Преимущества цифрового сигнала: Аналоговый и цифровой сигналы – различия, преимущества и недостатки | Телекоммуникационная компания «АСВА»

Новости

Форум «Сильные идеи для нового времени»

Ежегодный форум, аккумулирующий общественно значимые инициативы и проекты неравнодушных граждан со всей страны (Организуется в соответствии с Указом Президента РФ №899 08. 12.2022 г.)

 ЦЕЛЬ: …

14 апреля 2023 21:56

Всероссийская ярмарка трудоустройства

Масштабное событие, объединяющее работодателей и соискателей всей страны. 

Соискатели смогут узнать о том, как повысить свои профессиональные компетенции или пройти переобучение по востребованной профессии,…

10 апреля 2023 22:35

О кадастровой стоимости объектов недвижимости

Кадастровая стоимость недвижимого имущества является важнейшей характеристикой, влияющей в первую очередь на налогообложение, а также на размер арендной платы, некоторых государственных пошлин и других платежей….

06 апреля 2023 09:44

ПАМЯТКА !

О предоставлении субсидий отдельным категориям граждан путем направления на расчетный счет газораспределительной организации денежных средств на оплату обязательств по договору, заключенному в целях газификации. ..

23 марта 2023 20:28

Все новости

аналоговых и цифровых сигналов: использование, преимущества и недостатки | Артикул

СКАЧАТЬ PDF

Получайте ценные ресурсы прямо на свой почтовый ящик — рассылка раз в месяц

Подписаться

Мы ценим вашу конфиденциальность другой. В электронике сигнал часто представляет собой изменяющееся во времени напряжение, которое также является электромагнитной волной, несущей информацию, хотя может принимать и другие формы, например ток. В электронике используются два основных типа сигналов: аналоговые и цифровые сигналы. В этой статье обсуждаются соответствующие характеристики, использование, преимущества и недостатки, а также типичные применения аналоговых и цифровых сигналов.

Аналоговый сигнал

Аналоговый сигнал изменяется во времени и обычно привязан к диапазону (например, от +12 В до -12 В), но в этом непрерывном диапазоне существует бесконечное количество значений. Аналоговый сигнал использует данное свойство среды для передачи информации о сигнале, например, электричество, проходящее по проводу. В электрическом сигнале напряжение, ток или частота сигнала могут изменяться для представления информации. Аналоговые сигналы часто представляют собой рассчитанные реакции на изменения света, звука, температуры, положения, давления или других физических явлений.

При нанесении на график зависимости напряжения от времени аналоговый сигнал должен давать плавную и непрерывную кривую. Не должно быть дискретных изменений значений (см. рис. 1) .

Рис. 1: Аналоговый сигнал

Цифровой сигнал

Цифровой сигнал — это сигнал, представляющий данные в виде последовательности дискретных значений. Цифровой сигнал может принимать только одно значение из конечного набора возможных значений в данный момент времени. В цифровых сигналах физической величиной, представляющей информацию, может быть множество вещей:

• Переменный электрический ток или напряжение
• Фаза или поляризация электромагнитного поля
• Акустическое давление
• Намагничивание магнитного носителя информации

Цифровые сигналы используются во всей цифровой электронике, включая вычислительное оборудование и устройства передачи данных. При нанесении на график зависимости напряжения от времени цифровые сигналы представляют собой одно из двух значений и обычно находятся в диапазоне от 0 В до VCC (обычно 1,8 В, 3,3 В или 5 В) (см. рис. 2) .

Analog Electronics

Большинство основных электронных компонентов — резисторы, конденсаторы, катушки индуктивности, диоды, транзисторы и операционные усилители (операционные усилители) — по своей сути являются аналоговыми компонентами. Схемы, построенные из комбинации этих компонентов, представляют собой аналоговые схемы

Рис. 3: Аналоговая схема

Аналоговые схемы могут представлять собой сложные конструкции с несколькими компонентами или простые, например, два резистора, образующие делитель напряжения. Как правило, аналоговые схемы проектировать сложнее, чем цифровые схемы, выполняющие ту же задачу. Для разработки аналогового радиоприемника или аналогового зарядного устройства потребуется разработчик, знакомый с аналоговыми схемами, поскольку цифровые компоненты были приняты для упрощения этих конструкций.

Аналоговые схемы обычно более чувствительны к шуму, причем «шум» — это любые небольшие нежелательные колебания напряжения. Небольшие изменения уровня напряжения аналогового сигнала могут привести к значительным ошибкам при обработке.

Аналоговые сигналы обычно используются в системах связи, которые передают голос, данные, изображение, сигнал или видеоинформацию с использованием непрерывного сигнала. Существует два основных типа аналоговой передачи, каждый из которых основан на том, как они адаптируют данные для объединения входного сигнала с сигналом несущей. Двумя методами являются амплитудная модуляция и частотная модуляция. Амплитудная модуляция (AM) регулирует амплитуду несущего сигнала. Частотная модуляция (FM) регулирует частоту несущего сигнала. Аналоговая передача может осуществляться многими способами:

1. Через витую пару или коаксиальный кабель
2. Через оптоволоконный кабель
3. По радио
4. Через воду

Подобно тому, как человеческое тело использует глаза и уши для захвата сенсорной информации, аналоговые схемы используют эти методологии для взаимодействия с реальным миром, а также для точного захвата и обработки этих сигналов в электронике.

MPS производит различные аналоговые ИС и компоненты, такие как MP2322, низкий I 9Синхронный понижающий преобразователь 0069 Q в крошечном корпусе QFN размером 1,5 мм x 2 мм.

Цифровая электроника

Цифровые схемы реализуют такие компоненты, как логические вентили или более сложные цифровые ИС. Такие ИС представлены прямоугольниками с отходящими от них выводами (см. рис. 4) .

Рисунок 4: Цифровая схема

Цифровые схемы обычно используют двоичную схему. Хотя значения данных представлены только двумя состояниями (0 и 1), более крупные значения могут быть представлены группами двоичных битов. Например, в 1-битной системе 0 представляет значение данных 0, а 1 представляет значение данных 1. Однако в 2-битной системе 00 представляет 0, 01 представляет 1, 10 представляет 2, а 11 представляет 3. В 16-битной системе наибольшее число, которое может быть представлено, равно 2 ¹⁶ или 65 536. Эти группы битов могут быть захвачены либо как последовательность последовательных битов, либо как параллельная шина. Это позволяет легко обрабатывать большие потоки данных.

В отличие от аналоговых схем, большинство используемых цифровых схем являются синхронными, то есть для координации работы блоков схем используются опорные часы, поэтому они работают предсказуемым образом. Аналоговая электроника работает асинхронно, то есть обрабатывает сигнал по мере его поступления на вход.

В большинстве цифровых схем для обработки данных используется цифровой процессор. Это может быть простой микроконтроллер (MCU) или более сложный процессор цифровых сигналов (DSP), который может фильтровать большие потоки данных, например видео, и управлять ими.

Цифровые сигналы обычно используются в системах связи, где цифровая передача может передавать данные по каналам передачи «точка-точка» или «точка-многоточка», таким как медные провода, оптоволокно, средства беспроводной связи, носители данных или компьютерные шины. Передаваемые данные представлены в виде электромагнитного сигнала, такого как микроволновая печь, радиоволна, электрическое напряжение или инфракрасный сигнал.

В целом, цифровые схемы проще проектировать, но они часто стоят дороже, чем аналоговые схемы, предназначенные для тех же задач.

Каталог цифровых компонентов MPS включает MP2886A, цифровой многофазный ШИМ-контроллер с интерфейсом PWM-VID, совместимым со спецификацией NVIDIA Open VReg.

Аналого-цифровое (АЦП) и цифро-аналоговое (ЦАП) преобразование сигналов

Многие системы должны обрабатывать как аналоговые, так и цифровые сигналы. Во многих системах связи обычно используется аналоговый сигнал, который действует как интерфейс для среды передачи для передачи и приема информации. Эти аналоговые сигналы преобразуются в цифровые сигналы, которые фильтруют, обрабатывают и сохраняют информацию.

На рис. 5 показана общая архитектура, в которой аналоговый ВЧ-интерфейс (AFE) состоит из всех аналоговых блоков для усиления, фильтрации и усиления аналогового сигнала. Между тем, секция процессора цифровых сигналов (DSP) фильтрует и обрабатывает информацию. Для преобразования сигналов из аналоговой подсистемы в цифровую в приемном тракте (RX) используется аналого-цифровой преобразователь (АЦП). Для преобразования сигналов из цифровой подсистемы в аналоговую в тракте передачи (ТХ) используется цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП).

Рисунок 5: Система связи с аналоговой и цифровой подсистемами

Цифровой сигнальный процессор (DSP) — это специализированная микропроцессорная микросхема, выполняющая операции цифровой обработки сигналов. DSP изготавливаются на интегральных схемах MOSFET и широко используются в обработке аудиосигналов, телекоммуникациях, цифровой обработке изображений, телевизионных продуктах высокой четкости, обычных бытовых электронных устройствах, таких как мобильные телефоны, и во многих других важных приложениях.

DSP используется для измерения, фильтрации или сжатия непрерывных реальных аналоговых сигналов. Выделенные DSP часто имеют более высокую энергоэффективность, что делает их подходящими для портативных устройств из-за их ограничений по энергопотреблению. Большинство микропроцессоров общего назначения также могут выполнять алгоритмы цифровой обработки сигналов.

Работа АЦП

На рис. 6 показана работа АЦП. Вход представляет собой аналоговый сигнал, который обрабатывается схемой удержания выборки (S/H) для создания приблизительного цифрового представления сигнала. Амплитуда больше не имеет бесконечных значений и была «квантована» до дискретных значений в зависимости от разрешения АЦП. АЦП с более высоким разрешением будет иметь меньшие размеры шага и будет более точно представлять входной аналоговый сигнал. Последний этап АЦП кодирует оцифрованный сигнал в двоичный поток битов, представляющий амплитуду аналогового сигнала. Цифровой выход теперь может быть обработан в цифровой области.

Рис. 6: Типичная архитектура АЦП для преобразования аналогового сигнала в цифровой

Работа ЦАП

ЦАП обеспечивает обратную операцию. Вход ЦАП представляет собой двоичный поток данных из цифровой подсистемы, и он выводит дискретное значение, которое аппроксимируется аналоговым сигналом. По мере увеличения разрешения ЦАП выходной сигнал все больше приближается к действительно гладкому и непрерывному аналоговому сигналу (см. рис. 7). Обычно в цепочке аналогового сигнала есть постфильтр для дальнейшего сглаживания формы сигнала.

Рис. 7: 6-битный ЦАП для цифро-аналогового преобразования сигнала

Как упоминалось ранее, многие системы, используемые сегодня, являются «смешанными сигналами», то есть они полагаются как на аналоговые, так и на цифровые подсистемы. Эти решения требуют ADC и DAC для преобразования информации между двумя доменами.

Цифровые сигналы и аналоговые сигналы: преимущества и недостатки

Как и в большинстве инженерных тем, у аналоговых и цифровых сигналов есть свои плюсы и минусы. Конкретное приложение, требования к производительности, среда передачи и операционная среда могут определять, следует ли использовать аналоговую или цифровую сигнализацию (или их комбинацию).

Цифровые сигналы: преимущества и недостатки

Преимущества использования цифровых сигналов, включая цифровую обработку сигналов (DSP) и системы связи, включают следующее:

• Цифровые сигналы могут передавать информацию с меньшим уровнем шума, искажений и помех.
• Цифровые схемы могут быть легко воспроизведены в больших количествах при сравнительно низких затратах.
• Цифровая обработка сигналов более гибкая, поскольку операции DSP можно изменять с помощью систем с цифровым программированием.
• Цифровая обработка сигналов более безопасна, поскольку цифровую информацию можно легко зашифровать и сжать.
• Цифровые системы более точны, и вероятность возникновения ошибок может быть снижена за счет использования кодов обнаружения и исправления ошибок.
• Цифровые сигналы можно легко хранить на любых магнитных или оптических носителях с использованием полупроводниковых микросхем.
• Цифровые сигналы могут передаваться на большие расстояния.

Недостатки использования цифровых сигналов, включая цифровую обработку сигналов (DSP) и системы связи, включают следующее:

• Для цифровой связи требуется более высокая пропускная способность по сравнению с аналоговой передачей той же информации.
• DSP обрабатывает сигнал на высоких скоростях и содержит больше внутренних аппаратных ресурсов. Это приводит к более высокому рассеиванию мощности по сравнению с аналоговой обработкой сигналов, которая включает в себя пассивные компоненты, потребляющие меньше энергии.
• Цифровые системы и обработка обычно более сложны.

Аналоговые сигналы: преимущества и недостатки

Преимущества использования аналоговых сигналов, включая аналоговую обработку сигналов (ASP) и системы связи, включают следующее:

• Аналоговые сигналы легче обрабатывать.
• Аналоговые сигналы лучше всего подходят для передачи аудио и видео.
• Аналоговые сигналы имеют гораздо более высокую плотность и могут предоставлять более точную информацию.
• Аналоговые сигналы используют меньшую полосу пропускания, чем цифровые сигналы.
• Аналоговые сигналы обеспечивают более точное представление изменений физических явлений, таких как звук, свет, температура, положение или давление.
• Аналоговые системы связи менее чувствительны с точки зрения электрических допусков.

Недостатки использования аналоговых сигналов, включая аналоговую обработку сигналов (ASP) и системы связи, включают следующее:

• Передача данных на большие расстояния может привести к нежелательным помехам сигнала.
• Аналоговые сигналы подвержены потере генерации.
• Аналоговые сигналы подвержены шуму и искажениям, в отличие от цифровых сигналов, которые имеют гораздо более высокую устойчивость.
• Аналоговые сигналы обычно имеют более низкое качество, чем цифровые сигналы.

Аналоговые и цифровые сигналы: системы и приложения

Традиционные аудиосистемы и системы связи используют аналоговые сигналы. Однако с развитием кремниевых технологий, возможностей цифровой обработки сигналов, алгоритмов кодирования и требований к шифрованию — в дополнение к повышению эффективности полосы пропускания — многие из этих систем стали цифровыми. Это все еще некоторые приложения, в которых аналоговые сигналы имеют устаревшее использование или преимущества. Большинство систем, взаимодействующих с реальными сигналами (такими как звук, свет, температура и давление), используют аналоговый интерфейс для захвата или передачи информации. Ниже перечислены несколько применений аналоговых сигналов:

• Аудиозапись и воспроизведение
• Датчики температуры
• Датчики изображения
• Радиосигналы
• Телефоны
• Системы управления

MPS имеет широкий ассортимент аналоговых деталей, включая MP2322, MP8714, MP2145 и MP8712.

Хотя во многих первоначальных системах связи использовались аналоговые сигналы (телефоны), в современных технологиях используются цифровые сигналы из-за их преимуществ, связанных с помехоустойчивостью, шифрованием, эффективностью использования полосы пропускания и возможностью использовать ретрансляторы для передачи на большие расстояния. Ниже перечислены несколько применений цифровых сигналов:

• Системы связи (широкополосные, сотовые)
• Сеть и передача данных
• Цифровые интерфейсы для программируемости

Посетите наш веб-сайт, чтобы узнать больше о цифровых компонентах MPS, таких как MP2886A, MP8847, MP8868, MP8869S и MP5416.

Заключение

В этой статье представлены некоторые основные концепции аналоговых и цифровых сигналов и их использование в электронике. У каждой технологии есть явные преимущества и недостатки, и знание потребностей вашего приложения и требований к производительности поможет вам определить, какой сигнал (сигналы) выбрать.

Вы нашли это интересным? Получайте ценные ресурсы прямо на свой почтовый ящик — рассылка раз в месяц!

Похожие темы форума

Получить техническую поддержку

Преимущества и недостатки цифровой обработки сигналов

Цифровая обработка сигнала само слово говорит, что это процесс анализа цифрового сигнала. DSP — это микросхема микропроцессора с оптимизированной архитектурой, поддерживающей обработку полных алгоритмов с высокой скоростью за меньшее время. Используя DSP, вы можете более точно фильтровать сигналы и легко извлекать другие сигналы из информации, такой как частотные составляющие. Теперь мы можем проверить преимущества и недостатки цифровой обработки сигналов, чтобы узнать о ней больше.

A преимущества цифровой обработки сигналов

• DSP обеспечивает высокую точность. Следовательно, фильтры, разработанные в DSP, имеют более жесткий контроль над точностью вывода.
• Сравнительно дешевле аналога.
• Реконфигурация очень проста, и после внесения изменений в соответствии с требованиями необходимо прошить только код или программу DSP. Реконфигурация аналогового сигнала затруднена.
• DSP предлагает различные типы интерфейсов, такие как UART, I2C, помогает взаимодействовать с другими ИС с DSP.
• DSP может быть сопряжен с FPGA, что помогает при разработке стека протоколов всей беспроводной системы, такой как WiMAX и LTE.
• Цифровая система может быть каскадирована без проблем с загрузкой.
• Цифровые схемы могут быть легко воспроизведены в больших количествах при сравнительно меньших затратах.
• Цифровые схемы менее чувствительны к допускам номиналов компонентов.
• DSP легко транспортируются, поскольку цифровые сигналы могут обрабатываться в автономном режиме.
• Современные компьютеры не могут обрабатывать аналоговые данные, поэтому необходима оцифровка.
• Позволяет передавать сигналы на большие расстояния.
• DSP использует меньшую пропускную способность, поэтому вы можете втиснуть больше информации в то же пространство.
• DSP очень легко обеспечивает многонаправленную передачу.
• В DSP проще переводить человеческие аудио- и видеосигналы и другие сообщения на машинный язык.
• В DSP возможна универсальная совместимость по сравнению с ASP.
• Алгоритмы математической обработки могут быть легко реализованы в DSP.
• Как правило, для всех приложений требуется стандартное аппаратное обеспечение, поэтому работа DSP в основном зависит от программного обеспечения.

Недостатки цифровой обработки сигналов 
• DSP требует наличия фильтра сглаживания перед АЦП и фильтра восстановления после ЦАП, поэтому требуются модули АЦП и ЦАП.
• DSP рассеивает более высокую мощность по сравнению с ASP, потому что DSP обрабатывает сигналы с высокой скоростью и, кроме того, состоит из более высоких внутренних аппаратных ресурсов.
Микросхемы DSP
• очень дороги, поэтому необходимо использовать соответствующие микросхемы в соответствии с требованиями.
• Аппаратная архитектура и программные инструкции каждого DSP различны, поэтому необходимо пройти обучение работе с DSP, чтобы программировать различные приложения. Следовательно, над устройством могут работать только высококвалифицированные инженеры.
• Типичная микросхема DSP содержит более 4 тысяч транзисторов, поэтому рассеиваемая мощность больше в DSP.
• DSP дороже для небольших приложений по сравнению с ASP.
• DSP требует большей пропускной способности для передачи той же информации, что и ASP.
• Возможно понижение количества данных, но также возможно увеличение скорости передачи данных сверх определенного уровня.
• Для обнаружения цифровых сигналов требуется синхронизация системы связи, в то время как в ASP этого нет.

Дополнительная информация:

Цифровая обработка сигнала само слово говорит, что это процесс анализа цифрового сигнала. DSP — это микросхема микропроцессора с оптимизированной архитектурой, поддерживающей обработку полных алгоритмов с высокой скоростью за меньшее время. Используя DSP, вы можете более точно фильтровать сигналы и легко извлекать другие сигналы из информации, такой как частотные составляющие. Теперь мы можем проверить преимущества и недостатки цифровой обработки сигналов, чтобы узнать о ней больше.

A преимущества цифровой обработки сигналов

• DSP обеспечивает высокую точность. Следовательно, фильтры, разработанные в DSP, имеют более жесткий контроль над точностью вывода.
• Сравнительно дешевле аналога.
• Реконфигурация очень проста, и после внесения изменений в соответствии с требованиями необходимо прошить только код или программу DSP. Реконфигурация аналогового сигнала затруднена.
• DSP предлагает различные типы интерфейсов, такие как UART, I2C, помогает взаимодействовать с другими ИС с DSP.
• DSP может быть сопряжен с FPGA, что помогает при разработке стека протоколов всей беспроводной системы, такой как WiMAX и LTE.
• Цифровая система может быть каскадирована без проблем с загрузкой.
• Цифровые схемы могут быть легко воспроизведены в больших количествах при сравнительно меньших затратах.
• Цифровые схемы менее чувствительны к допускам номиналов компонентов.
• DSP легко транспортируются, поскольку цифровые сигналы могут обрабатываться в автономном режиме.
• Современные компьютеры не могут обрабатывать аналоговые данные, поэтому необходима оцифровка.
• Позволяет передавать сигналы на большие расстояния.
• DSP использует меньшую пропускную способность, поэтому вы можете втиснуть больше информации в то же пространство.
• DSP очень легко обеспечивает многонаправленную передачу.
• В DSP проще переводить человеческие аудио- и видеосигналы и другие сообщения на машинный язык.
• В DSP возможна универсальная совместимость по сравнению с ASP.
• Алгоритмы математической обработки могут быть легко реализованы в DSP.
• Как правило, для всех приложений требуется стандартное аппаратное обеспечение, поэтому работа DSP в основном зависит от программного обеспечения.

Недостатки цифровой обработки сигналов 
• DSP требует наличия фильтра сглаживания перед АЦП и фильтра восстановления после ЦАП, поэтому требуются модули АЦП и ЦАП.
• DSP рассеивает более высокую мощность по сравнению с ASP, потому что DSP обрабатывает сигналы с высокой скоростью и, кроме того, состоит из более высоких внутренних аппаратных ресурсов.
Микросхемы DSP
• очень дороги, поэтому необходимо использовать соответствующие микросхемы в соответствии с требованиями.
• Аппаратная архитектура и программные инструкции каждого DSP различны, поэтому необходимо пройти обучение работе с DSP, чтобы программировать различные приложения.