Analogový a digitální signál

Signál - informace

Signál je informace, která je představovaná nějakou fyzikální veličinou.

Informaci prostředky ICT zpracováváme, ukladádáme pro další využití nebo přenášíme na jiné místo.

Analogový signál

• V každém časovém okamžiku můžeme odečíst hodnotu (amplitudu) signálu, která může nabývat obecně libovolné hodnoty.
• Amplituda může dosahovat libovolné hodnoty z intervalu min. až max.
• Nejkvalitnějsí je originál, každá další kopie nebo přenos signálu je horší (šumy, rušení, kvalita záznamového materiálu).
• Všechny běžné veličiny v přírodě můžeme zanamenat jako analogový signál (průběh teploty, tlaku...).
• Existují aplikace, kde se stále pracuje s analogovým signálem. Dříve existovaly a v principu existují analogové počítače. V běžné praxi se ale dnes všechny signály digitalizují a zpracovávají v číslicové formě.

Příkladem záznamu analogového signálu je gramofonová deska  (voskový váleček -  Edison) nebo fotografický film. Podle úrovně signálu, v tomto případě zvuku, se v čase vyrývá drážka do válečku nebo desky. Při čtení takovéto informace se rozechvěje membrána podle tvaru drážky, kterou snímá  jehla v čase (deska se otáčí).

Časový průběh obvyklého analogového signálu

Digitální (=číslicový) signál

• Je vzorkován jen v určitých časových okamžicích, amplitudu signálu známe tedy jen v těchto okamžicích.
• Každý vzorek je převeden na číslo; toto číslo je ukládáno nebo přenášeno. Signál v digitální podobě je pak posloupnost těchto čísel.
• Čísel, kterými popisujeme amplitudu máme k dispozici jen omezené množství (rozhodneme.li se např. vyjadřovat amplitudu osmi bity, máme k dispozici jen 256 hodnot). Musíme proto jedním číslem vyjádřit určitý interval hodnot amplitudy (na obrázcích šedivé pásy). Tomu říkáme kvantování. Vidíme, že ne vždy vzorek přesně odpovídá hodnotě originálu. Vzniká zkreslení, které nazýváme kvantizační.

Princip vzorkování

Výhody a nevýhody digitálního signálu

• Je odolný proti rušení (pokud zakódujeme signál do dvou stavů - 01, snadno dvě úrovně od sebe odlišíme, i když nejsou přesně přijaty).
• Signál můžeme tedy neomezeně obnovovat a kopírovat, pořád budou nuly a jedničky, nedochází ke znehodnocení nebo zrátám původní informace (proto je dnes takový problém nelegální kopírování a sdílení obsahu - kopie jsou stejně kvalitní jako originál).
• Do digitálního signálu můžeme vkládat další informace pro opravu poruch, zabezpečení,
• Lze jej snadno upravovat - digitání filtry, komprese, šifrování.
• Vzniká kvantizační zkreslení.
• Neznáme přesnou hodnotu signálu v libovolném časovém okamžiku (tato nevýhoda je odstraněna vhodnou periodou vzorkování).
• Převod A/D - nároky na rychlost, zpoždění, konstrukce

 Princip kvantování - kvantizační zkreslení

 00010010001111001110010001111100110011001000111010001100110011111...

Princip vzniku digitálního signálu.

 Obvody a funkční bloky, které převádí analogový signál na digitální se nazývají analogově digitální převodníky, zkráceně A/D převodníky. Zpětný převod provádí D/A převodníky. Převodníky spolu s dalšími obvody pro zpracování signálu se nachází např. ve zvukové kartě (A/D a D/A zvuku) nebo na grafické kartě (D/A pro zobrazení obrazu na analogovém monitoru, případně i A/D pro záznam obrazu).

Principy vzorkování signálu se zabývali v první polovině 20. století vědci jako Nyquist, Shannon, Kotělnikov. Teorie známá jako Shannova praví, aby bylo možné zaznamenat a opět rekonstruovat (A/D a D/A) periodický analogový signál, musí být vzorkován alespoň dvakrát za periodu. Tedy musí být pořízeny dva vzorky analogového signálu za jednu jeho periodu. Je-li analogový signál složen z více periodických signálů (běžná věc - řeč), musí být vzorkován alespoň dvakrát za periodu nejvyššího kmitočtu (t.j. nejkratší perioda), který je v signálu obsažen.

Příkladem digitálního záznamu zvuku je hudební CD. V přehrávači digitální signál potom měníme na analogový a posloucháme z reproduktorů. Dalším příkladem je mobilní telefon. Data (tel. čísla, signalizace i hovor) se přenáší digitálně. A/D a D/A převodníky jsou v telefonech. Bylo zjištěno, že v řeči je nejvíce signálů o kmitočtech 300 Hz - 3400 Hz (s rezervou 4000). Stačí tedy pro A/D převod vzorkovat řeč osmtisíckrát za sekundu (kmitočet vzorkování je 8 kHz, vzorkuje se po 125 mikrosekundách). Proto se digitálni technologie, přestože teoreticky byly rozpracovány mnohem dříve, objevují v běžné praxi až v osmdesátých a devadesátých létech 20. století.