Аналоговое и цифровое представление информации

 

Названия «цифроаналоговый» и «аналого-цифровой» не очень удачны: на самом деле в преобразователях используется не «цифра», а код. И «аналоги» в ЦАП и АЦП разные: в ЦАП это квантованная величина, а в АЦП – непрерывная. Непрерывная величина может принимать бесчисленное множество значений в пределах определённого диапазона, а квантованная – конечное множество.

Между тем, термины ЦАП и АЦП прочно вошли в научно-технический обиход, и мы их не будем трогать, но будем знать отмеченную условность.

На входе ЦАП и на выходе АЦП имеет место двоичный код числа. Значения напряжения на выходе ЦАП и на входе АЦП обычно изменяются в пределах нескольких вольт, а ток на выходе ЦАП – в пределах нескольких миллиампер.

Введенные понятия АЦ- и ЦА-преобразований опираются на фундаментальные положения о различных формах представления информации.

Различают аналоговую и кодовую (цифровую) формы представления информации. Согласно одному из определений, информация есть отраженное разнообразие. Из этого следует, что форма представления информации есть не что иное, как способ отображения исходного разнообразия. При аналоговом представлении результат отображения похож на отображаемое, аналогичен ему; при кодовом представлении отображение условно, и описывающая его функция более или менее произвольна.

Кодовое представление называют цифровым, когда кодовые символы трактуются как цифры. Пример нецифрового кодового представления информации – система морских сигнальных флажков; легко найти и другие примеры.

Не следует смешивать пару понятий «аналог–код» с парой понятий «непрерывное–дискретное (прерывистое)». Справедливо, что кодовые символы всегда дискретны по смыслу; но это не препятствует их передаче плавно меняющимися сигналами. Так, фонемы в «членораздельной» речи мы воспринимаем как отдельные дискретные единицы, в то время как речевой сигнал на осциллограмме выглядит как непрерывная функция времени. Обратно, аналоговое представление информации может быть прерывистым во времени или в пространстве (дискретизированным), а также и по размеру (квантованным), например, выходной сигнал ЦАП, заведомо аналоговый, квантован по размеру. Отметим, что существуют «дискретно-аналоговые» измерительные приборы: в них перемещение указателя имитируется переключением светодиодов в линейке, в которой светится всегда один светодиод из многих, расположенных вплотную друг к другу.

Достоинства аналогового представления – наглядность, простота обнаружения тенденций изменения, богатство деталей; недостатки – сложность обработки (обычно для каждой операции требуется самостоятельный функциональный блок) и подверженность искажениям (например, на электрический аналоговый сигнал влияет сопротивление линии). При цифровом представлении обработка, как математическая, так и логическая, может выполняться унифицированными средствами. Что же касается искажений, то, благодаря смысловой дискретности кодовых символов, не слишком большие искажения не меняют их смысла. Поэтому, в частности, теоретически возможна сколь угодно высокая точность цифрового представления измерительной информации, зависящая только от разрядности кода (реально точность определяется погрешностью получения информации, но и в этом отношении цифровые средства по ряду причин оказываются лучше).

Поскольку достоинства аналогового и кодового представлений дополняют друг друга, во многих случаях целесообразно применять эти формы представления совместно.

Важно, что аналоговая и кодовая формы представления информации не разделены непроницаемой перегородкой; в дальнейшем будут отмечены для некоторых конкретных кодов «аналоговые свойства», которые зачастую оказываются полезными для реализации АЦ-преобразования.

Прежде чем приступать к анализу процедур аналого-цифрового и цифро-аналогового преобразования, следует ознакомиться с основ­ными видами электрических сигналов, которые в дальнейшем будут служить объектами упомянутых преобразований. В самом общем случае такие сигналы можно разделить на четыре класса:

· произвольные по величине и непрерывные по времени (рис. 1.5,а,б);

· произвольные по величине и дискретные по времени (рис. 1.5,в);

· квантованные по величине и непрерывные по времени (рис. 1.5,г);

· квантованные по величине и дискретные по времени (рис. 1.5,д).

Основные виды сигналов:

а) непрерывный (произвольный) по величине и непрерывный по времени;

б) кусочно-непрерывный по величине и непрерывный по времени;

в) произвольный по величине и дискретный по времени;

г) квантовый по величине и непрерывный по времени;

д) квантовый по величине и дискретный по времени.

 

 

Рис. 1.5.

 

Сигналы s(t) и s'(t), показанные на рис. 1.5,аи рис 1.5, б,принадлежат одному классу и чаще всего называются аналоговыми, поскольку их можно толковать как электрическое отображение реальных физи­ческих процессов. Аналоговые сигналы задаются по оси времени на несчетном множестве точек и являются непрерывными или конти­нуальными. По оси ординат такие сигналы также могут принимать любые значения в определенном интервале. Однако, как показано на рис 1.5 б, функция s'(t) в принципе может иметь и разрывы в некото­рых точках (t) на рис 1.5 б), поэтому из двух определений — «анало­говые» и «континуальные» для такого рода функций наиболее кор­ректным было бы определение «континуальные». Тем не менее, в дальнейшем изложении для обозначения сигнала s(t), произвольного по величине и непрерывного по времени, будем пользоваться бо­лее привычным для специалистов термином «аналоговый».

Сигнал S(nT), показанный на рис. 1.5,в, также, как и аналого­вый, может принимать любые значения по оси ординат, но по оси времени он определен только для некоторых фиксированных то­чек, т.е. является функцией дискретной переменной { nТ }, где n = 0, 1, 2…, а Т — интервал дискретизации. Такой сигнал называется дискретным, причем в данном случае термин «дискретный» ха­рактеризует не сам сигнал, а способ его задания на временной оси. Дискретные не квантованные по амплитуде сигналы использу­ют в системах связи с амплитудно-импульсной модуляцией (АИМ).

Сигнал, показанный на рис. 1.5,г, задан на всей временной оси, однако величина его может принимать только дискретные значе­ния. В подобном случае говорят о сигнале, квантованном по уров­ню. Чтобы отличить дискретность сигнала по уровню от дискрет­ности по времени, термин «дискретный» будет применяться только к дискретизации по времени, дискретность же по уровню будет ха­рактеризоваться термином «квантование».

Квантование используют в том случае, когда необходимо преоб­разовать сигнал в цифровую форму. Для этого весь диапазон измене­ния величины сигнала разбивают на счетное число уровней и каждо­му уровню присваивают определенный номер, который затем кодируют двоичным кодом с конечным числом разрядов. Величина сигнала из­меряется в заданных точках на оси времени. Такой сигнал — дискрет­ный по времени и квантованный по уровню, называется цифровым. Он показан на рис. 1.5, д.