Денис Иванов
январь 2019.
37193

Объясните простыми словами, что такое аналоговый сигнал и чем он отличается от цифрового?

Ответить
Ответить
Комментировать
1
Подписаться
6
7 ответов
Поделиться

Применительно к звуку и видео это можно объяснить так. В аналоговом звуковом тракте сигнал от источника передаётся по тракту как непрерывная последовательность изменения тока, напряжения, напряженности магнитного поля (при записи на ленту), радиосигнала, по сути описывающего зависимость частоты и громкости сигнала от времени. Сигнал может подвергаться изменению только фильтрами (ограничивается или изменяется полоса сигнала), усилителями, и иными аналоговыми преобразователями, но формально сама последовательность сохраняется. Если кто не видел сигнал на экране осциллографа, то свою кардиограмму - наверняка. Для видеосигнала это выглядит немного сложнее, так как изображение сканируется по строкам, а между ними вводятся специальные сигналы - синхроимпульсы, чтобы на приёме телевизор мог разобраться какую строку где показывать. Там есть ещё спецсигналы для цветности и некоторые другие, но в строке сигнал - это тоже непрерывная последовательность сигнала, в данном случае описывающего яркость изображения. На аналоговый сигнал прямо воздействуют шум в канале передаче и различные помехи: всё это "собирается" по всему тракту и вместе с музыкой и видео доставляется получателю; также искажают сигнал "неточности" тракта передачи - это, к примеру, неравномерность характеристики в зависимости от частоты сигнала (АЧХ), нелинейности модуляторов-демодуляторов и др. Поэтому качество аппаратуры на стадии первичного источника должно быть сильно выше, чем качество аппаратуры получателя.
 При цифровой передаче после источника  происходит перевод сигнала в цифровой вид - оцифровка. Далее сигнал проходит через любой тракт передачи и на приёме у получателя (абонента) переводится в аналоговый вид: в звук в колонках и видеокартинку на экране. При этом к тракту передачи требования по шуму, искажениям АЧХ и др. очень сильно снижаются, искажения перестают накапливаться по всему тракту,  но появляются некоторые другие, которые влияют на цифровой сигнал (джиттер, фазовый шум, к примеру) - эти искажения влияют на точность восстановления исходного сигнала у получателя. Главные  преимущества цифровых сигналов в том, что они экономят ресурсы: меньше ширина каналов связи или, по-другому, по тому же каналу связи можно передавать больше информации, можно почти бесконечное количество раз перезаписывать,  хранить на различных носителях, передача цифровых сигналов через Интернет может происходить с гарантированной доставкой (протокол TCP). Недостатки: неизбежное невосстановимое внесение искажений в сигнал при оцифровке, необходимость обработки сигналов по всему тракту хранения-передачи, сложные методы кодирования и восстановления исходного сигнала при передаче через некоторые среды передачи, дополнительные требования к некоторым абонентским устройствам (спутниковые конверторы), нетерпимость к некоторым нарушениям согласования в трактах передачи и т.д., но главный недостаток для пользователя - резкое падение качества при сильных искажениях в каналах связи. Объясню проще: аналоговый звук и видео можно продолжать слушать и смотреть даже в шуме, то есть информация до вас доходит, а цифровой вы видите и слышите отлично, даже когда аналоговый уже в шуме, но потом резко раз, и всё пропало - информация теряется. Шум на картинке и на звуке воспринимается людьми более приемлемо, чем расквадрачивание картинки, или, что даже ещё хуже, щелкание и пропадание звука.
 Надо заметить, что, строго говоря, никаких цифр нигде не хранится и не передаётся. В памяти чисто цифровых устройств хранятся состояния: есть заряд - нет заряда, и это и есть условные 1 и 0. При аналоговой записи существует много уровней той же намагниченности, а при цифровой - только 2 крайних состояния. А вот в каналах связи "цифровой код" передаётся не состояниями, а перепадами (фронтами) импульса:  перепад верх - 1, перепад вниз - 0. Насколько я помню, при хранении на магнитных и оптических дисках информация также закодирована фронтами, хотя лазер на диске реально выжигает дырку в специальном слое, а магнитная головка намагничивает точку на магнитном диске. Ещё больше запутаю: в ряде случаев используются несколько состояний (например, фазы и амплитуды сигнала), которыми закодирована информация, и каждому состоянию соответствует своё число: от 4 до 256 состояний, реже 512, и даже 1024 - соответственно одним состоянием передаются числа от 0 до 3, ... до 255, 511 и 1023. Это резко увеличивает скорость передачи информации, но повышает требования к тракту передачи.
 Многие помнят, что "бытовая" запись и "профессиональная" в эпоху аналога отличались так,  что это было и видно, и слышно даже непрофессионалу, перезапись всегда ухудшала сигнал, а теперь снятое смартфоном видео почти не отличается от профессионального. Хотя отличия есть, конечно, и сейчас, в эпоху цифры, но они в большинстве случаев гораздо менее заметны, а репортажное видео можно вполне транслировать со смартфона, и даже некоторые профессиональные фильмы снимаются на в общем бытовые устройства.
 P.S. Как некий мысленный образец разницы между аналогом и цифрой:
  Представьте, что вам надо перевести большую скульптуру. "Аналог" - это, если вы её повезёте целой. Ваша перевозка потребует специального транспорта, вы её обязательно покарябаете, она покроется пылью и грязью (хорошо упаковать большой объект довольно сложно), но зато, вроде как, вы тут сняли - там поставили. При этом вы сильно рискуете повредить её по дороге, причём восстановить будет очень сложно, так как разломанные куски будут неровные. А, не дай бог, в море, по которому её везли, случился шторм.
 Другой вариант - "цифра": разобрать скульптуру на мелкие части, перенумеровать-переписать-отфотографировать каждую часть, упаковать в коробки, коробки в контейнеры. Вам не нужен особый транспорт - потянет и слабый,  вы можете отправлять коробки вразнобой, разными путями и т.д., и вы даже можете потерять кусок, но у вас же всё записано, так что вы можете всё восстановить. При этом по дороге на детали не попадёт ни пыль, ни грязь, так как упаковать мелкие детали проще, но упаковки потребуется больше. К сожалению, хотя  в общем это будет та же скульптура, но в мелочах уже нет: вам как минимум придётся  "подмазать  швы". На вашей стороне невнимательность зрителей: большинство ничего не заметит. При этом, имея чётко описанные детали, вы можете повторить (скопировать) скульптуру достаточно точно, и не один раз. Да и вообще вы можете пересылать и хранить описания отдельных фрагментов, а не саму скульптуру, и этим сильно сэкономите на доставке, что собственно и происходит при цифровом сигнале.

22
-7

зачем все это обывателю?

+1
Ответить
Прокомментировать

Аналоговый сигнал - непрерывный поток информации.

Цифровой сигнал - дискретный поток той же информации, закодированный числовым образом.

Чем выше частота дискретизации, тем ближе цифровой сигнал к аналоговому, но он никогда не может стать равен ему. При дискретизации неизбежно теряется плавность и возможно даже целые отрезки сигнала.

Вот простая иллюстрация. 

Илья Левинотвечает на ваши вопросы в своейПрямой линии
11
0

Но цифровой поток не подвержен искажениям. :)

+1
Ответить

при цифровой передаче есть ослабление импульса и снижение достоверности. Говорю как радиоинженер

0
Ответить

Это спорное замечание, истинность которого зависит от целого ряда уточнений)

+2
Ответить
Ещё 3 комментария

Согласен. Я говорю, скорее, о принципиальных вещах. Попробуйте исказить конкретную последовательность цифр при наличии проверки её достоверности. А физические повреждения носителя вполне возможны.

+2
Ответить

Опять же - зависит от алгоритма проверки. Многие из них имеют вполне ясные ограничения)

0
Ответить

Легко: например, в мультикасте нет проверки достоверности доставки информации, поэтому могут целые блоки выпадать. Применяемые для восстановления коды  (Рида-Соломона) не всегда точно восстанавливают последовательность: при наличии большого количества ошибок, информация теряется. При сжатии информации (видео или музыки) часть её уже гарантировано теряется без возможности восстановления.

0
Ответить

Амплитуда цифрового сигнала не зависит от амплитуды или частоты исходного = аналогового, второй график поясняющий цифровой сигнал, не верный, это тот же аналоговый сигнал, только дискретизированный. он не несёт цифровой информации а только искажённую аналоговую. Да верно по такому принципу происходит оцифровка аналогового сигнала, но каждая ступенька кодируется цифровым кодом, то есть на графике это выглядит совсем не так, это будет череда импульсов одной амплитуды. но разной длительности. Я мог бы сравнить это с частотной модуляцией, но люди знающие что такое частотная модуляция, наверняка знают и принципы оцифровки аналогового сигнала.

+2
Ответить

@Vlanisimov, а можно поподробнее?

0
Ответить
Ещё 1 комментарий

@Александр, Просто аналоговый, передаётся непрерывно с посредством изменения его амлитуды и частоты, А цифровой сигнал передаётся импульсами постоянной амплитуды, но разной длительности (Широтно импульсная модуляция) или одинаковой длительности, но закодирован в двоичном коде.

0
Ответить
Прокомментировать
АВТОР ВОПРОСА ОДОБРИЛ ЭТОТ ОТВЕТ

Если применить к телевидению и очень серьезно упростить до уровня детского сада, то...

Аналоговый сигнал это жидкость, а цифровой - песок?.. Нельзя взять какой-то кусочек жидкости или посчитать ее количество в штуках, в отличие от песка.

Вы не задумывались, почему в аналоговом телевидении есть помехи, а в цифровом их нет?

Вы смотрите аналоговое телевидение. Встаете с дивана - картинка рябит чуть больше. Кто-то в коридоре наступил на старый кабель - картинка покрылась красными полосками. Если бы вы смотрели цифровое телевидение, то этого бы не произошло.

Почему? Вспомните функции из школьной алгебры. При таком-то иксе игрек равен чему-то. Любой сигнал это и есть такая функция, но вместо икса время, а игрек это сам сигнал (хотя в реальности все гораздо сложнее). Прямо сейчас ваша антенна приняла, допустим, сигнал 0.63. В следующее мгновение - 0.54. В последующее - 0.78. И так далее. Потихоньку ваша антенна принимает картинку, закодированную как вещественное число от 0 до 1. И?

В этом случае очень важно, чтобы это "число" сохранялось как можно ближе к истине, то есть не сильно менялось, пока летит от телецентра к вам. Но в силу разных обстоятельств оно обязательно исказится. А ваш телевизор покажет ровно то "число", которое он принял. Даже если оно очень сильно изменилось. Таким образом и получается картинка "с помехами", то есть некоторые ее участки получаются достаточно искаженными.

А теперь взглянем на цифровой сигнал. В любых цифровых устройствах используется двоичная система счисления всего с двумя цифрами - 0 и 1. Она используется прежде всего из-за простоты реализации - низкое напряжение это 0, а высокое - 1. Ничего сложного. А наши радиоволны все те же...

Это означает, что нам уже неважно, получим мы 0.46 или 0.21, ведь они все равно значат для нас только "ноль". А все, что выше 0.50, можем считать как "единицу". Так можно вытерпеть довольно серьезные помехи, но не лишиться целой информации в первозданном виде.

Но что, если из-за серьезной помехи мы получили ноль вместо единицы или наоборот? Можете узнать сами: возьмите любой .mp3 или любой другой файл на своем компьютере, откройте его блокнотом и измените одну любую букву или кракозябру на другую. Всё, этот файл навсегда испорчен.

Точно так же в цифровом телевидении текущий кадр будет испорчен полностью и картинка исчезнет вместе со звуком.

Вот в этом и главное отличие аналогового телевидения от цифрового. В аналоговом изображение есть всегда, но помехи в нем видны невооруженным глазом, а в цифровом изображение либо есть и оно идеально, либо его нет вообще.

Дисклеймер: реальность несколько сложнее, как и всегда.

10
0

Метафора жидкость-песок понравилась.

+4
Ответить

Реальность, увы, мегасложнее, а не слегка: никаких нулей и единиц антенна не принимает. И вообще, беда в том, что любые сигналы  распространяются по одним и тем же законам.
 Изменение одного символа в "цифровом" звуковом файле в большинстве случаев останется незаметным, но здесь и отличия от аналога в общем нет: повреждение аналогового носителя также повредит сигнал навсегда. А вот при передаче информации, "битый" цифровой символ будет вычислен и исправлен.

+1
Ответить

Хорошее объяснение

0
Ответить
Прокомментировать

Проще начать с конца. цифровой( дискретный) сигнал- последовательность импульсов. 1- есть импульс 0- нет импульса( в общем случае для простоты).  Т.е. передается некий код которым можно передать что угодно-данные, звук, видео... А сам звук например-сигнал аналоговый- громче-тише, высокие частоты-низкие, интонации и пр. Для передачи его в цифровом виде используют аналогово-цифровое преобразование.

Николай Петровичотвечает на ваши вопросы в своейПрямой линии
6
-3

Цифровой сигнал это от2.5 вольт до 5 вольт читается как 1 а всё что ниже 2.5 вольт воспринимается как 0 . Отсутствие сигнала это не цифровой сигнал! Читайте пожалуйста матчасть и не вводите людей в заблуждение!

0
Ответить

я объяснил на принципиальном уровне, вы уточнили один из критериев оценки. Но попросили попроще. А вам-пирожок

0
Ответить
Прокомментировать

Если совсем просто, то аналоговый сигнал - это те или иные колебания (воздушные волны либо перепады электрического напряжения), ну а цифровой сигнал - это кодирование любого такого сигнала циферками.

Пересчетом колебаний на циферки занимаются особые устройства - аналого-цифровые преобразователи (АЦПы), встроенные в виде скромной микросхемки в любой современный девайс-гаджет. Обратным процессом занимаются, соответственно, ЦАПы - то есть еще одна микросхемка.

Аналоговый сигнал подвержен помехам (волна налетает на препятствие, вот тебе и помеха, к тому же любая волна рано или поздно затухает), ну а циферки - они циферки и есть, хоть на чем их запиши - 5 никогда не превратится в 4. Вот потому-то цифровой сигнал и не подвержен помехам: он просто или есть, или его нет. И, соответственно, при цифровом копировании копия никак не может стать хуже оригинала, ибо "тупо" переписываются циферки, и нельзя одну цифру заменить другой.

1
0
Прокомментировать
Читать ещё 2 ответа
Ответить
Читайте также на Яндекс.Кью
Читайте также на Яндекс.Кью