Что такое дискретные сигналы. Какие бывают виды дискретных сигналов. В чем преимущества дискретизации сигналов. Как применяются дискретные сигналы в цифровой обработке. Чем отличаются дискретные сигналы от аналоговых.
Что такое дискретные сигналы и их основные свойства
Дискретные сигналы — это сигналы, значения которых определены только в отдельные дискретные моменты времени. В отличие от непрерывных сигналов, дискретные сигналы имеют прерывистый характер.
Основные свойства дискретных сигналов:
- Определены только в дискретные моменты времени
- Между отсчетами значение сигнала не определено
- Могут иметь как непрерывную, так и дискретную амплитуду
- Получаются путем дискретизации непрерывных сигналов
- Описываются последовательностью отсчетов
Виды дискретных сигналов
Выделяют следующие основные виды дискретных сигналов:
1. По способу квантования амплитуды:
- Дискретные сигналы с непрерывной амплитудой (только дискретизация по времени)
- Цифровые сигналы (дискретизация по времени и квантование по уровню)
2. По характеру дискретизации:
- Равномерно дискретизированные сигналы (с постоянным шагом дискретизации)
- Неравномерно дискретизированные сигналы (с переменным шагом)
3. По длительности:
- Финитные дискретные сигналы (конечной длительности)
- Бесконечные дискретные сигналы
Преимущества дискретизации сигналов
Дискретизация непрерывных сигналов позволяет получить ряд важных преимуществ:
- Возможность цифровой обработки сигналов на компьютерах и микропроцессорах
- Высокая помехоустойчивость при передаче и хранении информации
- Простота реализации сложных алгоритмов обработки
- Гибкость и универсальность цифровых систем
- Возможность сжатия информации
Эти преимущества обусловили широкое распространение дискретных сигналов в современных системах обработки информации.
Принципы дискретизации непрерывных сигналов
Процесс преобразования непрерывного сигнала в дискретный называется дискретизацией. Основные принципы дискретизации:
- Выбор частоты дискретизации в соответствии с теоремой Котельникова
- Использование квантования по уровню для получения цифрового сигнала
- Применение фильтров для подавления наложения спектров
- Использование передискретизации для повышения разрешения
При правильном выборе параметров дискретизации обеспечивается минимальная потеря информации в дискретном сигнале по сравнению с исходным непрерывным.
Применение дискретных сигналов в цифровой обработке
Дискретные сигналы нашли широкое применение в различных областях цифровой обработки информации:
- Цифровая фильтрация сигналов
- Спектральный анализ
- Сжатие данных
- Распознавание образов
- Цифровая связь
- Системы управления
Применение дискретных сигналов позволяет реализовать сложные алгоритмы обработки на универсальных вычислительных устройствах.
Математическое описание дискретных сигналов
Для математического описания дискретных сигналов используются следующие основные представления:
- Временные последовательности отсчетов x[n]
- Z-преобразование
- Дискретное преобразование Фурье (ДПФ)
Эти представления позволяют анализировать свойства дискретных сигналов и систем во временной и частотной областях.
Отличия дискретных сигналов от аналоговых
Основные отличия дискретных сигналов от аналоговых:
- Определены только в дискретные моменты времени
- Описываются последовательностью отсчетов
- Имеют дискретный спектр
- Могут обрабатываться цифровыми методами
- Более устойчивы к помехам при передаче
При этом дискретные сигналы могут иметь как непрерывную, так и квантованную амплитуду.
Восстановление непрерывных сигналов из дискретных
Для восстановления непрерывного сигнала из дискретного используются следующие методы:
- Ступенчатая аппроксимация нулевого порядка
- Линейная интерполяция
- Восстановление с помощью функции sinc
- Применение сглаживающих фильтров
При правильном выборе частоты дискретизации непрерывный сигнал может быть восстановлен из дискретного практически без искажений.
Основные операции над дискретными сигналами
К основным операциям над дискретными сигналами относятся:
- Задержка сигнала
- Сложение и умножение сигналов
- Свертка последовательностей
- Децимация и интерполяция
- Цифровая фильтрация
Эти операции позволяют выполнять различные преобразования дискретных сигналов при их обработке.
Заключение
Дискретные сигналы играют важнейшую роль в современных системах обработки информации. Их применение позволяет использовать преимущества цифровых методов при сохранении всей существенной информации, содержащейся в исходных непрерывных сигналах. Развитие теории и техники дискретных сигналов открывает новые возможности для совершенствования информационных систем.
Основы теории дискретных сигналов и цифровых фильтров
Основы теории дискретных сигналов и цифровых фильтров
ОглавлениеПРЕДИСЛОВИЕВВЕДЕНИЕ Глава 1. ОБЩЕЕ ПОНЯТИЕ О ЦИФРОВОЙ ОБРАБОТКЕ СИГНАЛОВ § 1.1. Дискретные и цифровые сигналы § 1.2. Дискретные и цифровые фильтры § 1.3. Преимущества и недостатки цифровой обработки сигналов Глава 2. ДИСКРЕТИЗАЦИЯ И ВОССТАНОВЛЕНИЕ НЕПРЕРЫВНЫХ СИГНАЛОВ § 2.1. Основы дискретизации непрерывных сигналов Спектры дискретизированных сигналов. Восстановление непрерывного сигнала. Погрешности дискретизации и восстановления сигнала. Дискретизация сигналов в спектральной области. Число степеней свободы сигнала. § 2.2. Квантование сигналов Аналого-цифровое преобразование. Сглаживающие фильтры. Глава 3. ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ДИСКРЕТНЫХ СИГНАЛОВ § 3.2. Дискретное преобразование Фурье § 3.3. Быстрое преобразование Фурье § 3.4. Дискретное преобразование Лапласа § 3.  5. z-преобразование§ 3.6. Обратное z-преобразование § 3.7. Основные свойства z-преобразования Глава 4. ЦИФРОВЫЕ ФИЛЬТРЫ § 4.2. Важнейшие характеристики цифровых фильтров § 4.3. Частотные характеристики цифровых фильтров § 4.4. Формы реализации цифровых фильтров § 4.5. Основы синтеза цифровых фильтров Прямой синтез цифровых фильтров. Методы синтеза фильтров с конечной импульсной характеристикой. § 4.6. Эффекты квантования в цифровых фильтрах Ошибки, вызываемые неточными значениями постоянных параметров фильтра. Ошибки, вызванные квантованием результатов вычислений. Предельные циклы низкого уровня. § 4.7. Вопросы реализации и применения цифровых фильтров ПРИЛОЖЕНИЯ Приложение 1. Вывод формулы спектральной плотности дискретизированного сигнала Приложение 2. Примеры программ реализации некоторых алгоритмов на ЭЦВМ «МИР» ЛИТЕРАТУРА |
MDS AIO-4.
Комбинированный модуль ввода-вывода аналоговых и дискретных сигналов. Обзор прибораCмотри подробную информацию (описание, характеристики, cхемы и др.):
MDS AIO-4 Комбинированный модуль ввода-вывода аналоговых и дискретных сигналов
Добрый день, уважаемые коллеги! Данное видео посвящено модулю ввода-вывода MDS AIO-4.
Модуль является комбинированным четырехканальным. По каждому каналу модуль выполняет как ввод, так вывод как аналоговых, так и дискретных сигналов. Это свойство делает этот модуль очень универсальным. Одним модулем можно организовать полноценную работу 4 контуров измерения и управления.
Модуль имеет 4 универсальных входа для подключения различных датчиков аналоговых сигналов.
Аналоговые входы электрически связаны между собой , но имеют групповую гальваническую развязку от остальных частей модуля.
Четыре дискретных входа имеют индивидуальную гальваническую изоляцию.
В зависимости от модификации модуль может иметь либо 4 дискретных выхода, выполненных на электромеханических реле (это модификация AIO-4/4R), либо четыре пассивных токовых выхода 4…20 мА с индивидуальной гальванической изоляцией (это модификация AIO-4/0R), либо комбинацию из двух дискретных и двух токовых выходов (это модификация AIO-4/2R) .
Обмен данными выполняется по интерфейсу RS-485 по протоколу MODBUS RTU. Интерфейс также гальванически изолирован от остальных цепей модуля.
В модуле реализован ряд встроенных функций, которые выполняются модулем самостоятельно без участия управляющего контроллера. Это функции группового преобразования аналоговых и дискретных сигналов, счетчики, тахометры, компараторы, нормирующие преобразователи.
Наличие этих функций обеспечивает в ряде случаев автономную работу модулей и функционально разгружают управляющие контроллеры.
Обратим здесь внимание на специализированный функциональный модуль AIO-4-F1 со встроенными алгоритмами ПИД регулирования.
Внешний вид
Внешний вид модуля MDS AIO-4 приведен на экране. Модуль монтируется на монтажную шину (DIN-рельс)
На передней панели модуля размещены два индикатора. Индикатор On зеленым цветом сигнализирует о питании модуля . Индикатор Status — сигнализирует о возникновении какой-либо аварийной ситуации.
Внешние электрические соединения выполняются с помощью разъёмных винтовых клеммных соединителей. Они обеспечивают простой и удобный монтаж и демонтаж проводов.
Рассмотрим подробнее работу модуля.
Аналоговые входы
Аналоговые входы модуля являются универсальными.
Они могут измерять сигналы термопар, термопреобразователей сопротивления, унифицированных сигналов напряжения, постоянного тока и сопротивления. Напомним, аналоговые входы имеют групповую гальваническую изоляцию.
Модуль имеет высокую точность преобразования — 0,1 % и способен работать в широком диапазоне рабочих температур (-40…+60) °С. Метрологические характеристики модуля обладают высокой температурной стабильностью и не зависят от напряжения питания в пределах всего допустимого диапазона.
Тип датчика входного сигнала для каждого канала выбирается пользователем программно при конфигурировании прибора.
При работе с температурными датчиками выполняется линеаризация в соответствии с выбранной Номинальной Статической Характеристикой .
При работе с термопарами применяется встроенная система компенсации температуры холодного спая. При необходимости ее можно отключить.
Если в качестве источника входного сигнала используются унифицированные сигналы напряжения, тока или сопротивления, то диапазоны измерения каждого канала в отдельности могут быть линейно масштабированы.
Пользовать при конфигурировании прибора может задать значения верхней и нижней границы диапазона измерения для каждого из четырех каналов .
При необходимости вычисления расхода можно включить функцию корнеизвлечения для унифицированных сигналов.
Для того , чтобы исключить влияние случайных высокочастотных помех на измеренный сигнал, можно включить низкочастотную фильтрацию с подходящей постоянной времени.
Помимо непосредственного измерения аналоговых сигналов , в модуле предусмотрена возможность дополнительного преобразования результатов измерения. Аналоговые сигналы попарно поступают на блок математического преобразования. Сигнал на выходе является результатом преобразований двух сигналов на входе. Функцию преобразования выбирает пользователь при конфигурировании модуля. В простейшем случае сигналы просто транслируются без преобразования.
Доступны простейшие функции преобразования двух сигналов: разность измеренных значений, их среднее, отклонение от среднего.
Используя результаты измерения двух сигналов можно вычислить можно вычислить более сложные параметры: относительную влажность психрометрическим методом, а также рассчитать их произведение.
Дискретные входы
Модуль имеет 4 канала ввода дискретных сигналов с индивидуальной гальванической изоляцией. Модуль воспринимает дискретные сигналы следующих типов: «сухой контакт», n-p-n транзистор с открытым коллектором, p-n-p транзистор с открытым коллектором и сигналов логических уровней. Это могут быть различные датчики положения, приближения, энкодеры, кнопки, контакты реле и пускателей. Для дискретных входов требуется внешний источник напряжения. Для этих целей можно использовать питание самого модуля.
Зарегистрированные дискретные сигналы подвергаются преобразованию с помощью заданных логических функций. В простейшем случае — это трансляция и инверсия. Группа входных дискретных сигналов может подвергаться групповой обработке с помощью логических функции И, ИЛИ, И-НЕ, ИЛИ-НЕ.
Каждый дискретный сигнал поступает также и на 32 — разрядный счетчик. Счет может вестись как в прямом, так и в обратном направлении. Пользователь задает направление счета при конфигурировании. Также он может задавать фронт импульсов счета (передний или задний) и максимальный период. При переполнении счетчиков выставляются флаги переполнения.
Кроме того, каждый дискретный сигнал поступает на тахометр, который вычисляет частоту импульсов на входе.
Таким образом , по каждому дискретному входу регистрируется как состояние дискретного сигнала, так два квазианалоговых параметра : результаты счетчика и тахометра.
В модуле реализован специальный механизм регистрации коротких импульсов в период между опросами. Для этого применяются регистры-защелки. Опросив регистр, можно сделать вывод, был импульс или нет.
Для того, чтобы устранить эффект «дребезга контактов» у дискретных сигналов, можно включить селектор по длительности.
Импульсы, у которых длительность меньше заданной величины, регистрироваться не будут.
Выходы
Вначале мы сказали, что в зависимости от модификации модуль может иметь либо 4 дискретных выхода, выполненных на электромеханических реле (это модификация AIO-4/4R), либо четыре пассивных токовых выхода 4…20 мА с индивидуальной гальванической изоляцией (это модификация AIO-4/0R), либо комбинацию из двух дискретных и двух токовых выходов (это модификация AIO-4/2R) .
Есть четыре варианта управления дискретными выходами. В первом случае, на выходы подается сигнал, полученный в результате логической обработки входных дискретных сигналов. В этом первом случае, модуль самостоятельно без участия управляющего контроллера обрабатывает входные дискретные сигналы и в соответствии с заданными логическими функциями формирует сигналы на выходе .
Во втором случае выходы отрабатывают сигналы встроенных компараторов.
На входы компараторов можно подать измеренные и преобразованные входные аналоговые сигналы, а также сигналы счетчиков и тахометров. Пользователь может задать функцию компаратора : БОЛЬШЕ, МЕНЬШЕ, ПОПАДАНИЕ с ИНТЕРВАЛ, ПОПАДАНИЕ ВНЕ ИНТЕРВЛА, а также пороги срабатывания. В этом случае модули также работают автономно и выполнют функции сигнализаторов или позиционных регуляторов.
В третьем случае, выходы реализуют заданные временные диаграммы, например, формируют одиночные импульсы или непрерывный ШИМ сигнал. В этом случае, при конфигурировании нужно выбрать вид временной диаграммы, и по интерфейсу подавать параметры сигналов: длительность сигнала, период. В этом случае сочетается управление по интерфейсу и самостоятельная отработка временных интервалов. Сигналы по интерфейсу поступают только при необходимости каких либо изменений параметров сигналов.
Наконец в последнем случае, дискретный выход может полностью и непосредственно управляeтся сигналами по интерфейсу: и включается и выключается в моменты времени подачи сигналов.
Аналоговые токовые выходы так же могут отрабатывать как внутренние сигналы, так и значения, заданные по интерфейсу. Внутренние сигналы формируются внутренними нормирующими преобразователями, которые в свою очередь нормируют измеренные и преобразованные входные сигналы. Границы диапазона преобразования задаются при конфигурировании. В этом варианте модуль выполняет функции нормирующего преобразователя.
В случае внешнего управления токовый выход формирует уровень тока, значение которого задается по интерфейсу управляющим контроллером. Это вариант используется при управлении различными исполнительными устройствами с помощью токового сигнала 4… 20 мА.
Для того, чтобы исключить непредсказуемое поведение выходов модуля, предусмотрены защитные механизмы в ряде ситуаций.
Во-первых, пользователь может задать состояния выходов, которые они будут устанавливать сразу после включения питания модуля до того момента, когда управляющтий контроллер не сменит эти состояния.
Во-вторых, при прерывании питания модуль «запоминает» состояния всех выходов и восстанавливает их после включения питания. Эти две функции модуля — взаимоисключающие и в каждый конкретный момент действует только одна из них.
Интерфейс RS-485
Интерфейс RS-485 в модуле AIO-4 предназначен для трех задач.
Во-первых, по интерфейсу RS-485 осуществляется сбор данных, полученных по аналоговым и дискретным входам. Это измереные и преобразованные значения аналоговых сигналов, состояния дискретных входов. значения счетчиков и тахометров, подключенных к дискретным входам.
Во-вторых, это дистанционное управление аналоговыми и дискретными выходами модуля, о котором мы сказали ранее.
Наконец, по интерфейсу RS-485 выполняется конфигурирование (то есть настройка) прибора перед применением, а также изменение режимов работы в процессе применения.
Конфигурирование перед применением выполняется на персональном компьютере с помощью программного обеспечения SetMaker.
Изменение режимов работы в процессе применения модуля может выполняться прикладным ПО в соответствии с регистровой моделью модуля. Процесс конфигурирования с помощью ПО SetMaker будет показан в следующем видео.
Системный сторожевой таймер
В приборе реализован так называемый «системный» сторожевой таймер (watchdog), который контролирует интервалы времени между «запросами» по сети. «»Системный»» сторожевой таймер позволяет отслеживать потерю связи по интерфейсу RS-485. Пользователь программно задает контрольный интервал времени.
Если в течение данного интервала не поступает запроса от управляющего устройства (например, из-за отказа оборудования или сбоя программного обеспечения), то срабатывает «системный» сторожевой таймер, происходит светодиодная индикация данного типа аварии. Срабатывание системного сторожевого таймера означает, что модулем ничто не управляет. Чтобы исключить опасные аварийные последствия, модуль переводит свои выходы в предустановленное пользователем безопасное состояние.
Безопасные состояния задаются пользователем при конфигурировании
Диагностика аварийных ситуаций
В процессе работы модуль AIO-4 контролирует входные сигналы и обнаруживает следующие ситуации:
– обрыв датчика;
– замыкание датчика;
– выход измеренного значения за верхнюю границу диапазона измерения;
– выход измеренного значения за нижнюю границу диапазона измерения»
Модуль отображает тот или иной тип аварийной ситуации уникальным для него режимом свечения светодиодногоиндикатора Status, расположенного на передней панели прибора.
Система обозначений модификаций
В конце скажем несколько слов про систему обозначений модификаций модуля MDS AIO-4.
Аббревиатура AIO указывает на тип модуля — комбинированный aналоговый и дискретный ввод/вывод.
Цифра 4 , следующая за ней, означает количество каналов.
Цифра и буква после косой черты указывают на количество и типы аналоговых и дискретных выходов. Возможны следующие варианты
- 0R – 0 электромеханических реле, 4 аналоговых токовых
- 4R – 4 электромеханических реле, 0 аналоговых токовых
Следующая аббревиатура означает вариант климатического исполнения модуля по ГОСТ Р 52931.
- B4 – температура (0…50) °С, влажность 80 % при 35 °С.
- С4 – температура (-40…+60) °С, влажность 95 % при 35 °С.
M0 на конце означает базовую модификацию прибора.
Отметим, что по специальному заказу могут быть выпущены модули с индивидуальными (нестандартными) характеристиками и функциями.
Итак, сегодня мы рассмотрели комбинированный модуль ввода-вывода MDS AIO-4, входящий в состав серии модуль MDS научно-производственной фирмы КонтрАвт. В следующем видео мы покажем процесс конфигурирования данного прибора.
Почему мы используем выборку с дискретным временем?
спросил
Изменено 6 лет, 7 месяцев назад
Просмотрено 4к раз
$\begingroup$
Недавно я прочитал Сигналы и системы (2-е изд.). Глава 7 посвящена выборке. Оппенгейм использует сигналы с дискретным временем и сигналы с непрерывным временем для объяснения дискретизации.
- Но зачем нам сигналы с дискретным временем? Мы используем аналого-цифровой преобразователь для приема и преобразования сигнала непрерывного времени, поэтому сигнал уже является дискретным. Другими словами, дискретные сигналы представляют собой выборочную версию непрерывных сигналов.
- Есть ли практический смысл в дискретных дискретных сигналах?
- дискретные сигналы
- выборка
$\endgroup$
1
9{th}$ выборка последовательности выборок полезна для эффективной обработки, передачи или хранения информации,
Пример: если сигнал имеет низкочастотную характеристику без существенных составляющих выше $f_s/4$ (где $f_s$ — частота дискретизации), частоту дискретизации можно уменьшить в $2$, т.е. образец можно выбросить без потери информации.
$\endgroup$
6
$\begingroup$
Существует разница между квантованным сигналом, т. е. принимающим только целочисленные значения, и дискретным сигналом, т. е. значение которого рассматривается только в отдельные моменты времени.
Физический сигнал обычно непрерывен по значениям и во времени.
Аналого-цифровой преобразователь превращает физический сигнал в квантованный; если преобразователь асинхронный, он генерирует непрерывный во времени сигнал.
Дискретные/непрерывные сигналы создаются схемами выборки и хранения.
Цифровые сигналы, обрабатываемые компьютерами, обычно квантованы и дискретны по времени.
$\endgroup$
$\begingroup$
, если это не вспышка, аналого-цифровому преобразователю нужно время, чтобы определить значение сигнала. что он должен делать, пока сигнал непрерывного времени изменяется, поскольку он определяет значение сигнала?
тогда с обработкой, как сделать цифровую обработку в контексте непрерывного времени? полностью параллельная обработка? много ворот. одно из преимуществ цифровой обработки сигналов по сравнению с аналоговой обработкой сигналов заключается в том, что вам не нужно менять и переделывать аппаратное обеспечение для изменения алгоритма. как вы собираетесь сделать это с флэш-АЦП и непрерывной обработкой?
$\endgroup$
2
Зарегистрируйтесь или войдите в систему
Зарегистрируйтесь с помощью Google
Зарегистрироваться через Facebook
Зарегистрируйтесь, используя электронную почту и пароль
Опубликовать как гость
Электронная почта
Требуется, но не отображается
Опубликовать как гость
Электронная почта
Требуется, но не отображается
Нажимая «Опубликовать свой ответ», вы соглашаетесь с нашими условиями обслуживания, политикой конфиденциальности и политикой использования файлов cookie
.Аналоговый сигнал может быть дискретным по времени?
спросил
Изменено 5 лет, 9 месяцев назад
Просмотрено 4к раз
$\begingroup$
Я новичок на этом сайте и в этой области тоже. Я всегда думал, что аналоговый сигнал является непрерывным, а цифровой сигнал дискретным. Я прочитал это сегодня и запутался в аналоговом сигнале
Аналог может быть непрерывное время (CT) или дискретное время (DT). Сигнал дискретного времени не является цифровым сигналом; а сигнал дискретного времени — это сигнал, в котором амплитуда представляет собой континуум, а не дискретизированный. На с другой стороны, если время дискретизировано, этот сигнал остается аналоговым.
Кто-нибудь объяснит мне, что это на самом деле означает?
- дискретные сигналы
- непрерывные сигналы
- аналоговые
$\endgroup$
1
$\begingroup$
Звучит как путаница в терминологии. См. http://en.wikipedia.org/wiki/Digitizing
Оцифровка в основном включает два этапа:
- Дискретизация : Дискретизация сигнала в дискретные моменты времени
- Квантование : Преобразование сэмплов из (теоретически) бесконечного разрешения в конечное разрешение
Посмотрите на все возможные комбинации, у вас может быть 4 различных типа сигнала:
- непрерывное время, непрерывная амплитуда
- дискретное время, непрерывная амплитуда
- непрерывное время, дискретная амплитуда
- дискретное время, дискретная амплитуда
Обычно мы называем № 1 «аналоговым», а № 4 «цифровым».
