2. Основні типи сигналів. Операція дискретизації. Спектральне зображення сигналів

2.1. Аналогові сигнали. Дискретні сигнали. Цифрові сигнали

Як правило, сигнали, які виробляються датчиками, в тому числі й фото-електронними перетворювачами, є аналоговими сигналами. Аналогові сигнали не можуть уводитися в ЕОМ безпосередньо, тому що внутрішнє подання даних в ЕОМ можливе тільки в цифровій формі. З іншого боку, керування електронно-оптичними перетворювачами будь-яких типів можливе тільки за допомогою аналогових сигналів відповідної величини й потужності. Тому, як перетворення аналогових сигналів у цифрову форму, так і зворотне перетворення цифрових сигналів в аналогові, є необхідним етапом будь-якої системи відображення, включеної в контур ЕОМ-оператор, яке суттєво на її характеристики. Цифрові сигнали формуються з аналогових операцією дискретизації – послідовними відліками (виміром) амплітудних значень сигналу через інтервали часу .

Розглянемо подання одномірного сигналу як функції сигнального параметра від часу без його зв’язку з повідомленням. На рис. 2 наведені сигнали чотирьох різних типів, залежно від неперервного або дискретного характеру сигнального параметра й часу .

а)	б)
в)	г)

Рис. 2. Залежності сигнального параметра від часу t:

А) неперервна (аналоговий сигнал); б) з дискретним аргументом (дискретний сигнал); в) що квантується за рівнем; г) цифрова (цифровий сигнал)

У випадку, якщо функція є неперервною функцією неперервного аргументу, сигнал називається аналоговим (рис. 2, а). У випадку, якщо сигнальний параметр вимірюється в строго задані моменти часу, наприклад з періодом , і протягом проміжку часу між вимірами не міняється, такий сигнал називається дискретним (рис. 2, б). Сигнальний параметр дискретного сигналу приймає безперервну й нескінченну безліч значень із проміжку . У випадку, якщо сигнальний параметр приймає одне з фіксованих значень множини , які розташовані з інтервалом по осі ординат, у довільні моменти часу, сигнал називається тим, що квантується за рівнем (рис. 2, в). Дискретний сигнал, який квантується за рівнем, називається цифровим (рис. 2, г).

2.2. Класи дискретних та аналогових систем. Перетворення типів сигналів

Перетворення сигналу в цифрову форму здійснюється аналого-цифровими перетворювачами (АЦП). Як правило, вони використовують двійкову систему подання за рівномірною шкалою з певним числом розрядів. Збільшення числа розрядів підвищує точність вимірів і розширює динамічний діапазон вимірюваних сигналів. Загублена через недолік розрядів АЦП інформація невідновна, і існують лише оцінки погрішності, наприклад, через потужність шуму, породженого помилкою в останньому розряді. Для того, щоб оцінити вплив перешкоди, вводиться поняття „відношення сигнал-шум” – відношення потужності сигналу до потужності шуму (у децибелах).

Найбільше часто використаються 8-, 10-, 12-, 16-, 20- і 24-х розрядні АЦП. Кожний додатковий розряд поліпшує відношення сигнал-шум на 6 децибел. Однак збільшення кількості розрядів знижує швидкість дискретизації й збільшує вартість апаратури. Важливим аспектом є також динамічний діапазон, обумовлений максимальним і мінімальним значенням сигналу. Для зворотного перетворення використовується цифро-аналоговий перетворювач (ЦАП), основні характеристики якого (розрядність, частота дискретизації, число каналів і т. под.) аналогічні характеристикам АЦП.

Для компенсації помилки, породженої неточною дискретизацією, існують певні методи. Наприклад, усередненням за декількома реалізаціями, можна домогтися виділення навіть сигналу, меншого в кілька десятків разів за амплітудою в порівнянні з помилкою дискретизації. Іноді використовується й штучне привнесення перешкоди (під час обробки звуку – слабкий гауссовський шум для маскування шуму квантування й, що сприймається на слух приємніше, „точного” сигналу).

Обробка цифрових сигналів виконується або спеціальними процесорами, або на універсальних ЕОМ і комп'ютерах за спеціальними програмами.