Цифровые сигналы в информатике: аналоговые и цифровые сигналы — Производство и поставка электростанций, Бензиновые и дизельные генераторы от 1 до 100 кВт. Мини ТЭЦ на базе двигателя Стирлинга.

Что такое аналоговые и цифровые сигналы. Чем они отличаются. Как происходит преобразование аналогового сигнала в цифровой. Какие преимущества имеют цифровые сигналы перед аналоговыми. Где применяются цифровые сигналы в современных технологиях.

Содержание

Что такое сигналы и зачем их оцифровывать

Сигнал — это изменяющийся во времени физический процесс, несущий какую-либо информацию. В окружающем нас мире большинство сигналов являются аналоговыми, то есть непрерывно меняющимися во времени. Примерами аналоговых сигналов могут служить звуковые волны, электрические сигналы в проводах, радиоволны.

Однако для обработки, хранения и передачи информации с помощью современных электронных устройств гораздо удобнее использовать цифровые сигналы. Поэтому возникает необходимость преобразования аналоговых сигналов в цифровую форму — их оцифровки.

Основные отличия аналоговых и цифровых сигналов

Аналоговые сигналы непрерывны во времени и по амплитуде. Это означает, что в любой момент времени сигнал имеет определенное значение, которое может плавно меняться. Цифровые же сигналы дискретны — они определены только в отдельные моменты времени и могут принимать только фиксированные значения.

Основные отличия аналоговых и цифровых сигналов:

Аналоговые сигналы непрерывны, цифровые — дискретны
Аналоговые могут принимать любые значения в заданном диапазоне, цифровые — только фиксированные
Аналоговые сигналы более подвержены искажениям и шумам при передаче
Цифровые сигналы легче обрабатывать, хранить и передавать

Как происходит преобразование аналогового сигнала в цифровой

Процесс преобразования аналогового сигнала в цифровой называется аналого-цифровым преобразованием (АЦП) и включает в себя следующие основные этапы:

Дискретизация по времени — измерение значений аналогового сигнала через равные промежутки времени
Квантование по уровню — округление измеренных значений до ближайших фиксированных уровней

Кодирование — представление квантованных значений в виде двоичного кода

В результате непрерывный аналоговый сигнал превращается в последовательность двоичных чисел, которая и является цифровым сигналом.

Преимущества цифровых сигналов перед аналоговыми

Цифровые сигналы обладают рядом важных преимуществ по сравнению с аналоговыми:

Высокая помехоустойчивость — цифровой сигнал гораздо меньше подвержен искажениям
Возможность многократной перезаписи без потери качества
Простота обработки и преобразования цифровых сигналов
Удобство хранения больших объемов информации
Возможность применения методов сжатия данных
Простота шифрования для защиты информации

Применение цифровых сигналов в современных технологиях

Благодаря своим преимуществам, цифровые сигналы нашли широкое применение в различных областях:

Цифровое телевидение и радио

Мобильная связь
Компьютерные сети и интернет
Цифровая фото- и видеотехника
Системы хранения данных
Цифровая обработка сигналов в радиолокации, медицине и др.

Развитие цифровых технологий привело к настоящей цифровой революции, изменившей многие сферы нашей жизни.

Теорема Котельникова и частота дискретизации

При преобразовании аналогового сигнала в цифровой важно правильно выбрать частоту дискретизации. Согласно теореме Котельникова (теореме отсчетов), для точного восстановления непрерывного сигнала из дискретного частота дискретизации должна быть как минимум в 2 раза выше максимальной частоты в спектре исходного сигнала.

Если это условие не выполняется, возникает эффект наложения спектров (алиасинг), приводящий к искажению сигнала. Поэтому на практике частоту дискретизации выбирают с некоторым запасом, обычно в 2.2-2.5 раза выше максимальной частоты сигнала.

Разрядность квантования и динамический диапазон

Другой важный параметр аналого-цифрового преобразования — разрядность квантования. Она определяет количество дискретных уровней, которыми может быть представлен сигнал. Чем больше разрядность, тем точнее цифровой сигнал соответствует исходному аналоговому.

Разрядность квантования также влияет на динамический диапазон сигнала — отношение максимальной амплитуды к уровню шумов квантования. Каждый дополнительный бит разрядности увеличивает динамический диапазон примерно на 6 дБ.

Методы сжатия цифровых сигналов

Цифровые сигналы часто содержат избыточную информацию, которую можно сжать без заметной потери качества. Существуют различные методы сжатия:

Сжатие без потерь (например, алгоритмы Хаффмана, LZW)
Сжатие с потерями (например, JPEG для изображений, MP3 для звука)
Дифференциальное кодирование
Дельта-модуляция

Применение сжатия позволяет существенно уменьшить объем данных при хранении и передаче цифровых сигналов.

Методы защиты и шифрования цифровых сигналов

Важным преимуществом цифровых сигналов является возможность их эффективной защиты от несанкционированного доступа. Для этого применяются различные методы шифрования:

Симметричное шифрование (с секретным ключом)
Асимметричное шифрование (с открытым ключом)
Электронная цифровая подпись
Стеганография — скрытое встраивание информации

Шифрование цифровых сигналов широко применяется для защиты конфиденциальных данных, электронных платежей, цифрового контента и др.

Урок 8.1 — Аналоговые и цифровые сигналы

8. Основы цифровой схемотехники

Цифровая схемотехника – важнейшая дисциплина, которую изучают во всех высших и средних учебных заведениях, готовящих специалистов в электронике. Настоящий радиолюбитель тоже должен хорошо разбираться в этом вопросе. Но большинство книг и учебных пособий написаны очень сложным для понимания языком, и начинающему электронщику (возможно, школьнику) будет тяжело освоить новую информацию. Цикл новых обучающих материалов от Мастер Кит призван восполнить этот пробел: в наших статьях о сложных понятиях рассказывается самыми простыми словами.

8.1. Аналоговые и цифровые сигналы

Сначала надо разобраться, чем вообще аналоговая схемотехника отличается от цифровой. И главное отличие – в сигналах, с которыми работают эти схемы.
Все сигналы можно разделить на два основных вида: аналоговые и цифровые.

Аналоговые сигналы

Аналоговые сигналы наиболее привычны для нас. Можно сказать, что весь окружающий природный мир вокруг нас – аналоговый. Наши зрение и слух, а также все остальные органы чувств воспринимают поступающую информацию в аналоговой форме, то есть непрерывно во времени. Передача звуковой информации – речь человека, звуки музыкальных инструментов, рёв животных, звуки природы и т.п. – также осуществляется в аналоговом виде.
Чтобы ещё лучше понять этот вопрос, нарисуем аналоговый сигнал (рис.1.):

Рис.1. Аналоговый сигнал

Мы видим, что аналоговый сигнал непрерывен во времени и по амплитуде. Для любого момента времени можно определить точное значение амплитуды аналогового сигнала.

Цифровые сигналы

Давайте будет анализировать амплитуду сигнала не постоянно, а дискретно, через фиксированные промежутки времени. Например, раз в секунду, или чаще: десять раз в секунду. То, как часто мы будем это делать, называется частотой дискретизации: один раз в секунду – 1 Гц, тысячу раз в секунду – 1000 Гц или 1 кГц.

Для наглядности нарисуем графики аналогового (вверху) и цифрового (внизу) сигналов (рис. 2.):

Рис.2. Аналоговый сигнал (вверху) и его цифровая копия (внизу)

Мы видим, что в каждый мгновенный промежуток времени можно узнать мгновенное цифровое значение амплитуды сигнала. Что происходит с сигналом (по какому закону он меняется, какова его амплитуда) между интервалами «проверки», мы не знаем, эта информация потеряна для нас. Чем реже мы проверяем уровень сигнала (чем ниже частота дискретизации), тем меньше имеем информации о сигнале. Разумеется, справедливо и обратное: чем выше частота дискретизации, тем лучше качество представления сигнала. В пределе, увеличивая частоту дискретизации до бесконечности, мы получаем практически тот же аналоговый сигнал.
Значит ли это, что аналоговый сигнал в любом случае качественнее цифрового? В теории, пожалуй, да. Но на практике современные аналого-цифровые преобразователи (АЦП) работают с такой высокой частотой дискретизации (до нескольких миллионов выборок в секунду), так качественно описывают аналоговый сигнал в цифровой форме, что органы чувств человека (глаза, уши) уже не могут почувствовать разницу между оригинальным сигналом и его цифровой моделью. Цифровой сигнал обладает очень существенным достоинством: его легче передавать по проводам или радиоволне, помехи не оказывают на такой сигнал существенного влияния. Поэтому вся современная мобильная связь, теле- и радиовещание — цифровая.

Нижний график на рис. 2 легко представить и в другом виде – как длинную последовательность пары цифр: время/амплитуда. А цифры – это как раз то, что нужно цифровым схемам. Правда, цифровые схемы предпочитают работать с цифрами в особом представлении, но об этом мы поговорим в следующем уроке.

Сейчас мы можем сделать важные выводы:

— цифровой сигнал дискретен, его можно определить только для отдельных моментов времени;
— чем выше частота дискретизации – тем лучше точность представления цифрового сигнала.

Урок 24. информация и электрические сигналы — Естествознание — 11 класс

Естествознание, 11 класс

Урок 24. Информация и электрические сигналы

Перечень вопросов, рассматриваемых в теме:

Почему в современных устройствах информация преобразуется в электрические сигналы?
Что такое аналоговые и цифровые сигналы и в чём у них отличие?

Как преобразуется информация?

Глоссарий по теме:

Данные — удобная форма представления информации – сигналы, зарегистрированные на материальные носители.

Информация – полезное содержание данных – это вся совокупность сведений об окружающем нас мире, о всевозможных протекающих в нем процессах, которые могут быть восприняты живыми организмами, электронными машинами и другими информационными системами.

Сигнал – изменяющийся во времени физический процесс.

Информационные технологии – все, что связано с обработкой, передачей, хранением, воспроизводством информации.

Аналоговый сигнал – сигнал аналогичный изменению физической величины во времени.

Датчик – устройство, преобразовывающее изменение физических процессов в сигнал.

Цифровые

сигналы – последовательность электрических импульсов, содержащих закодированную информацию

Усилитель – устройство, усиливающее сигнал.

Аналого—цифровые преобразователи – приборы, осуществляющие перевод сигнала из аналогового в цифровой.

Цифро-аналоговые преобразователи – приборы, осуществляющие перевод сигнала из цифрового в аналоговый.

Основная и дополнительная литература по теме урока (точные библиографические данные с указанием страниц):

Теоретический материал для самостоятельного изучения

Наш век называют веком информационных технологий. Под этим понятием понимают все, что связано с обработкой, передачей, хранением, воспроизводством информации.

Информация — это вся совокупность сведений об окружающем нас мире, о всевозможных протекающих в нем процессах, которые могут быть восприняты живыми организмами, электронными машинами и другими информационными системами.

Человек еще с древности научился искусственно сохранять и передавать информацию: наскальные рисунки, скрижали, книги… Но лишь во второй половине 20 века появились информационные технологии.

В наше время для обработки информации используются электрические сигналы, являющиеся посредниками между устройствами, воспринимающими, воспроизводящими и хранящими информацию. Удобства этой системы в универсальности электрического сигнала. Разобраться в его сути проще всего на примере угольного микрофона, которым до недавнего времени снабжались все телефонные аппараты.

Устройство представляет собой коробочку с угольным порошком, закрытую гибкой мембраной, к которой прикреплен диффузор. Чем больше давление звуковой волны на диффузор, тем сильнее сжимается угольный порошок. Чем больше сжимается угольный порошок, тем меньше его сопротивление. Если к коробочке с угольным порошком подсоединить источник тока и воздействовать на диффузор звуковой волной, то по цепи пойдет ток. Этот ток является электрическим сигналом, несущим информацию о звуковой волне. Такой сигнал аналогичен изменению во времени некоторой физической величины (в нашем случае давление), поэтому он называется аналоговым. Устройства, преобразовывающие изменение физических процессов в сигнал, называются датчиками. Описанный микрофон – простейший датчик давления воздуха.

Немаловажным прибором является усилитель. Он используется, например, в концертных залах для увеличения громкости звука без его искажения. Иногда сигнал тех же музыкальных инструментов искажают, получая новое звучание.

Сейчас аналоговый сигнал почти вышел из употребления. Ему на смену пришел цифровой. Переход от аналогового сигнала к цифровому осуществляют аналого-цифровые преобразователи. Для обратного перевода из цифрового в аналоговый сигнал используется цифроаналоговые преобразователи. В результате мы получаем искаженный сигнал. Этот недостаток компенсируется возможностью легкой работы с цифровым сигналом в приборах по определенной заложенной программе.

Обычно запись сигнала ведется в двоичной системе счисления. Запись в двоичной системе используется для общения азбукой Морзе. Нас интересует перевод из двоичной в десятичную и обратно.

Рассмотрим перевод из десятичной в двоичную на примере числа 53.

Для перевода достаточно разделить исходное число на 2 до получения 1 в остатке, а потом записать числа промежуточных ответов в обратном порядке. То есть число 53₁₀=110101_2.

Примеры и разбор решения заданий тренировочного модуля:

1. Решите кроссворд.

По горизонтали:

1. Система счисления, в которой запись ведется только числами 1 и 0.

2. устройство, преобразовывающее изменение физических процессов в сигнал.

По вертикали:

3. Изменяющийся во времени физический процесс.

Правильные ответы:

2. Ответьте на вопросы:

Какому числу в десятичной системе счисления соответствует число 111011110в двоичной?
В каком веке появилось понятие информационные технологии?
Сколько букв в русской азбуке Морзе?

Правильные варианты:

1. 478

2. 20

3. 33

3. Вставьте слова в предложение:

Микрофон представляет собой коробочку с _____________ порошком, закрытую гибкой _____________, к которой прикреплен диффузор.

Варианты ответа: вольфрамовый, металлический, угольный, мембраной, крышкой.

Правильный вариант/варианты: угольный, мембраной.

Цифровая связь — Краткое руководство

Общение, которое происходит в нашей повседневной жизни, происходит в форме сигналов. Эти сигналы, такие как звуковые сигналы, как правило, имеют аналоговый характер. Когда связь должна быть установлена на расстоянии, тогда аналоговые сигналы передаются по проводам, используя различные методы для эффективной передачи.

Необходимость оцифровки

Традиционные методы связи используют аналоговые сигналы для связи на большие расстояния, которые страдают от многих потерь, таких как искажения, помехи и другие потери, включая нарушения безопасности.

Чтобы преодолеть эти проблемы, сигналы оцифровываются с использованием различных методов. Оцифрованные сигналы позволяют более четкой и точной связи без потерь.

На следующем рисунке показана разница между аналоговыми и цифровыми сигналами. Цифровые сигналы состоят из 1 и 0, которые указывают высокие и низкие значения соответственно.

Преимущества цифровой связи

Поскольку сигналы оцифровываются, существует много преимуществ цифровой связи по сравнению с аналоговой связью, таких как —

Влияние искажений, шума и помех значительно меньше в цифровых сигналах, поскольку они менее подвержены влиянию.
Цифровые схемы более надежны.
Цифровые схемы просты в разработке и дешевле аналоговых.
Аппаратная реализация в цифровых схемах более гибкая, чем аналоговая.
Появление перекрестных помех очень редко встречается в цифровой связи.
Сигнал не изменяется, так как импульсу требуется сильное возмущение, чтобы изменить его свойства, что очень сложно.
Функции обработки сигналов, такие как шифрование и сжатие, используются в цифровых каналах для сохранения секретности информации.
Вероятность возникновения ошибки уменьшается за счет использования кодов обнаружения ошибок и исправления ошибок.
Метод расширенного спектра используется, чтобы избежать помех.
Объединение цифровых сигналов с использованием мультиплексирования с временным разделением (TDM) проще, чем объединение аналоговых сигналов с использованием мультиплексирования с частотным разделением (FDM).
Процесс настройки цифровых сигналов проще, чем аналоговых сигналов.
Цифровые сигналы могут быть сохранены и извлечены более удобно, чем аналоговые сигналы.
Многие из цифровых схем имеют почти общие методы кодирования, и, следовательно, аналогичные устройства могут использоваться для ряда целей.
Пропускная способность канала эффективно используется цифровыми сигналами.

Влияние искажений, шума и помех значительно меньше в цифровых сигналах, поскольку они менее подвержены влиянию.

Цифровые схемы более надежны.

Цифровые схемы просты в разработке и дешевле аналоговых.

Аппаратная реализация в цифровых схемах более гибкая, чем аналоговая.

Появление перекрестных помех очень редко встречается в цифровой связи.

Сигнал не изменяется, так как импульсу требуется сильное возмущение, чтобы изменить его свойства, что очень сложно.

Функции обработки сигналов, такие как шифрование и сжатие, используются в цифровых каналах для сохранения секретности информации.

Вероятность возникновения ошибки уменьшается за счет использования кодов обнаружения ошибок и исправления ошибок.

Метод расширенного спектра используется, чтобы избежать помех.

Объединение цифровых сигналов с использованием мультиплексирования с временным разделением (TDM) проще, чем объединение аналоговых сигналов с использованием мультиплексирования с частотным разделением (FDM).

Процесс настройки цифровых сигналов проще, чем аналоговых сигналов.

Цифровые сигналы могут быть сохранены и извлечены более удобно, чем аналоговые сигналы.

Многие из цифровых схем имеют почти общие методы кодирования, и, следовательно, аналогичные устройства могут использоваться для ряда целей.

Пропускная способность канала эффективно используется цифровыми сигналами.

Элементы цифровой связи

Элементы, которые формируют цифровую систему связи, представлены следующей блок-схемой для простоты понимания.

Ниже приведены разделы цифровой системы связи.

Источник

Источником может быть аналоговый сигнал. Пример : звуковой сигнал

Входной преобразователь

Это преобразователь, который принимает физический вход и преобразует его в электрический сигнал (например, микрофон). Этот блок также состоит из аналого-цифрового преобразователя, где цифровой сигнал необходим для дальнейших процессов.

Цифровой сигнал обычно представлен двоичной последовательностью.

Исходный кодер

Исходный кодер сжимает данные в минимальное количество битов. Этот процесс помогает эффективно использовать пропускную способность. Он удаляет избыточные биты (ненужные лишние биты, т. Е. Нули).

Канальный кодер

Канальный кодер, выполняет кодирование для исправления ошибок. Во время передачи сигнала из-за шума в канале сигнал может быть изменен и, следовательно, чтобы избежать этого, канальный кодер добавляет некоторые избыточные биты к передаваемым данным. Это биты, исправляющие ошибки.

Цифровой модулятор

Передаваемый сигнал здесь модулируется несущей. Сигнал также преобразуется в аналоговый из цифровой последовательности, чтобы заставить его проходить через канал или среду.

канал

Канал или среда, позволяет аналоговому сигналу передавать от конца передатчика к концу приемника.

Цифровой демодулятор

Это первый шаг на стороне получателя. Полученный сигнал демодулируется, а также снова преобразуется из аналогового в цифровой. Сигнал восстанавливается здесь.

Канальный декодер

Канальный декодер, после обнаружения последовательности, делает некоторые исправления ошибок. Искажения, которые могут возникнуть во время передачи, исправляются путем добавления некоторых избыточных битов. Это добавление битов помогает в полном восстановлении исходного сигнала.

Исходный декодер

Результирующий сигнал снова оцифровывается путем дискретизации и квантования, так что чистый цифровой выход получается без потери информации. Исходный декодер воссоздает исходный вывод.

Выходной преобразователь

Это последний блок, который преобразует сигнал в исходную физическую форму, которая была на входе передатчика. Он преобразует электрический сигнал в физический выход (например, громкоговоритель).

Выходной сигнал

Это результат, который создается после всего процесса. Пример — Звуковой сигнал получен.

Это подразделение занималось внедрением, оцифровкой сигналов, преимуществами и элементами цифровой связи. В следующих главах мы подробно узнаем о концепции цифровой связи.

Модуляция — это процесс изменения одного или нескольких параметров сигнала несущей в соответствии с мгновенными значениями сигнала сообщения.

Сигнал сообщения — это сигнал, который передается для связи, а сигнал несущей — это высокочастотный сигнал, который не имеет данных, но используется для передачи на большие расстояния.

Существует много методов модуляции, которые классифицируются в зависимости от типа используемой модуляции. Из всех этих методов используется цифровая модуляция импульсно-кодовой модуляции (ИКМ) .

Сигнал подвергается импульсной кодовой модуляции для преобразования его аналоговой информации в двоичную последовательность, т. Е. 1 и 0 . Выход PCM будет напоминать двоичную последовательность. На следующем рисунке показан пример вывода ИКМ по отношению к мгновенным значениям данной синусоидальной волны.

Вместо последовательности импульсов PCM производит серию цифр или цифр, и поэтому этот процесс называется цифровым . Каждая из этих цифр, хотя и в двоичном коде, представляет приблизительную амплитуду выборки сигнала в этот момент.

В импульсной кодовой модуляции сигнал сообщения представлен последовательностью кодированных импульсов. Этот сигнал сообщения достигается путем представления сигнала в дискретной форме как по времени, так и по амплитуде.

Основные элементы ПКМ

Секция передатчика схемы импульсного кода состоит из выборки, квантования и кодирования , которые выполняются в секции аналого-цифрового преобразователя. Фильтр нижних частот перед выборкой предотвращает наложение сигнала сообщения.

Основными операциями в секции приемника являются регенерация искаженных сигналов, декодирование и восстановление квантованной последовательности импульсов. Ниже приведена блок-схема PCM, которая представляет основные элементы секций передатчика и приемника.

Фильтр низких частот

Этот фильтр исключает высокочастотные составляющие, присутствующие во входном аналоговом сигнале, который превышает максимальную частоту сигнала сообщения, чтобы избежать наложения сигнала сообщения.

пробоотборник

Это метод, который помогает собирать данные выборки при мгновенных значениях сигнала сообщения, чтобы восстановить исходный сигнал. Частота дискретизации должна быть более чем в два раза больше, чем самая высокая частотная составляющая W сигнала сообщения, в соответствии с теоремой дискретизации.

квантователь

Квантование — это процесс уменьшения избыточных битов и ограничения данных. Выбранный выходной сигнал при передаче в Quantizer уменьшает избыточные биты и сжимает значение.

кодировщик

Оцифровка аналогового сигнала осуществляется кодером. Каждый квантованный уровень обозначается двоичным кодом. Выборка, сделанная здесь, является процессом выборки и удержания. Эти три секции (LPF, Sampler и Quantizer) будут действовать как аналого-цифровой преобразователь. Кодирование минимизирует используемую пропускную способность.

Регенеративный Повторитель

Этот раздел увеличивает уровень сигнала. Выход канала также имеет одну схему регенеративного повторителя, чтобы компенсировать потерю сигнала и реконструировать сигнал, а также увеличить его силу.

дешифратор

Схема декодера декодирует форму импульса с кодированием для воспроизведения исходного сигнала. Эта схема действует как демодулятор.

Фильтр реконструкции

После того, как цифроаналоговое преобразование выполнено регенеративной схемой и декодером, используется фильтр нижних частот, называемый фильтром восстановления, чтобы вернуть исходный сигнал.

Следовательно, схема модулятора импульсного кода оцифровывает данный аналоговый сигнал, кодирует его и дискретизирует, а затем передает его в аналоговой форме. Весь этот процесс повторяется в обратном порядке для получения исходного сигнала.

Выборка определяется как «Процесс измерения мгновенных значений непрерывного сигнала в дискретной форме».

Выборка — это фрагмент данных, взятый из целых данных, который непрерывен во временной области.

Когда источник генерирует аналоговый сигнал и если он должен быть оцифрован, имея 1 с и 0 с, то есть Высокий или Низкий, сигнал должен быть дискретизирован по времени. Эта дискретизация аналогового сигнала называется выборкой.

На следующем рисунке показан непрерывный сигнал x (t) и дискретизированный сигнал x _s (t) . Когда x (t) умножается на периодическую последовательность импульсов, получается дискретный сигнал x _s (t) .

Частота выборки

Чтобы дискретизировать сигналы, промежуток между выборками должен быть исправлен. Этот разрыв можно назвать периодом выборки T _s .

SamplingFrequency= frac1Ts=fs

Куда,

Ts — время выборки

fs — частота дискретизации или частота дискретизации.

Частота выборки является обратной величиной периода выборки. Эту частоту дискретизации можно просто назвать частотой дискретизации . Частота дискретизации обозначает количество выборок в секунду или для конечного набора значений.

Для восстановления аналогового сигнала по оцифрованному сигналу частота дискретизации должна быть высоко оценена. Частота дискретизации должна быть такой, чтобы данные в сигнале сообщения не терялись и не перекрывались. Следовательно, ставка была фиксированной для этого, называемой скоростью Найквиста.

Рейтинг Найквиста

Предположим, что сигнал ограничен полосой частот без частотных составляющих выше, чем W герц. Это означает, что W — самая высокая частота. Для такого сигнала для эффективного воспроизведения исходного сигнала частота дискретизации должна быть в два раза выше самой высокой частоты.

Что значит,

fS=2W

Куда,

fS — частота дискретизации

W самая высокая частота

Эта частота дискретизации называется частотой Найквиста .

Была сформулирована теорема под названием «Теорема выборки» о теории скорости Найквиста.

Теорема выборки

Теорема отсчетов, которая также называется теоремой Найквиста , дает теорию достаточной частоты дискретизации в терминах полосы пропускания для класса функций с ограниченной полосой пропускания.

Теорема отсчетов гласит, что «сигнал может быть точно воспроизведен, если он дискретизируется с частотой f _s, которая в два раза превышает максимальную частоту W ».

Чтобы понять эту теорему отсчетов, давайте рассмотрим сигнал с ограниченной полосой частот, т. Е. Сигнал, значение которого не равно нулю между некоторыми значениями –W и W Герц.

Такой сигнал представляется как x(f)=0for midf mid>W

Для сигнала непрерывного времени x (t) , сигнала с ограниченной полосой частот в частотной области, можно представить, как показано на следующем рисунке.

Нам нужна частота выборки, частота, на которой не должно быть потери информации даже после выборки. Для этого у нас есть частота Найквиста, что частота дискретизации должна быть в два раза больше максимальной частоты. Это критическая частота выборки.

Если сигнал x (t) дискретизируется выше частоты Найквиста, исходный сигнал может быть восстановлен, а если он дискретизирован ниже частоты Найквиста, сигнал не может быть восстановлен.

На следующем рисунке поясняется сигнал, если он дискретизируется с более высокой скоростью, чем 2 Вт в частотной области.

На приведенном выше рисунке показано преобразование Фурье сигнала x _s (t) . Здесь информация воспроизводится без каких-либо потерь. Там нет путаницы и, следовательно, восстановление возможно.

Преобразование Фурье сигнала x _s (t)

Xs(w)= frac1Ts sum n=− inftyinftyX(w−nw0)

Где Ts = период выборки и w0= frac2 piTs

Давайте посмотрим, что произойдет, если частота дискретизации равна двойной максимальной частоте ( 2 Вт )

Это означает,

fs=2W

Куда,

fs — частота дискретизации

W самая высокая частота

Результат будет таким, как показано на рисунке выше. Информация заменяется без каких-либо потерь. Следовательно, это также хорошая частота дискретизации.

Теперь давайте посмотрим на состояние,

fs<2W

Результирующий шаблон будет выглядеть следующим образом.

Из приведенного выше паттерна можно наблюдать, что происходит перекрытие информации, что приводит к смешению и потере информации. Это нежелательное явление перекрытия называется Aliasing.

Aliasing

Псевдоним может быть назван «явлением высокочастотного компонента в спектре сигнала, принимающего идентичность низкочастотного компонента в спектре его дискретизированной версии».

Корректирующие меры, принятые для уменьшения эффекта алиасинга, —

В секции передатчика PCM перед сэмплером используется фильтр сглаживания нижних частот , чтобы устранить нежелательные высокочастотные компоненты.
Сигнал, который дискретизируется после фильтрации, дискретизируется со скоростью, немного превышающей частоту Найквиста.

В секции передатчика PCM перед сэмплером используется фильтр сглаживания нижних частот , чтобы устранить нежелательные высокочастотные компоненты.

Сигнал, который дискретизируется после фильтрации, дискретизируется со скоростью, немного превышающей частоту Найквиста.

Этот выбор частоты дискретизации выше, чем частота Найквиста, также помогает упростить конструкцию фильтра восстановления в приемнике.

Область преобразования Фурье

Обычно наблюдается, что мы ищем помощи рядов Фурье и преобразований Фурье в анализе сигналов, а также в доказательстве теорем. Это потому что —

Преобразование Фурье является расширением ряда Фурье для непериодических сигналов.
Преобразование Фурье является мощным математическим инструментом, который помогает просматривать сигналы в разных областях и помогает легко анализировать сигналы.
Любой сигнал может быть разложен по сумме синусов и косинусов с использованием этого преобразования Фурье.

Преобразование Фурье является расширением ряда Фурье для непериодических сигналов.

Преобразование Фурье является мощным математическим инструментом, который помогает просматривать сигналы в разных областях и помогает легко анализировать сигналы.

Любой сигнал может быть разложен по сумме синусов и косинусов с использованием этого преобразования Фурье.

В следующей главе давайте поговорим о концепции квантования.

Оцифровка аналоговых сигналов включает округление значений, которые приблизительно равны аналоговым значениям. Метод выборки выбирает несколько точек на аналоговом сигнале, а затем эти точки объединяются, чтобы округлить значение до почти стабилизированного значения. Такой процесс называется квантованием .

Квантование аналогового сигнала

Аналого-цифровые преобразователи выполняют функцию этого типа для создания серии цифровых значений из данного аналогового сигнала. На следующем рисунке представлен аналоговый сигнал. Этот сигнал, чтобы быть преобразованным в цифровой, должен пройти выборку и квантование.

Квантование аналогового сигнала выполняется путем дискретизации сигнала с несколькими уровнями квантования. Квантование представляет выборочные значения амплитуды с помощью конечного набора уровней, что означает преобразование выборки с непрерывной амплитудой в сигнал с дискретным временем.

На следующем рисунке показано, как аналоговый сигнал квантуется. Синяя линия представляет аналоговый сигнал, а коричневая представляет квантованный сигнал.

Как выборка, так и квантование приводят к потере информации. Качество выходного сигнала квантователя зависит от количества используемых уровней квантования. Дискретные амплитуды квантованного выхода называются уровнями представления или уровнями восстановления . Интервал между двумя соседними уровнями представления называется квантовым или ступенчатым размером .

На следующем рисунке показан результирующий квантованный сигнал, который является цифровой формой для данного аналогового сигнала.

Это также называется волновой формой лестничной клетки, в соответствии с ее формой.

Типы квантования

Существует два типа квантования — равномерное квантование и неоднородное квантование.

Тип квантования, при котором уровни квантования расположены равномерно, называется равномерным квантованием . Тип квантования, при котором уровни квантования являются неравными, и главным образом соотношение между ними является логарифмическим, называется неравномерным квантованием .

Существует два типа равномерного квантования. Это тип Mid-Rise и тип Mid-Tread. На следующих рисунках представлены два типа равномерного квантования.

На рисунке 1 показан тип среднего роста, а на рисунке 2 — тип среднего протектора с равномерным квантованием.

Тип Mid-Rise назван так потому, что начало координат лежит в середине поднимающейся части лестничной клетки, такой как граф. Уровни квантования в этом типе чётные.
Тип середины ступени называется так, потому что источник лежит в середине ступени лестничной клетки, как граф. Уровни квантования в этом типе нечетные по количеству.
Как средние, так и средние протекторные типы однородных квантователей симметричны относительно происхождения.

Тип Mid-Rise назван так потому, что начало координат лежит в середине поднимающейся части лестничной клетки, такой как граф. Уровни квантования в этом типе чётные.

Тип середины ступени называется так, потому что источник лежит в середине ступени лестничной клетки, как граф. Уровни квантования в этом типе нечетные по количеству.

Как средние, так и средние протекторные типы однородных квантователей симметричны относительно происхождения.

Ошибка квантования

Для любой системы при ее функционировании всегда существует разница в значениях ее входа и выхода. Обработка системы приводит к ошибке, которая является разницей этих значений.

Разница между входным значением и его квантованным значением называется ошибкой квантования . Квантизатор — это логарифмическая функция, которая выполняет квантование (округление значения). Аналого-цифровой преобразователь ( АЦП ) работает как квантователь.

На следующем рисунке показан пример ошибки квантования, показывающий разницу между исходным сигналом и квантованным сигналом.

Шум квантования

Это тип ошибки квантования, который обычно возникает в аналоговом звуковом сигнале при квантовании его в цифровой. Например, в музыке сигналы постоянно меняются, где закономерность не обнаруживается в ошибках. Такие ошибки создают широкополосный шум, называемый шумом квантования .

Компандирование в PCM

Слово Companding — это комбинация Compressing и Expanding, что означает, что оно делает и то, и другое. Это нелинейный метод, используемый в PCM, который сжимает данные в передатчике и расширяет те же данные в приемнике. Эффекты шума и перекрестных помех уменьшаются при использовании этой техники.

Существует два типа техники компандирования. Они —

Техника компандирования по закону

Равномерное квантование достигается при A = 1 , где характеристическая кривая является линейной и сжатие не выполняется.
А-закон имеет средний рост в начале координат. Следовательно, он содержит ненулевое значение.
Компандирование по закону используется для телефонных систем PCM.

Равномерное квантование достигается при A = 1 , где характеристическая кривая является линейной и сжатие не выполняется.

А-закон имеет средний рост в начале координат. Следовательно, он содержит ненулевое значение.

Компандирование по закону используется для телефонных систем PCM.

Техника Компандирования µ-закона

Равномерное квантование достигается при µ = 0 , где характеристическая кривая является линейной и сжатие не выполняется.
µ-закон имеет середину протектора в начале координат. Следовательно, он содержит нулевое значение.
µ-закон компандирования используется для речевых и музыкальных сигналов.

Равномерное квантование достигается при µ = 0 , где характеристическая кривая является линейной и сжатие не выполняется.

µ-закон имеет середину протектора в начале координат. Следовательно, он содержит нулевое значение.

µ-закон компандирования используется для речевых и музыкальных сигналов.

µ-закон используется в Северной Америке и Японии.

Для семплов с высокой степенью корреляции при кодировании методом PCM оставьте избыточную информацию позади. Чтобы обработать эту избыточную информацию и получить лучший вывод, разумно принять прогнозируемое значение выборки, взятое из его предыдущего вывода, и суммировать их с квантованными значениями. Такой процесс называется техникой дифференциального PCM (DPCM) .

DPCM передатчик

Передатчик DPCM состоит из квантователя и предиктора с двумя летними цепями. Ниже приведена блок-схема передатчика DPCM.

Сигналы в каждой точке обозначаются как —

x(nTs) — выборочный вход
widehatx(nTs) — прогнозируемая выборка
e(nTs) — это разность выборочных входных данных и прогнозируемых выходных данных, часто называемая ошибкой прогнозирования.
v(nTs) — квантованный вывод
u(nTs) — это входной сигнал предиктора, который на самом деле является летним выходом выходного сигнала предиктора и выходного сигнала квантователя.

x(nTs) — выборочный вход

widehatx(nTs) — прогнозируемая выборка

e(nTs) — это разность выборочных входных данных и прогнозируемых выходных данных, часто называемая ошибкой прогнозирования.

v(nTs) — квантованный вывод

u(nTs) — это входной сигнал предиктора, который на самом деле является летним выходом выходного сигнала предиктора и выходного сигнала квантователя.

Предиктор формирует предполагаемые выборки из предыдущих выходов схемы передатчика. Входными данными для этого предиктора являются квантованные версии входного сигнала x(nTs).

Выход квантователя представлен как —

v(nTs)=Q[e(nTs)]

=e(nTs)+q(nTs)

Где q (nT _s ) — ошибка квантования

Вход предиктора является суммой выходного сигнала квантователя и выходного сигнала предиктора,

u(nTs)= widehatx(nTs)+v(nTs)

u(nTs)= widehatx(nTs)+e(nTs)+q(nTs)

u(nTs)=x(nTs)+q(nTs)

Та же схема предиктора используется в декодере для восстановления исходного ввода.

DPCM-приемник

Блок-схема приемника DPCM состоит из декодера, предиктора и летней схемы. Ниже приведена схема приемника DPCM.

Обозначение сигналов такое же, как и у предыдущих. При отсутствии шума кодированный вход приемника будет таким же, как кодированный выход передатчика.

Как упоминалось ранее, предиктор принимает значение, основанное на предыдущих выходных данных. Входные данные, данные декодеру, обрабатываются, и эти выходные данные суммируются с выходными данными предиктора, чтобы получить лучший выходной сигнал.

Частота дискретизации сигнала должна быть выше, чем частота Найквиста, чтобы добиться лучшей дискретизации. Если этот интервал дискретизации в дифференциальной ИКМ значительно уменьшается, разность амплитуд между выборками очень мала, как если бы разность составляла 1-битовое квантование , тогда размер шага будет очень малым, то есть Δ (дельта).

Дельта-модуляция

Тип модуляции, где частота дискретизации намного выше и при которой размер шага после квантования имеет меньшее значение, такая модуляция называется дельта-модуляцией .

Особенности дельта-модуляции

Ниже приведены некоторые особенности дельта-модуляции.

Вход с избыточной дискретизацией используется для полного использования корреляции сигнала.
Дизайн квантования прост.
Входная последовательность намного выше, чем скорость Найквиста.
Качество умеренное.
Конструкция модулятора и демодулятора проста.
Лестничная аппроксимация выходного сигнала.
Размер шага очень мал, т. Е. Δ (дельта).
Скорость передачи данных может быть выбрана пользователем.
Это предполагает более простую реализацию.

Вход с избыточной дискретизацией используется для полного использования корреляции сигнала.

Дизайн квантования прост.

Входная последовательность намного выше, чем скорость Найквиста.

Качество умеренное.

Конструкция модулятора и демодулятора проста.

Лестничная аппроксимация выходного сигнала.

Размер шага очень мал, т. Е. Δ (дельта).

Скорость передачи данных может быть выбрана пользователем.

Это предполагает более простую реализацию.

Дельта-модуляция — это упрощенная форма метода DPCM, также рассматриваемая как 1-битная схема DPCM . При уменьшении интервала выборки корреляция сигнала будет выше.

Дельта модулятор

Дельта-модулятор состоит из 1-битного квантователя и цепи задержки, а также двух летних цепей. Ниже приведена блок-схема дельта-модулятора.

Схема предиктора в DPCM заменяется простой схемой задержки в DM.

Из приведенной выше диаграммы мы имеем обозначения как —

x(nTs) = более дискретный ввод
ep(nTs) = летний выход и вход квантователя
eq(nTs) = выход квантователя = v(nTs)
widehatx(nTs) = выход схемы задержки
u(nTs) = вход цепи задержки

x(nTs) = более дискретный ввод

ep(nTs) = летний выход и вход квантователя

eq(nTs) = выход квантователя = v(nTs)

widehatx(nTs) = выход схемы задержки

u(nTs) = вход цепи задержки

Используя эти обозначения, теперь мы попытаемся выяснить процесс дельта-модуляции.

ep(nTs)=x(nTs)− widehatx(nTs)

——— уравнение 1

=x(nTs)−u([n−1]Ts)

=x(nTs)−[ widehatx[[n−1]Ts]+v[[n−1]Ts]]

——— уравнение 2

В дальнейшем,

v(nTs)=eq(nTs)=S.sig.[ep(nTs)]

——— уравнение 3

u(nTs)= widehatx(nTs)+eq(nTs)

Куда,

widehatx(nTs) = предыдущее значение схемы задержки

eq(nTs) = выход квантователя = v(nTs)

Следовательно,

u(nTs)=u([n−1]Ts)+v(nTs)

——— уравнение 4

Что значит,

Настоящий вход блока задержки

= (Предыдущий выход блока задержки) + (текущий выход квантователя)

Предполагая нулевое условие накопления,

u(nTs)=S displaystyle sum limitnj=1сиг[ep(jTs)]

Накопленная версия вывода DM = displaystyle sum limitnj=1v(jTs)

——— уравнение 5

Теперь обратите внимание, что

widehatx(nTs)=u([n−1]Ts)

= displaystyle sum limitn−1j=1v(jTs)

——— уравнение 6

Выход блока задержки — это отставание выхода Аккумулятора на одну выборку.

Из уравнений 5 и 6 мы получаем возможную структуру для демодулятора.

Аппроксимированная форма волны в лестничной к

Цифровая обработка сигналов — Простая английская Википедия, бесплатная энциклопедия

Простая система цифровой обработки, АЦП преобразует аналоговый сигнал в цифровой, а затем ЦАП возвращает его обратно в аналоговый формат после обработки.

Цифровая обработка сигналов ( DSP ) занимается обработкой цифровых сигналов или аналоговых сигналов после преобразования из аналогового в цифровой формат. DSP включает такие подполя, как обработка сигналов связи, обработка сигналов радара, обработка массива датчиков, обработка цифровых изображений и т. Д.

DSP обычно используется с реальными аналоговыми сигналами, встречающимися в нашей жизни. Первым шагом обычно является преобразование сигнала из аналоговой в цифровую форму с помощью аналого-цифрового преобразователя. Часто требуемый выходной сигнал — это другой реальный аналоговый сигнал, для которого требуется цифро-аналоговый преобразователь.

Алгоритмы цифровой обработки сигналов могут работать на: ^[1]

Микропроцессоры общего назначения и стандартные компьютеры.
Специализированные процессоры, называемые процессорами цифровых сигналов (DSP).
Специально созданное оборудование, такое как специализированные интегральные схемы (ASIC) и программируемые вентильные матрицы (FPGA).
Контроллеры цифровых сигналов (в основном для промышленного применения, например, для управления двигателями).
Потоковая обработка, которая очень хорошо работает для традиционных приложений DSP или обработки графики (например, изображений, видео).

Алан В. Оппенгейм, Рональд В. Шафер, Джон Р. Бак: Обработка сигналов в дискретном времени , Prentice Hall, ISBN 0-13-754920-2
Боаз Порат: Курс цифровой обработки сигналов , Wiley, ISBN 0471149616
Ричард Г.Лион: Понимание цифровой обработки сигналов , Prentice Hall, ISBN 0-13-108989-7
Джонатан Яаков Стейн, Цифровая обработка сигналов, перспектива компьютерных наук , Wiley, ISBN 0-471-29546-9
Сен М. Куо, Вун-Сенг Ган: Цифровые сигнальные процессоры: архитектуры, реализации и приложения , Prentice Hall, ISBN 0-13-035214-4
Бернард Малгрю, Питер Грант, Джон Томпсон: Цифровая обработка сигналов — концепции и приложения , Palgrave Macmillan, ISBN 0-333-96356-3
Стивен В.Смит: Цифровая обработка сигналов — Практическое руководство для инженеров и ученых , Newnes, ISBN 0-7506-7444-X
Пол А. Линн, Вольфганг Фюрст: Введение в цифровую обработку сигналов с помощью компьютерных приложений , John Wiley & Sons, ISBN 0-471-97984-8
Джеймс Д. Брош: Демистификация цифровой обработки сигналов , Newnes, ISBN 1-878707-16-7
Джон Г. Проакис, Димитрис Манолакис: Цифровая обработка сигналов — принципы, алгоритмы и приложения , Pearson, ISBN 0-13-394289-9
Хари Кришна Гарг: Алгоритмы цифровой обработки сигналов , CRC Press, ISBN 0-8493-7178-3
с.Gaydecki: Основы цифровой обработки сигналов: теория, алгоритмы и проектирование оборудования , Институт инженеров-электриков, ISBN 0-85296-431-5
Пол М. Эмбри, Дэймон Даниэли: Алгоритмы C ++ для обработки цифровых сигналов , Прентис Холл, ISBN 0-13-179144-3
Энтони Закнич: Нейронные сети для интеллектуальной обработки сигналов , World Scientific Pub Co Inc, ISBN 981-238-305-0
Виджей Мадисетти, Дуглас Б. Уильямс: Справочник по цифровой обработке сигналов , CRC Press, ISBN 0-8493-8572-5
Stergios Stergiopoulos: Руководство по расширенной обработке сигналов: теория и реализация для радиолокационных, сонарных и медицинских систем визуализации в реальном времени , CRC Press, ISBN 0-8493-3691-0
Джойс Ван Де Вегте: Основы цифровой обработки сигналов , Prentice Hall, ISBN 0-13-016077-6
Ашфак Хан: Основы цифровой обработки сигналов , Charles River Media, ISBN 1-58450-281-9
Джонатан М.Блэкледж, Мартин Тернер: Цифровая обработка сигналов: математические и вычислительные методы, разработка программного обеспечения и приложения , Horwood Publishing, ISBN 1-898563-48-9
Bimal Krishna, K. Y. Lin, Hari C. Krishna: Computational Number Theory & Digital Signal Processing , CRC Press, ISBN 0-8493-7177-5
Дуг Смит: Технология цифровой обработки сигналов: Основы коммуникационной революции , Американская лига радиорелейных устройств, ISBN 0-87259-819-5
Энрике С.Malvar: Обработка сигналов с перекрывающимися преобразованиями , Artech House Publishers, ISBN 0-89006-467-9
Чарльз А. Шулер: Цифровая обработка сигналов: практический подход , McGraw-Hill, ISBN 0-07-829744-3
Джеймс Х. Макклеллан, Рональд В. Шафер, Марк А. Йодер: Signal Processing First , Prentice Hall, ISBN 0-13-090999-8
Артур Круковски, Иззет Кале: Проектирование системы DSP: реализация фильтра Iir с уменьшенной сложностью для практических приложений , Kluwer Academic Publishers, ISBN 1-4020-7558-8
Джон Г.Proakis: Руководство для самообучения по цифровой обработке сигналов , Prentice Hall, ISBN 0-13-143239-7

Что такое цифровой сигнал? (с изображениями)

Цифровой сигнал — это способ передачи данных, который преобразует данные в дискретные значения, обычно на основе двоичного кода, над которым работают компьютерные системы, который состоит из пакетов информации, закодированных в виде строк из единиц и нулей. Использование цифровой сигнализации позволяет точно и почти идентично копировать определенные типы информации, такие как числа, буквы или отдельные цвета пикселей, из которых состоят изображения, и эта информация может храниться без длительного ухудшения ее качества.Однако, если преобразование цифрового сигнала происходит из того, что изначально является аналоговым сигналом, например, с музыкой или другими естественными формами волны, конечным результатом является только приближение к исходному аналоговому сигналу, и некоторое качество в цифровом формате может быть потеряно.

До 2009 года телевизоры в U.С. мог принимать аналоговые телевизионные сигналы, но сейчас используются только цифровые сигналы, а для телевизоров старого образца нужны специальные переходники.

В то время как аналоговые сигналы основаны на естественных процессах, в которых используются формы электромагнитных волн, с помощью которых передаются электричество и свет, для цифровой обработки сигналов требуется преобразователь цифровых сигналов. Таким устройством является модулятор-демодулятор (модем). Он принимает аналоговые сигналы от радиопередач или телефонных линий и преобразует их в цифровые сигналы, которые компьютер или современное цифровое телевидение могут отображать как полезную информацию.

Поскольку сигнал цифрового телевидения намного меньше, он может делать многое, чего не может делать аналоговый сигнал.

Передача аналогового сигнала была распространенной формой передачи в технологиях с 1800-х годов, но, по оценкам, по состоянию на 2007 год более 94% хранимой и передаваемой информации во всем мире стали цифровыми.В 1993 г. этот показатель составлял всего 3% для цифровых хранилищ, и причиной перехода на передачу цифровых сигналов часто является емкость и шум. Аналоговые сигналы могут передаваться только в пределах определенного диапазона для длин волн, и, когда сигнал выходит за пределы этого диапазона или ему мешают другие аналоговые сигналы с аналогичными длинами волн, искажения и шум могут ухудшить значение сигнала.

Провайдеры кабельного и спутникового телевидения обычно предоставляют своим абонентам декодер за небольшую ежемесячную плату.

Поскольку цифровые сигналы основаны на принципе дискретной передачи включения / выключения, они гораздо менее подвержены искажениям на больших расстояниях. Цифровой сигнал также можно разбить на отдельные пакеты информации, известные как компьютерные байты, и отправить индивидуально в пункт назначения, где они собираются заново. Это позволяет использовать гораздо более эффективные средства передачи данных по рандомизированным сетям, таким как сеть Интернет, а также увеличивает скорость передачи данных в целом.

Один из основных недостатков цифрового телевизионного сигнала или цифрового кабельного сигнала, например, заключается в том, что это искусственное воспроизведение исходных данных, тогда как аналоговый сигнал начинается как точная копия оригинала. Поскольку цифровой сигнал транслируется множеством устройств, кодируется как аналоговый и декодируется как цифровой, и повторно собирается в конечной точке, качество воспроизведения может быть потеряно.Это связано с тем, что цифровые сигналы часто являются копиями копий копий, и в процессе приближения должны быть сделаны с помощью технологий, чтобы воспроизвести исходный сигнал. Беспроводные цифровые передачи также могут быть искажены другой беспроводной деятельностью в этом районе или радиосигналами, которые им мешают, хотя это, как правило, меньше проблем, чем искажение сигнала при аналоговой передаче по воздуху.

Данные передаются по сети небольшими частями, называемыми пакетами.

Как компьютеры хранят и передают данные

В этом упражнении мы будем использовать двоичное кодирование для представления путей через серию «высоких» и «низких» вариантов, которые представляют, какой путь выбрать на логической карте. Студенты будут действовать как цифро-аналоговые преобразователи для декодирования двоичных импульсов и создания изображения путем преобразования импульсов в цветные пиксели.

Музыка, передаваемая в ваш автомобиль через спутниковое радио, и информация, хранящаяся в библиотеках данных, являются цифровыми сигналами, использующими двоичную систему .В двоичной системе всего две цифры, 1 и 0. Значение или значение этих цифр могут различаться. Например, они могут представлять «истина» и «ложь», «включение» и «выключение», или «высокое» и «низкое».

На этом рисунке показано, как двоичное кодирование может использоваться для представления путей через ряд «высоких» и «низких» вариантов. Следование двоичному коду укажет путь к логической карте и поможет найти нужные цвета.

«1» будет указывать на «высокий» путь, а «0» укажет на «низкий» путь.С помощью этой карты, называемой «картой логических вентилей», двоичная последовательность из 0 и 1 может указывать, когда «идти вверх» или «идти вниз», передавая путь на карте к «кодированию» цвета. Например, используя приведенную выше логическую карту, 010 будет означать «0» — вниз, «1» — вверх, «0» — вниз. Это будет код для зеленого цвета.

Теперь попробуйте

Используйте эту таблицу, чтобы определить, какой цвет будет закодирован числом 111 ?

Если вы закончили черным, то вы его получили!

Цифровые сигналы передаются в компьютеры в виде электронных сигналов, отправляемых в виде импульсов.Цифровое устройство интерпретирует напряжение каждого импульса как 0 или 1. Изображение ниже представляет собой пример оцифрованной волны.

Используя этот график, где красные линии в верхней части представляют собой «1», а красные линии в нижней части представляют «0», вы можете видеть, что вся красная линия представляет собой последовательность единиц и нулей вдоль вверху графика: 11001110111011.

Если бы мы использовали каждую группу из трех чисел, чтобы найти соответствующий цвет в таблице выше, мы бы использовали:

110 — розовый
011 — синий
101 — красный

Объяснение пикселей

В большинстве электронных устройств, таких как смартфоны, компьютеры и телевизионные экраны, используется технология жидкокристаллических дисплеев (ЖКД).Экран состоит из миллионов крошечных кусочков, называемых пикселей . Электронное устройство получает закодированную информацию в виде цифровых сигналов и использует электричество для управления цветом пикселей. Каждый крошечный пиксель просто меняет цвет от одного цвета к другому в зависимости от электрического сигнала, но поскольку пиксели такие маленькие, ваш глаз обнаруживает движение на всем изображении. Прекрасным примером этого в природе являются шкалы или «пиксели» на изображении крыла бабочки ниже и в этом крутом видео.

Сложные узоры на крыльях моли состоят из отдельных ячеек, которые выражают разные цвета. Предоставлено: Wikimedia Commons.

Как работает деятельность?

Каждому учащемуся назначается цифровой волновой график, подобный изображенному ниже. Используя карту логических вентилей, ученики будут декодировать сигнал в цвета пикселей для части мозаики.

Первые цифры будут введены в первую ячейку, а следующие цифры будут заполнены по порядку. Затем карта логических вентилей будет использоваться для определения их цветов.Предоставлено: Андреа ЛаРоса. Студенты будут заполнять эту таблицу, когда они расшифровывают свои цвета. В этом примере цвета, декодированные учеником №1, показаны в верхнем левом углу. Предоставлено: Андреа ЛаРоса. Сигнал каждого студента будет составлять часть общего изображения. Предоставлено: Андреа ЛаРоса

Чтобы сделать свой собственный шедевр мозаики в классе, четыре класса завершают панно большой настенной росписи Post-it.

Фреска, созданная четырьмя классами, представляет собой сцену океана. Кредит: Андреа ЛаРоса

Материалы

— Метр

— Лента

— Бумага формата Legal, разрезанная пополам по длине для этикеток с сеткой

— Карта логических ворот ученика и таблицы ученической сетки

— Графики двоичной последовательности

— Восемь плакатов 22 × 28 дюймов (рекомендуется использовать по две на класс):

— 2 стикера по 2 дюйма:

— 2 упаковки стикеров Super Sticky Notes, 2 x 2 дюйма, Коллекция Рио-де-Жанейро

— 1 упаковка Super Sticky Notes, 2 x 2 дюйма, Marrakesh Collection

— 1 упаковка стикеров Super Sticky Notes, 2 x 2 дюйма, яркие неоны

— Примечание для преподавателей: Пакеты, указанные выше, позволят создать мозаику правильных цветов (154 стикера на плакат).Если стикеры недоступны, учащиеся могут раскрасить сетку маркерами.

Препарат

Перед тем, как учащиеся создадут свои шедевры, нарисуйте квадратную сетку 14 на 11 на каждой доске для плакатов. Строки и столбцы будут шириной два дюйма (ширина ваших стикеров). Склейте две доски для плакатов по 28-дюймовым сторонам, чтобы получилась сетка 22 x 11.

Распечатайте двоичные последовательности учеников и таблицы назначений.Вырежьте эти листы по пунктирным линиям и дайте каждому студенту назначенную последовательность и соответствующую таблицу. Ваша установка должна выглядеть так:

Процедура для учащихся

Decode : Вы декодируете 10-12 квадратов на сетке. Ниже приведен пример графа двоичной последовательности. Красная линия — цифровое представление сигнала. Используйте назначенный вам график сигналов и логическую карту, чтобы декодировать двоичную последовательность и цвет в таблице сетки. Перед тем, как переходить к построению мозаики, посоветуйтесь со своим учителем.

Construct : узнайте количество и цвет наклеек для вашего участка мозаики. Поместите стикеры в соответствующие квадраты сетки для плакатов.

Совет учителю: создайте доску для плакатов с предварительно нанесенной надписью, чтобы помочь своим ученикам создать мозаику. Предоставлено: Андреа ЛаРоса

. Добавьте стикеры на сетку плаката в правильном порядке. При этом думайте о каждом квадрате сетки как о пикселе, а о своем выборе цвета в результате обработки двоичного кода для получения правильного цвета!

— Что сделал ваш класс?

— Как вы думаете, можно ли создать руководство по двоичному коду, чтобы сделать фреску?

Определение цифрового сигнала | Чегг.com

Цифровой сигнал — это электрический сигнал, который преобразуется в набор битов. В отличие от аналогового сигнала, который представляет собой непрерывный сигнал, содержащий изменяющиеся во времени величины, цифровой сигнал имеет дискретное значение в каждой точке дискретизации. Точность сигнала определяется тем, сколько отсчетов записывается в единицу времени. Например, на рисунке ниже показан аналоговый шаблон (представленный кривой) рядом с цифровым шаблоном (представленный дискретными линиями).

Цифровой сигнал легко представить на компьютере, потому что каждая выборка может быть определена с помощью серии битов, которые находятся в состоянии 1 (включен) или 0 (выключен). Цифровые сигналы могут быть сжаты и могут включать дополнительную информацию для исправления ошибок.

См. Дополнительные разделы по электротехнике

Видео по электротехнике