Sygnały analogowe, dyskretne i cyfrowe

Każda wielkość fizyczna z natury zmiany wartości może być stała (jeśli ma tylko jedną stałą wartość), dyskretna (jeśli może mieć dwie lub więcej stałych wartości) lub analogowa (jeśli może mieć nieskończoną liczbę wartości). Wszystkie te wielkości można zdigitalizować.

Sygnały analogowe

Sygnał analogowy to sygnał, który może być reprezentowany przez ciągłą linię zestawu wartości określonych w każdym punkcie czasu względem osi czasu. Wartości sygnału analogowego są dowolne w dowolnym momencie, więc ogólnie można go przedstawić jako rodzaj funkcji ciągłej (zależnej od czasu jako zmiennej) lub jako fragmentarycznie ciągłą funkcję czasu.

Sygnał analogowy można nazwać na przykład sygnałem audio generowanym przez cewkę mikrofonu elektromagnetycznego lub lampowy wzmacniacz akustyczny, ponieważ taki sygnał jest ciągły i jego wartości (napięcie lub prąd) bardzo różnią się od siebie w w dowolnym momencie.

Poniższy rysunek przedstawia przykład tego typu sygnału analogowego.

Wartości analogowe mogą mieć nieskończoną różnorodność wartości w pewnych granicach. Są ciągłe, a ich wartości nie mogą zmieniać się skokowo.

Przykład sygnału analogowego: termopara przesyła analogową wartość temperatury do programowalnego sterownika logicznego, który kontroluje temperaturę w piekarniku elektrycznym za pomocą przekaźnika półprzewodnikowego.

Sygnały dyskretne

Jeżeli sygnał przyjmuje losowe wartości tylko w określonych momentach czasu, to taki sygnał nazywamy dyskretnym. Najczęściej w praktyce stosuje się sygnały dyskretne rozłożone w jednolitej siatce czasowej, których krok nazywany jest interwałem próbkowania.

Sygnał dyskretny przyjmuje pewne niezerowe wartości tylko w momentach próbkowania, czyli nie jest ciągły, w przeciwieństwie do sygnału analogowego. Jeśli małe części o określonej wielkości są wycinane z sygnału dźwiękowego w regularnych odstępach czasu, taki sygnał można nazwać dyskretnym.

Poniżej znajduje się przykład generowania takiego dyskretnego sygnału z interwałem próbkowania T. Należy pamiętać, że mierzony jest tylko interwał próbkowania, a nie same wartości sygnału.

Sygnały dyskretne mają dwie lub więcej stałych wartości (liczba ich wartości jest zawsze wyrażona jako liczby całkowite).

Przykład prostego sygnału dyskretnego dla dwóch wartości: zadziałanie wyłącznika krańcowego (przełączenie styków wyłącznika w określonym położeniu mechanizmu). Sygnał z wyłącznika krańcowego może być odbierany tylko w dwóch wersjach — styk otwarty (brak działania, brak napięcia) oraz styk zwarty (jest działanie, jest napięcie).

Sygnały cyfrowe

Gdy dyskretny sygnał przyjmuje tylko pewne stałe wartości (które można umieścić na siatce o określonej wysokości), aby można je było przedstawić jako szereg wielkości kwantowych, taki dyskretny sygnał nazywa się cyfrowym. Oznacza to, że sygnał cyfrowy jest sygnałem dyskretnym, który jest kwantyzowany nie tylko według przedziałów czasowych, ale także według poziomu.

W praktyce sygnały dyskretne i cyfrowe są identyfikowane w wielu problemach i można je łatwo wyznaczyć jako próbki za pomocą urządzenia obliczeniowego.

Na rysunku pokazano przykład formowania sygnału cyfrowego na podstawie sygnału analogowego. Należy pamiętać, że wartości sygnału cyfrowego nie mogą przyjmować wartości pośrednich, a jedynie określoną — całkowitą liczbę kroków w siatce pionowej.

Sygnał cyfrowy łatwo rejestruje się i przepisuje w pamięci urządzeń komputerowych, jest po prostu odczytywany i kopiowany bez utraty dokładności, podczas gdy przepisywanie sygnału analogowego zawsze wiąże się z utratą jakiejś, choć nieistotnej, części informacji.

Cyfrowe przetwarzanie sygnału umożliwia uzyskanie urządzeń o bardzo wysokiej wydajności dzięki wykonywaniu operacji obliczeniowych bez utraty jakości lub z pomijalną stratą.

Ze względu na te zalety to sygnały cyfrowe są dziś wszechobecne w systemach przechowywania i przetwarzania danych. Cała współczesna pamięć jest cyfrowa. Analogowe nośniki danych (takie jak kasety itp.) już dawno minęły.

Przyrządy do pomiaru napięcia analogowe i cyfrowe:

Ale nawet sygnały cyfrowe mają swoje wady.Nie mogą być przesyłane bezpośrednio w takiej postaci, w jakiej są, ponieważ transmisja odbywa się zwykle za pomocą ciągłych fal elektromagnetycznych. Dlatego podczas przesyłania i odbierania sygnałów cyfrowych konieczne jest skorzystanie z nich do dodatkowej modulacji I konwersja analogowo-cyfrowa... Mniejszy zakres dynamiczny sygnałów cyfrowych (stosunek największej wartości do najmniejszej wartości), ze względu na kwantyzację wartości wzdłuż sieci, to kolejna z ich wad.

Istnieją również obszary, w których sygnały analogowe są niezbędne. Na przykład dźwięk analogowy nigdy nie będzie porównywany z cyfrowym, więc wzmacniacze lampowe i nagrania nie wyszły jeszcze z mody, pomimo obfitości cyfrowych formatów nagrań audio o najwyższych częstotliwościach próbkowania.