По видам (типам) сигналов выделяются следующие:
- аналоговый
- цифровой
- дискретный
Аналоговый сигнал
Аналоговый сигнал является естественным. Его можно зафиксировать с помощью различных видов датчиков. Например, датчиками среды (давление, влажность) или механическими датчиками (ускорение, скорость). Аналоговые сигналы в математике описываются непрерывными функциями. Электрическое напряжение описывается с помощью прямой, т.е. является аналоговым.
Цифровой сигнал
Цифровые сигналы являются искусственными, т.е. их можно получить только путем преобразования аналогового электрического сигнала.
Процесс последовательного преобразования непрерывного аналогового сигнала называется дискретизацией. Дискретизация бывает двух видов:
- по времени
- по амплитуде
Дискретизация по времени обычно называется операцией выборки. А дискретизация по амплитуде сигнала - квантованием по уровню.
В основном цифровые сигналы являются световыми или электрическими импульсами. Цифровой сигнал используют всю данную частоту (полосу пропускания). Этот сигнал все равно остается аналоговым, только после преобразования наделяется численными свойствами. И к нему можно применять численные методы и свойства.
Дискретный сигнал
Дискретный сигнал – это все тот же преобразованный аналоговый сигнал, только он необязательно квантован по уровню.
Это основные сведения о видах (типах) сигналов .
Понятия «информация» (от лат. informatio - разъяснение, изложение) и «сообщение» в настоящее время неразрывно связаны между собой.
Информация – это сведения, являющиеся объектом передачи, распределения, преобразования, хранения или непосредственного использования. Сообщение является формой представления информации. Известно, что 80...90% информации человек получает через органы зрения и 10...20%-через органы слуха. Другие органы чувств дают в сумме 1...2 % информации.
Информацию передают в виде сообщений . Сообщение - форма выражения (представления) информации, удобная для передачи на расстояние. Примерами сообщений служат тексты телеграмм, речь, музыка, телевизионное изображение, данные на выходе компьютера, команды в системе автоматического управления объектами и т.п. Сообщения передают с помощью сигналов, которые являются носителями информации. Основным видом сигналов являются электрические сигналы. В последнее время всё большее распространение получают оптические сигналы, н/р, в волоконно-оптических линиях передачи информации. Сигнал - физический процесс, отображающий передаваемое сообщение. Отображение сообщения обеспечивается изменением к-л физической величины, характеризующей процесс. Сигнал передаёт (развёртывает) сообщение во времени, то есть всегда является функцией времени. Сигналы формируются путём изменения тех или иных параметров физического носителя в соответствии с передаваемым сообщением.
Эта величина является информационным параметром сигнала. Информационный параметр сообщения - параметр, в изменении которого "заложена" информация. Для звуковых сообщений информационным параметром является мгновенное значение звукового давления, для неподвижных изображений - коэффициент отражения, для подвижных - яркость свечения участков экрана.
При этом важное значение имеют понятия качества и скорости передачи информации.
Качество передачи информации тем выше, чем меньше искажения информации на приёмной стороне. С увеличением скорости передачи информации требуется принимать специальные меры, препятствующие потерям информации и снижению качества передачи информации.
Передача сообщений на расстояние осущ-ся с помощью к-л материального носителя, н/р, бумаги или магнитной ленты или физического процесса, например, звуковых или электромагнитных волн, тока и т.д.
Передача и хранение информации осуществляется с помощью различных знаков (символов), которые позволяют представить её в некоторой форме.
Сообщения могут быть функциями времени, например речь при передаче телефонных разговоров, температура или давление при передаче телеметрических данных, спектакль при передаче по телевидению и т.п. В других случаях сообщение не является функцией времени (например, текст телеграммы, неподвижное изображение и т.д.). Сигнал передаёт сообщение во времени. Следовательно, он всегда является функцией времени, даже если сообщение (например, неподвижное изображение) таковым не является. Различают 4 вида сигналов: непрерывный сигнал непрерывного вр. (рис.2.2, а), непрерывный дискретного вр. (рис.2.2, б), дискретный непрерывного вр. (рис.2.2, в) и дискретный дискретного времени (рис2.2, г).
Рисунок 2.2 – Непрерывный сигнал непрерывного времени (а), непрерывный сигнал дискретного времени (б), дискретный сигнал непрерывного времени (в), дискретный сигнал дискретного времени (г).
Непрерывные сигналы непрерывного вр. наз-т сокращенно непрерывными (аналог.) сигн-ми. Они могут изменяться в произвольные моменты, принимая любые значения из непрерывного множества возможных значений (синусоида).
Непрерывные сигналы дискретного вр. могут принимать произвольные значения, но изменяться только в определенные, наперед заданные (дискретные) моменты t 1 , t 2 , t 3 … .
Дискретные сигналы непрерывного времени отличаются тем, что они могут изменяться в произвольные моменты, но их величины принимают только разрешенные (дискретные) значения.
Дискретные сигналы дискретного времени (сокращенно дискретные) в дискретные моменты вр.могут принимать только разреш-е (дискретные) значения.
По характеру изменения информационных параметров различают непрерывные и дискретные сообщения.
Аналоговый сигнал является непрерывной или частично непрерывной функцией времени Х(t). Мгновенные значения сигнала являются аналогом физической величины рассматриваемого процесса.
Дискретный сигнал представляет собой дискретные импульсы, следующие друг за другом с интервалом времени Δt, ширина импульсов одинакова, а уровень (площадь импульса) является аналогом мгновенного значения некоторой физической величины, которую представляет дискретный сигнал.
Цифровой сигнал представляет собой дискретный ряд цифр, следующих друг за другом с интервалом времени Δt, в виде двоичных разрядов и представляющих мгновенное значение некоторой физической величины.
Непрерывный или аналоговый сигнал это сигнал, который может принимать любые уровни значений в некотором интервале величин. Непрерывный по времени сигнал это сигнал, заданный на всей оси времени.
Например, речь является сообщением непрерывным как по уровню, так и по времени, а датчик температуры, выдающий её значения через каждые 5 мин, служит источником сообщений, непрерывных по величине, но дискретных по времени.
Понятие о количестве информации и возможности ее измерения является основой теории информации. Теория информации сформировалась в 20 веке. Пионерами теория информации считают Клод Шеннонна (США), А.Н. Колмогорова (СССР) Р. Хартли (США) и др. Согласно Клоду Шеннонну, информация - снятая неопределенность. Т.е. информативность сообщения х-ся содержащейся в ней полезной информации т.е. та часть сообщения которая уменьшает существующую до ее получения неопределнность чего-либо.
Сигнал – это материальный носитель информации (данных), которая передается от источника к потребителю. Может представлять собой физические сигналы или математические модели.
Сигналы могут быть аналоговыми и дискретными.
Аналоговый (непрерывный) сигнал отражается некоторой физической величиной, изменяющейся в заданном интервале времени, например, тембром или силой звука.
Приведем пример непрерывного сообщения. Человеческая речь, передаваемая модулированной звуковой волной; параметром сигнала в этом случае является давление, создаваемое этой волной в точке нахождения приемника – человеческого уха.
Дискретный (цифровой) сигнал слагается из счетного множества информационных элементов.
Параметр сигнала принимает последовательное во времени конечное число значений.
Набор самых «мелких» элементов дискретного сигнала называется алфавитом, а сам дискретный сигнал называют также сообщением.
Сообщение, передаваемой с помощью таких сигналов – дискретное.
Информация, передаваемая источником – дискретная.
Примером дискретного сообщения может быть процесс чтения книги, информация в которой представлена текстом, т.е. дискретной последовательностью отдельных значков (букв).
Аналоговый сигнал может быть преобразован в дискретный. Такой процесс называется дискретизацией.
Непрерывное сообщение может быть представлено непрерывной функцией, заданной на некотором отрезке [а, b] (рис. 2.1). Непрерывное сообщение можно преобразовать в дискретное (такая процедура называется дискретизацией).
| Рис. 2.1. Процесс дискретизации |
Для этого из бесконечного множества значений этой функции (параметра сигнала) выбирается их определенное число, которое приближенно может характеризовать остальные значения. Полученная последовательность значений функции у 1 , у 2 , ... у n . является дискретным представлением непрерывной функции, точность которого можно неограниченно улучшать путем уменьшения длин отрезков разбиения области значений аргумента.
Таким образом, любое сообщение может быть представлено как дискретное, иначе говоря, последовательностью знаков некоторого алфавита.
Возможность дискретизации непрерывного сигнала с любой желаемой точностью (для возрастания точности достаточно уменьшить шаг) принципиально важна с точки зрения информатики. Компьютер – цифровая машина, т. е. внутреннее представление информации в нем дискретно. Дискретизация входной информации (если она непрерывна) позволяет сделать ее пригодной для компьютерной обработки.
Кодирование сигналов
Для автоматизации работы с данными, относящимися к различным типам, очень важно унифицировать их форму представления – для этого обычно используется прием кодирования, то есть выражение данных одного типа через данные другого типа.
Под кодированием сигнала понимают:
· его представление в определенной форме, удобной или пригодной для последующего использования сигнала;
· правило, описывающее отображение одного набора знаков в другой набор знаков.
Кодированию подлежат как отдельные символы исходного алфавита, так и их комбинации.
Приведем пример.
Дана таблица соответствия между натуральными числами трех систем счисления.
Эту таблицу можно рассматривать как некоторое правило, описывающее отображение набора знаков десятичной системы счисления в двоичную и шестнадцатеричную. Тогда исходный алфавит – десятичные цифры от 0 до 9, а кодовые алфавиты – это 0 и 1 для двоичной системы; цифры от 0 до 9 и символы {A, B, C, D, E, F} – для шестнадцатеричной.
Виды кодирования в зависимости от целей кодирования.
1. Кодирование по образцу используется всякий раз при вводе информации в компьютер для ее внутреннего представления.
Данный вид кодирования применяется для представления дискретного сигнала на том или ином машинном носителе.
Большинство кодов, используемых в информатике для кодирования по образцу, имеют одинаковую длину и используют двоичную систему для представления кода (и, возможно, шестнадцатеричную как средство промежуточного представления).
В данном виде кодирования используются:
a) прямые коды.
Применяются для представления в ЭВМ числовых данных и используют двоичную систему счисления. Могут использоваться для кодирования и нечисловых данных.
b) ASCII–коды.
Наиболее распространенным является код ASCII (American Standard Code for Information Interchange), который используется для внутреннего представления символьной информации в операционной системе MS DOS, в Блокноте операционной системы Windows’xx, а также для кодирования текстовых файлов в Интернет.
c) коды, учитывающие частоту символов.
В некоторых системах кодирования значение кода определяется частотой кодируемого символа. Как правило, такие частоты известны для букв алфавитов естественных языков, например, английского или русского, и используются уже давно при размещении клавиш клавиатуры: наиболее часто используемые буквы располагаются на клавишах в середине клавиатуры, наиболее редко используемые – на периферии, что создает удобство работы для человека.
2. Криптографическое кодирование, или шифрование используется, когда нужно защитить информацию от несанкционированного доступа.
3. Эффективное, или оптимальное, кодирование используется для устранения избыточности информации, т.е. снижения ее объема, например, в архиваторах.
Для кодирования символов исходного алфавита используют двоичные коды переменной длины: чем больше частота символа, тем короче его код.
Эффективность кода определяется средним числом двоичных разрядов для кодирования одного символа.
4. Помехозащитное, или помехоустойчивое, кодирование используется для обеспечения заданной достоверности в случае, когда на сигнал накладывается помеха, например, при передаче информации по каналам связи.
В качестве базового кода, который подвергается помехозащитному кодированию, используется двоичный код постоянной длины. Такой исходный (базовый) код называется первичным, поскольку подвергается модификации.
Данные
Термин «данные»
Под данными понимается:
1) представление информации в формализованном (закодированном) виде, позволяющем хранить, передавать или обрабатывать её с помощью технических средств;
2) зарегистрированные сигналы.
Носителями данных могут быть:
· бумага – самый распространённый носитель. Данные регистрируются путем изменения оптических характеристик ее поверхности;
· CD–ROM. Используется изменение оптических свойств в устройствах, осуществляющих запись лазерным лучом на пластмассовых носителях с отражающим покрытием;
· магнитные ленты и диски – используют изменение магнитных свойств.
Операции с данными
С данными можно производить различные операции:
· сбор данных – накопление данных с целью обеспечения достаточной полноты информации для принятия решений;
· формализация данных – приведение данных, поступающих из разных источников, к одинаковой форме, чтобы сделать их сопоставимыми между собой, то есть повысить их уровень доступности;
· фильтрация данных – отсеивание «лишних» данных, в которых нет необходимости для принятия решений; при этом должен уменьшаться уровень «шума», а достоверность и адекватность данных должны возрастать;
· сортировка данных – упорядочение данных по заданному признаку с целью удобства использования; повышает доступность информации;
· группировка данных – объединение данных по заданному признаку с целью повышения удобства использования; повышает доступность информации;
· архивация данных – организация хранения данных в удобной и легкодоступной форме; служит для снижения экономических затрат на хранение данных и повышает общую надежность информационного процесса в целом;
· защита данных – комплекс мер, направленных на предотвращение утраты, воспроизведения и модификации данных;
· транспортировка данных – прием и передача (доставка и поставка) данных между удаленными участниками информационного процесса; при этом источник данных в информатике принято называть сервером, а потребителя – клиентом;
· преобразование данных – перевод данных из одной формы в другую или из одной структуры в другую.
Лекция 1
Основные типы сигналов и их математическое описание.
Основные типы сигналов: аналоговый, дискретный, цифровой.
Аналоговый - это сигнал, непрерывный во времени и по состоянию (рис.1а). Сигнал описывается непрерывной (или кусочно-непрерывной) функцией Х (t ). При этом и аргумент и сама функция могут принимать любые значения из некоторых интервалов:
t " ≤ t ≤ t "" , x " ≤ x ≤ x "".
Дискретный - это сигнал, дискретный во времени и непрерывный по состоянию (рис.1б). Описывается решетчатой функцией Х (n * T ), где n - номер отсчета (1,2,3,…). Интервал Т называют период дискретизации, а обратную величину f д=1/Т – частота дискретизации. Решетчатая функция определена только в моменты времени n * T и может только в эти моменты принимать любые значения из некоторого интервала x " ≤ x ≤ x "". Значения решетчатой функции, а соответственно и самого сигнала в моменты времени n * T , называют отсчетами. (Дискретный сигнал может быть как вещественным, так и комплексным).
Цифровой - это сигнал, дискретный как во времени, так и по состоянию (рис.1в). Сигналы этого типа так же описываются решетчатыми функциями Х ц(n * T ), которые могут принимать лишь конечное число значений из некоторого конечного интервала x " ≤ x ≤ x "". Эти значения называются уровнями квантования, а соответствующие функции – квантованными.
При анализе дискретных сигналов удобно
пользоваться нормированным временем
,
иначе
,
т.е. номер отсчета дискретного
сигнала может интерпретироваться как
нормированное время. При переходе
нормированному времени дискретный
сигнал можно рассматривать как функцию
целочисленной переменной n
.
То есть далее Х
(n
)
равнозначно Х
(n
·
T
).
Нормирование частоты.
По теореме Котельникова максимальная частота аналогового сигнала f в не должна быть более f д/2. Поэтому все дискретные сигналы целесообразно рассматривать в диапазоне . При этом вводится понятие нормированной частоты
или
и рассматривать дискретный сигнал f в области
или
Применение нормированной частоты позволяет исследовать частотные характеристики дискретных систем и спектры дискретных сигналов в единой полосе частот. Для ЦОС важны не абсолютные значения частоты сигнала и частоты дискретизации, а их отношение, т.е. значение нормированной частоты.
Например для 2х дискретных косинусоид:
где
В итоге:
Дискретные сигналы их одинаковы, так как равны их нормированные частоты, они, лишь, по разному будут во времени.
В общем случае дискретная косинусоида в области нормированных частот имеет вид:
Обобщенная схема Цифровой обработки сигнала.
Процесс ЦОС включает 3 этапа:
Формирователь последовательности чисел Х(n * T ) из аналогового сигнала x (t ) ;
Преобразование последовательности Х(n * T ) по заданному алгоритму цифровым процессором обработки сигналов (ЦПОС) в новую, выходную числовую последовательность y(n * T ) ;
Формирование результирующего аналогового сигнала y (t ) из последовательности y (n * T ).
Частота дискретизации f д выбирается: f д ≥ 2f в.
Реальные сигналы не удовлетворяют этому требованию. Поэтому ставят ФНЧ, ограничивающий спектр. Так как энергия реальных сигналов уменьшается с ростом частоты, то искажения вносимые ФНЧ незначительны (рис.3 а и б), а также спектры ниже:
Уровни квантования
(рис 1.в.) кодируются
двоичными числами, поэтому на выходе
АЦП имеем последовательность двоичных
чисел
.
Цифровой сигнал
отличается от дискретного
на величину:
Ошибка квантования.
Для её снижения необходимо увеличивать
количество уровней квантования.
Дискретный сигнал
поступает в ЦПОС, который по алгоритму
каждому входному отчету
ставит в однозначное соответствие
выходной сигнал
.
При этом количество операций (умножений,
сложений, инверсий, пересылок и т.д.) для
получения одного отсчета
может исчисляться сколько угодно. Однако
период обработки (время вычисления) не
может быть больше периода дискретизации
.
А это может быть лишь, если тактовая
частота f
Т ЦПОС >> f
Д.
Далее ЦАП формирует ступенчатый
аналоговый сигнал
(t
),
ступеньки которого сглаживаются
фильтром, получая аналоговый y
(t
).
Сигналы – носители информации в средствах автоматизации могут различаться как по физической природе и параметрам, так и по форме представления информации. В рамках ГСП (государственная система приборов) применяются в серийном производстве средств автоматизации следующие типы сигналов:
Электрический сигнал (напряжение, сила или частота электрического тока);
Пневматический сигнал (давление сжатого воздуха);
Гидравлический сигнал (давление или перепад давлений жидкости).
Соответственно в рамках ГСП формируются электрическая, пневматическая и гидравлическая ветви средств автоматизации
По форме представления информации сигнал может быть аналоговым, импульсным и кодовым.
Аналоговый сигнал характеризуется текущими изменениями какого–либо физического параметра–носителя (например, мгновенными значениями электрического напряжения или тока). Такой сигнал существует практически в каждый данный момент времени и может принимать любые значения в пределах заданного диапазона изменений параметра.
Импульсный сигнал характерен представлением информации только в дискретные моменты времени, т.е. наличием квантования по времени. При этом информация представляется в виде последовательности импульсов одинаковой продолжительности, но различной амплитуды (амплитудно-импульсная модуляция сигнала) или одинаковой амплитуды, но разной продолжительности (широтно-импульсная модуляция сигнала).
Кодовый сигнал представляет собой сложную последовательность импульсов, используемую для передачи цифровой информации. При этом каждая цифра может быть представлена в виде сложной последовательности импульсов, т.е. кода, а передаваемый сигнал является дискретным (квантуется) и по времени, и по уровню.
Оптический сигнал – световая волна, несущая определенную информацию. Особенностью световой волны по сравнению с радиоволной является то, что вследствие малой длины волны в ней может быть практически осуществлена передача, прием и обработка сигналов, модулированных не только по времени, но и по пространственным координатам. Это позволяет значительно увеличить объем вносимой в оптический сигнал информации. Оптический сигнал – функция четырех переменных (x,y,z,t) – 3-х координат и времени. Электромагнитная волна – изменение во времени и в каждой точке пространства электрического и магнитного полей, которые связаны между собой по закону индукции. Электромагнитная волна характеризуется взаимно перпендикулярными векторами напряженностей электрического E и магнитного H полей, которые изменяются во времени по одному и тому же гармоническому закону.