também pode mudar simultaneamente em magnitude e no tempo.

A discrição encontrou aplicação na transmissão em lote de grandes quantidades de dados em sistemas de computação.

Sinal de informação - um processo físico que tem para uma pessoa ou dispositivo técnico informativo significado. Pode ser contínuo (analógico) ou discreto

O termo “sinal” é muitas vezes equiparado aos conceitos de “dados” e “informações”. Na verdade, esses conceitos estão inter-relacionados e não existem um sem o outro, mas pertencem a categorias diferentes.

Sinalé uma função de informação que carrega uma mensagem sobre as propriedades físicas, estado ou comportamento de qualquer sistema físico, objeto ou ambiente, e a finalidade do processamento de sinal pode ser considerada a extração de certas informações de informações que são exibidas nesses sinais (resumidamente - útil ou informações de destino) e transformação dessas informações em uma forma que seja conveniente para a percepção e uso posterior.

As informações são transmitidas na forma de sinais. Um sinal é um processo físico que transporta informações. O sinal pode ser som, leve, na forma enviando e etc

O sinal é meio material informações que são transmitidas da fonte ao consumidor. Pode ser discreto e contínuo (analógico)

Sinal analógico- sinal de dados, no qual cada um dos parâmetros representativos é descrito por uma função de tempo e um conjunto contínuo de valores possíveis.

Os sinais analógicos são descritos como funções contínuas de tempo; portanto, um sinal analógico às vezes é chamado de sinal contínuo. Os sinais analógicos são opostos aos discretos (quantizados, digitais).

Exemplos de espaços contínuos e quantidades físicas correspondentes: (linha reta: tensão elétrica; circunferência: posição do rotor, roda, engrenagem, ponteiros do relógio analógico ou fase do sinal portador; segmento: posição do pistão, alavanca de controle, termômetro líquido ou sinal elétrico, amplitude limitada a vários espaços multidimensionais: cor, sinal modulado em quadratura.)

As propriedades dos sinais analógicos são amplamente o oposto das propriedades de quantizado ou digital sinais.

A falta de níveis de sinais distintos claramente distinguíveis entre si leva à impossibilidade de aplicar o conceito de informação à sua descrição na forma como é entendida nas tecnologias digitais. A "quantidade de informação" contida em uma amostra será limitada apenas pela faixa dinâmica do instrumento de medição.

Sem redundância. Da continuidade do espaço de valor, segue-se que qualquer interferência introduzida no sinal é indistinguível do próprio sinal e, portanto, a amplitude original não pode ser restaurada. Na realidade, a filtragem é possível, por exemplo, por métodos de frequência, se houver informação adicional sobre as propriedades deste sinal (em particular, a banda de frequência).

Aplicativo:

Os sinais analógicos são freqüentemente usados ​​para representar quantidades físicas em constante mudança. Por exemplo, um sinal elétrico analógico obtido de um termopar carrega informações sobre mudanças de temperatura, um sinal de um microfone - sobre mudanças rápidas de pressão em uma onda sonora, etc.

Sinal discretoé composto de um conjunto contável (isto é, tal conjunto, cujos elementos podem ser contados) de elementos (eles dizem - elementos de informação). Por exemplo, o sinal de “tijolo” é discreto. Consiste nos dois seguintes elementos (esta é a característica sintática deste sinal): um círculo vermelho e um retângulo branco dentro de um círculo, localizado horizontalmente no centro. É na forma de um sinal discreto que as informações que o leitor agora está dominando são apresentadas. Os seguintes elementos podem ser distinguidos: seções (por exemplo, “Informações”), subseções (por exemplo, “Propriedades”), parágrafos, sentenças, frases individuais, palavras e caracteres individuais (letras, números, sinais de pontuação, etc.). Este exemplo mostra que, dependendo da pragmática do sinal, diferentes elementos de informação podem ser distinguidos. De fato, para uma pessoa que estuda ciência da computação neste texto, elementos de informação maiores, como seções, subseções e parágrafos individuais, são importantes. Permitem navegar com mais facilidade pela estrutura do material, assimilá-lo melhor e se preparar para o exame. Para quem preparou este material metodológico, além dos elementos informativos indicados, também são importantes os menores, por exemplo, frases separadas com o auxílio das quais um ou outro pensamento é expresso e que implementam um ou outro método de acessibilidade do material. O conjunto dos menores elementos de um sinal discreto é chamado de alfabeto, e o próprio sinal discreto também é chamado mensagem.

A amostragem é a conversão de um sinal contínuo em discreto (digital).

A diferença entre apresentação discreta e contínua de informações é claramente visível no exemplo de um relógio. Em um relógio eletrônico com mostrador digital, as informações são apresentadas de forma discreta - em números, cada um claramente diferente um do outro. Em um relógio mecânico com mostrador apontador, as informações são apresentadas continuamente - pelas posições dos dois ponteiros, e duas posições diferentes do ponteiro nem sempre são claramente distinguíveis (especialmente se não houver marcadores de minutos no mostrador).

Sinal contínuo- refletido por alguma quantidade física que muda em um determinado intervalo de tempo, por exemplo, timbre ou intensidade do som. Em forma de sinal contínuo, informações reais são apresentadas para aqueles alunos-consumidores que assistem a palestras de informática e por meio de ondas sonoras (ou seja, a voz do docente), que são de natureza contínua, percebem o material.

Como veremos mais adiante, um sinal discreto se presta melhor a transformações, portanto tem vantagens em relação a um contínuo. Ao mesmo tempo, em sistemas técnicos e em processos reais prevalece um sinal contínuo. Isso força o desenvolvimento de métodos para converter um sinal contínuo em um sinal discreto. \

Para converter um sinal contínuo em um sinal discreto, um procedimento é usado, que é chamado quantização.

Sinal digital é um sinal de dados em que cada um dos parâmetros representativos é descrito por uma função de tempo discreta e um conjunto finito de valores possíveis.

Um sinal digital discreto é mais difícil de transmitir em longas distâncias do que um sinal analógico, portanto, é pré-modulado no lado do transmissor e demodulado no lado do receptor de informações. O uso de algoritmos para verificar e restaurar informações digitais em sistemas digitais pode aumentar significativamente a confiabilidade da transmissão de informações.

Comente. Deve-se ter em mente que um sinal digital real é analógico por sua natureza física. Devido a ruídos e mudanças nos parâmetros das linhas de transmissão, apresenta oscilações de amplitude, fase / frequência (jitter), polarização. Mas esse sinal analógico (pulso e discreto) é dotado das propriedades de um número. Como resultado, para seu processamento torna-se possível uso métodos numéricos (processamento informático).

Um sinal analógico é um sinal de dados em que cada um dos parâmetros representativos é descrito por uma função de tempo e um conjunto contínuo de valores possíveis.

Existem dois espaços de sinal - o espaço L (sinais contínuos) e o espaço l (L é pequeno) - o espaço de sequências. O espaço l (L é pequeno) é o espaço dos coeficientes de Fourier (um conjunto de números contáveis ​​definindo uma função contínua em um intervalo finito do domínio de definição), o espaço L é o espaço de sinais contínuos (analógicos) sobre o domínio de definição. Sob certas condições, o espaço L é mapeado exclusivamente para o espaço l (por exemplo, os dois primeiros teoremas de discretização de Kotelnikov).

Os sinais analógicos são descritos como funções contínuas de tempo; portanto, um sinal analógico às vezes é chamado de sinal contínuo. Os sinais analógicos são opostos aos discretos (quantizados, digitais). Exemplos de espaços contínuos e quantidades físicas correspondentes:

direto: tensão elétrica

circunferência: a posição do rotor, roda, engrenagens, ponteiros do relógio analógico ou a fase do sinal portador

segmento: posição do pistão, alavanca de controle, termômetro líquido ou sinal elétrico, limitado em amplitude vários espaços multidimensionais: cor, sinal modulado em quadratura.

As propriedades dos sinais analógicos são em grande parte opostas às dos sinais quantizados ou digitais.

A falta de níveis de sinais distintos claramente distinguíveis entre si leva à impossibilidade de aplicar o conceito de informação à sua descrição na forma como é entendida nas tecnologias digitais. A "quantidade de informação" contida em uma amostra será limitada apenas pela faixa dinâmica do instrumento de medição.

Sem redundância. Da continuidade do espaço de valor, segue-se que qualquer interferência introduzida no sinal é indistinguível do próprio sinal e, portanto, a amplitude original não pode ser restaurada. Na verdade, a filtragem é possível, por exemplo, por métodos de frequência, se qualquer informação adicional sobre as propriedades deste sinal for conhecida (em particular, a banda de frequência).

Aplicativo:

Os sinais analógicos são freqüentemente usados ​​para representar quantidades físicas em constante mudança. Por exemplo, um sinal elétrico analógico obtido de um termopar carrega informações sobre mudanças de temperatura, um sinal de um microfone - sobre mudanças rápidas de pressão em uma onda sonora, etc.

2.2 Sinal digital

Sinal digital é um sinal de dados em que cada um dos parâmetros representativos é descrito por uma função de tempo discreta e um conjunto finito de valores possíveis.

Os sinais são pulsos elétricos ou de luz discretos. Com este método, toda a capacidade do canal de comunicação é usada para transmitir um sinal. O sinal digital usa toda a largura de banda do cabo. A largura de banda é a diferença entre a frequência máxima e mínima que pode ser transmitida pelo cabo. Cada dispositivo em tais redes envia dados em ambas as direções e alguns podem receber e transmitir simultaneamente. Os sistemas de banda base transmitem dados como um sinal digital de uma única frequência.

Um sinal digital discreto é mais difícil de transmitir em longas distâncias do que um sinal analógico, portanto, é pré-modulado no lado do transmissor e demodulado no lado do receptor de informações. O uso de algoritmos para verificar e restaurar informações digitais em sistemas digitais pode aumentar significativamente a confiabilidade da transmissão de informações.

Comente. Deve-se ter em mente que um sinal digital real é analógico por sua natureza física. Devido a ruídos e mudanças nos parâmetros das linhas de transmissão, apresenta oscilações de amplitude, fase / frequência (jitter), polarização. Mas esse sinal analógico (pulso e discreto) é dotado das propriedades de um número. Como resultado, torna-se possível utilizar métodos numéricos para o seu processamento (processamento computacional).

O consumidor médio não precisa saber qual é a natureza dos sinais. Mas às vezes é necessário saber a diferença entre os formatos analógico e digital para abordar a escolha desta ou daquela opção com os olhos abertos, porque hoje se fala que o tempo das tecnologias analógicas já passou, estão sendo substituídas pelas digitais. . Você deve entender a diferença para saber o que estamos deixando e o que esperar.

Sinal analógicoé um sinal contínuo tendo número infinito dados próximos em valor dentro do máximo, todos os parâmetros dos quais são descritos por uma variável dependente do tempo.

Sinal digital- este é um sinal separado, descrito por uma função separada do tempo, respectivamente, a cada momento do tempo, a magnitude da amplitude do sinal tem um valor estritamente definido.

A prática tem mostrado que, com sinais analógicos, é possível haver interferência que pode ser eliminada com um sinal digital. Além disso, o digital pode recuperar os dados originais. Com um sinal analógico contínuo, muitas informações passam, muitas vezes desnecessárias. Em vez de um analógico, vários digitais podem ser transmitidos.

Hoje o consumidor está interessado na questão da televisão, pois é neste contexto que a frase "transição para um sinal digital" é frequentemente pronunciada. Nesse caso, o analógico pode ser considerado uma relíquia do passado, mas é justamente isso que a tecnologia existente aceita, sendo necessária uma especial para receber o digital. Claro, devido ao surgimento e expansão do uso de "números", eles estão perdendo sua antiga popularidade.

Vantagens e desvantagens dos tipos de sinal

A segurança desempenha um papel importante na avaliação dos parâmetros de um sinal particular. Várias influências, intrusões tornam o sinal analógico indefeso. Com o digital, isso é excluído, uma vez que é codificado a partir de pulsos de rádio. Por longas distâncias a transmissão de sinais digitais é complicada, é necessário usar esquemas de modulação-desmodulação.

Resumindo, podemos dizer que diferenças entre sinal analógico e digital consiste em:

• Na continuidade do analógico e na discrição do digital;
• É mais provável que interfira na transmissão analógica;
• A redundância do sinal analógico;
• Na capacidade de filtrar ruído digitalmente e recuperar as informações originais;
• Na transmissão de um sinal digital em formato codificado. Um sinal analógico é substituído por vários sinais digitais.

Ao lidar com transmissão de televisão e rádio, bem como tipos modernos de comunicação, muitas vezes você tem que encontrar termos como "Sinal analógico" e "Sinal digital"... Para especialistas nessas palavras não há mistério, mas para pessoas que são ignorantes, a diferença entre "figura" e "analógico" pode ser completamente desconhecida. E ainda há uma diferença muito significativa.

Quando falamos sobre um sinal, geralmente nos referimos a oscilações eletromagnéticas, que induzem um EMF e causam flutuações na corrente na antena do receptor. Com base nessas vibrações, o dispositivo receptor - TV, rádio, walkie-talkie ou telefone celular - cria uma "ideia" de qual imagem exibir na tela (na presença de um sinal de vídeo) e quais sons acompanharão esse vídeo sinal.

Em qualquer caso, o sinal de uma estação de rádio ou de uma torre móvel pode aparecer tanto na forma digital como analógica. Afinal, por exemplo, o próprio som é um sinal analógico. Na rádio, o som recebido pelo microfone é convertido nas já mencionadas oscilações eletromagnéticas. Quanto mais alta a frequência do som, mais alta a frequência de oscilação de saída e, quanto mais alto o alto-falante falar, maior a amplitude.

As vibrações eletromagnéticas resultantes, ou ondas, se propagam através do espaço usando uma antena transmissora. Para que o ar não fique entupido com interferências de baixa frequência, e para que diferentes rádios tenham a oportunidade de trabalhar em paralelo, sem interferir umas nas outras, somam-se as vibrações decorrentes do efeito do som, ou seja, "sobrepostas "em outras vibrações de frequência constante. A última frequência costuma ser chamada de "portadora", e é à sua percepção que sintonizamos nosso receptor de rádio para "captar" o sinal analógico da estação de rádio.

No receptor, ocorre o processo oposto: a frequência da portadora é separada e as oscilações eletromagnéticas recebidas pela antena são convertidas em oscilações sonoras, e a voz familiar do locutor é ouvida pelo locutor.

Tudo pode acontecer no processo de transmissão de um sinal de áudio do rádio para o receptor. Pode ocorrer interferência de terceiros, a frequência e a amplitude podem mudar, o que, é claro, se refletirá nos sons emitidos pelo receptor de rádio. Finalmente, tanto o transmissor quanto o receptor introduzem algum erro durante a conversão do sinal. Portanto, o som reproduzido por um receptor de rádio analógico sempre apresenta alguma distorção. A voz pode ser bastante reproduzível apesar das mudanças, mas o fundo será um chiado ou mesmo um chiado causado pela interferência. Quanto menos confiável for a recepção, mais altos e mais distintos serão esses efeitos de ruído estranhos.

Além disso, o sinal analógico terrestre tem um grau de proteção muito fraco contra acesso não autorizado. Para estações de rádio públicas, isso, é claro, não importa. Mas ao usar o primeiro celulares houve um momento desagradável associado ao fato de que quase qualquer receptor de rádio externo poderia ser facilmente sintonizado no comprimento de onda desejado para escutar sua conversa telefônica.

A transmissão analógica tem essas desvantagens. Por causa deles, por exemplo, a televisão promete se tornar totalmente digital em um tempo relativamente curto.

As comunicações e transmissões digitais são consideradas mais imunes a interferências e influências externas. A questão é que, ao usar "digital", o sinal analógico do microfone na estação transmissora é criptografado em um código digital. Não, é claro, o fluxo de números e números não se espalha pelo espaço circundante. O som de uma determinada frequência e volume é simplesmente atribuído a um código de pulsos de rádio. A duração e a frequência dos pulsos são predefinidas - é a mesma para o transmissor e o receptor. A presença de um impulso corresponde a um, a ausência - a zero. Portanto, essa conexão é chamada de "digital".

Um dispositivo que converte um sinal analógico em um código digital é chamado conversor analógico-digital (ADC)... Um dispositivo instalado no receptor e convertendo o código em um sinal analógico correspondente à voz do seu amigo no alto-falante celular o padrão GSM é chamado de "conversor digital para analógico" (DAC).

Durante a transmissão do sinal digital, erros e distorções são virtualmente eliminados. Se o impulso ficar um pouco mais forte, mais longo ou vice-versa, ele ainda será reconhecido pelo sistema como uma unidade. E o zero permanecerá zero, mesmo que algum sinal fraco aleatório apareça em seu lugar. Para ADC e DAC, não há outros valores como 0,2 ou 0,9 - apenas zero e um. Portanto, a interferência nas comunicações digitais e na transmissão tem pouco efeito.

Além disso, o "dígito" também está mais protegido de acessos não autorizados. De fato, para que o DAC do dispositivo seja capaz de descriptografar o sinal, é necessário que ele "conheça" o código de descriptografia. O ADC junto com o sinal pode transmitir o endereço digital do dispositivo selecionado como receptor. Assim, mesmo que o sinal de rádio seja interceptado, ele não pode ser reconhecido devido à ausência de pelo menos uma parte do código. Isso é especialmente verdade.

Então aqui diferenças entre sinais digitais e analógicos:

1) O sinal analógico pode ser distorcido por interferência e o sinal digital pode estar obstruído com qualquer interferência ou chegar sem distorção. O sinal digital está exatamente lá ou completamente ausente (ou zero, ou um).

2) O sinal analógico está disponível para percepção por todos os dispositivos operando no mesmo princípio que o transmissor. O sinal digital é protegido de forma confiável por um código; é difícil interceptá-lo se não for destinado a você.