Αναλογικά, διακριτά και ψηφιακά σήματα

Οποιοδήποτε φυσικό μέγεθος από τη φύση της μεταβολής της τιμής του μπορεί να είναι σταθερό (αν έχει μόνο μία σταθερή τιμή), διακριτό (αν μπορεί να έχει δύο ή περισσότερες σταθερές τιμές) ή αναλογικό (αν μπορεί να έχει άπειρο αριθμό τιμών). Όλες αυτές οι ποσότητες μπορούν να ψηφιοποιηθούν.

Αναλογικά σήματα

Ένα αναλογικό σήμα είναι ένα σήμα που μπορεί να αναπαρασταθεί από μια συνεχή γραμμή ενός συνόλου τιμών που ορίζονται σε κάθε χρονική στιγμή σε σχέση με τον άξονα του χρόνου. Οι τιμές ενός αναλογικού σήματος είναι αυθαίρετες σε οποιαδήποτε χρονική στιγμή, επομένως μπορεί γενικά να αναπαρασταθεί ως ένα είδος συνεχούς συνάρτησης (ανάλογα με το χρόνο ως μεταβλητή) ή ως τμηματικά συνεχής συνάρτηση του χρόνου.

Ένα αναλογικό σήμα μπορεί να ονομαστεί, για παράδειγμα, ένα ηχητικό σήμα που παράγεται από ένα πηνίο ενός ηλεκτρομαγνητικού μικροφώνου ή ενός ακουστικού ενισχυτή σωλήνα, επειδή ένα τέτοιο σήμα είναι συνεχές και οι τιμές του (τάση ή ρεύμα) είναι πολύ διαφορετικές μεταξύ τους σε οποιαδήποτε στιγμή στο χρόνο.

Το παρακάτω σχήμα δείχνει ένα παράδειγμα αυτού του τύπου αναλογικού σήματος.

Οι αναλογικές τιμές μπορούν να έχουν άπειρη ποικιλία τιμών εντός ορισμένων ορίων. Είναι συνεχείς και οι αξίες τους δεν μπορούν να αλλάξουν αλματωδώς.

Ένα παράδειγμα αναλογικού σήματος: ένα θερμοστοιχείο μεταδίδει μια αναλογική τιμή θερμοκρασίας στον προγραμματιζόμενο λογικό ελεγκτή, που ελέγχει τη θερμοκρασία σε ηλεκτρικό φούρνο με ρελέ στερεάς κατάστασης.

Διακριτά σήματα

Εάν ένα σήμα λαμβάνει τυχαίες τιμές μόνο σε ορισμένες χρονικές στιγμές, τότε ένα τέτοιο σήμα ονομάζεται διακριτό. Τις περισσότερες φορές, στην πράξη, χρησιμοποιούνται διακριτά σήματα που κατανέμονται σε ένα ομοιόμορφο χρονικό πλέγμα, το βήμα του οποίου ονομάζεται διάστημα δειγματοληψίας.

Ένα διακριτό σήμα λαμβάνει ορισμένες μη μηδενικές τιμές μόνο σε στιγμές δειγματοληψίας, δηλαδή δεν είναι συνεχές, σε αντίθεση με ένα αναλογικό σήμα. Εάν μικρά τμήματα ενός συγκεκριμένου μεγέθους αποκόπτονται από ένα ηχητικό σήμα σε τακτά χρονικά διαστήματα, ένα τέτοιο σήμα μπορεί να ονομαστεί διακριτό.

Παρακάτω είναι ένα παράδειγμα δημιουργίας ενός τέτοιου διακριτού σήματος με ένα διάστημα δειγματοληψίας T. Σημειώστε ότι μετράται μόνο το διάστημα δειγματοληψίας και όχι οι ίδιες οι τιμές του σήματος.

Τα διακριτά σήματα έχουν δύο ή περισσότερες σταθερές τιμές (ο αριθμός των τιμών τους εκφράζεται πάντα ως ακέραιοι).

Ένα παράδειγμα απλού διακριτού σήματος για δύο τιμές: ενεργοποίηση οριακού διακόπτη (εναλλαγή των επαφών του διακόπτη σε μια συγκεκριμένη θέση του μηχανισμού). Το σήμα από τον τερματικό διακόπτη μπορεί να ληφθεί μόνο σε δύο εκδόσεις — η επαφή είναι ανοιχτή (καμία ενέργεια, χωρίς τάση) και η επαφή είναι κλειστή (υπάρχει δράση, υπάρχει τάση).

Ψηφιακά σήματα

Όταν ένα διακριτό σήμα παίρνει μόνο ορισμένες σταθερές τιμές (οι οποίες μπορούν να βρίσκονται σε ένα πλέγμα με ένα συγκεκριμένο βήμα) έτσι ώστε να μπορούν να αναπαρασταθούν ως μια σειρά κβαντικών μεγεθών, ένα τέτοιο διακριτό σήμα ονομάζεται ψηφιακό. Δηλαδή, ένα ψηφιακό σήμα είναι ένα διακριτό σήμα που κβαντίζεται όχι μόνο με χρονικά διαστήματα, αλλά και κατά επίπεδο.

Στην πράξη, διακριτά και ψηφιακά σήματα αναγνωρίζονται σε μια σειρά προβλημάτων και μπορούν εύκολα να προσδιοριστούν ως δείγματα χρησιμοποιώντας μια υπολογιστική συσκευή.

Το σχήμα δείχνει ένα παράδειγμα σχηματισμού ψηφιακού σήματος που βασίζεται σε αναλογικό. Λάβετε υπόψη ότι οι τιμές ψηφιακού σήματος δεν μπορούν να λάβουν ενδιάμεσες τιμές, μόνο συγκεκριμένες — ακέραιος αριθμός βημάτων σε ένα κατακόρυφο πλέγμα.

Ένα ψηφιακό σήμα καταγράφεται και ξαναγράφεται εύκολα στη μνήμη των υπολογιστικών συσκευών, απλά διαβάζεται και αντιγράφεται χωρίς απώλεια ακρίβειας, ενώ η επανεγγραφή ενός αναλογικού σήματος συνδέεται πάντα με την απώλεια ορισμένων, αν και ασήμαντων, μέρους των πληροφοριών.

Η ψηφιακή επεξεργασία σήματος καθιστά δυνατή την απόκτηση συσκευών με πολύ υψηλή απόδοση λόγω της εκτέλεσης υπολογιστικών λειτουργιών χωρίς καμία απολύτως απώλεια ποιότητας ή με αμελητέα απώλεια.

Λόγω αυτών των πλεονεκτημάτων, είναι τα ψηφιακά σήματα που είναι πανταχού παρόντα σήμερα στα συστήματα αποθήκευσης και επεξεργασίας δεδομένων. Όλη η σύγχρονη μνήμη είναι ψηφιακή. Τα αναλογικά μέσα αποθήκευσης (όπως κασέτες κ.λπ.) έχουν φύγει προ πολλού.

Αναλογικά και ψηφιακά όργανα μέτρησης τάσης:

Αλλά ακόμη και τα ψηφιακά σήματα έχουν τα μειονεκτήματά τους.Δεν μπορούν να μεταδοθούν απευθείας ως έχουν, γιατί η μετάδοση γίνεται συνήθως μέσω συνεχών ηλεκτρομαγνητικών κυμάτων. Επομένως, κατά τη μετάδοση και λήψη ψηφιακών σημάτων, είναι απαραίτητο να καταφύγετε σε σε πρόσθετη διαμόρφωση και μετατροπή αναλογικού σε ψηφιακό... Το μικρότερο δυναμικό εύρος ψηφιακών σημάτων (ο λόγος της μεγαλύτερης τιμής προς τη μικρότερη τιμή), λόγω της κβαντοποίησης των τιμών κατά μήκος του δικτύου, είναι ένα άλλο από τα μειονεκτήματά τους.

Υπάρχουν επίσης τομείς όπου τα αναλογικά σήματα είναι απαραίτητα. Για παράδειγμα, ο αναλογικός ήχος δεν θα συγκριθεί ποτέ με τον ψηφιακό, επομένως οι ενισχυτές σωλήνων και οι εγγραφές δεν έχουν ακόμη ξεφύγει από τη μόδα, παρά την πληθώρα μορφών ψηφιακής εγγραφής ήχου με τα υψηλότερα ποσοστά δειγματοληψίας.