Analoge, diskrete und digitale Signale
Jede physikalische Größe kann aufgrund der Art ihrer Wertänderung konstant (wenn sie nur einen festen Wert hat), diskret (wenn sie zwei oder mehr feste Werte haben kann) oder analog (wenn sie unendlich viele Werte haben kann) sein. Alle diese Größen können digitalisiert werden.
Analoge Signale
Ein analoges Signal ist ein Signal, das durch eine kontinuierliche Linie einer Reihe von Werten dargestellt werden kann, die zu jedem Zeitpunkt relativ zur Zeitachse definiert sind. Die Werte eines analogen Signals sind zu jedem Zeitpunkt beliebig, sodass es im Allgemeinen als eine Art kontinuierliche Funktion (abhängig von der Zeit als Variable) oder als stückweise kontinuierliche Funktion der Zeit dargestellt werden kann.
Ein analoges Signal kann beispielsweise als Audiosignal bezeichnet werden, das von einer Spule eines elektromagnetischen Mikrofons oder einem Röhrenakustikverstärker erzeugt wird, da ein solches Signal kontinuierlich ist und seine Werte (Spannung oder Strom) sich stark voneinander unterscheiden jeden Moment in der Zeit.
Die folgende Abbildung zeigt ein Beispiel für diese Art von Analogsignal.
Analoge Werte können innerhalb gewisser Grenzen eine unendliche Wertevielfalt haben. Sie sind kontinuierlich und ihre Werte können sich nicht sprunghaft ändern.
Ein Beispiel für ein analoges Signal: Ein Thermoelement übermittelt einen analogen Temperaturwert an die speicherprogrammierbare Steuerung, das die Temperatur in einem Elektroofen mit einem Halbleiterrelais regelt.
Diskrete Signale
Wenn ein Signal nur zu bestimmten Zeitpunkten zufällige Werte annimmt, wird ein solches Signal als diskret bezeichnet. Am häufigsten werden in der Praxis diskrete Signale verwendet, die über ein einheitliches Zeitraster verteilt sind und deren Schritt als Abtastintervall bezeichnet wird.
Ein diskretes Signal nimmt nur zu Abtastzeitpunkten bestimmte Werte ungleich Null an, ist also im Gegensatz zu einem analogen Signal nicht kontinuierlich. Werden aus einem Schallsignal in regelmäßigen Abständen kleine Teile einer bestimmten Größe herausgeschnitten, kann man ein solches Signal als diskret bezeichnen.
Nachfolgend finden Sie ein Beispiel für die Erzeugung eines solchen diskreten Signals mit einem Abtastintervall T. Beachten Sie, dass nur das Abtastintervall gemessen wird, nicht die Signalwerte selbst.
Diskrete Signale haben zwei oder mehr feste Werte (die Anzahl ihrer Werte wird immer als ganze Zahlen ausgedrückt).
Ein Beispiel für ein einfaches diskretes Signal für zwei Werte: Aktivierung eines Endschalters (Umschalten der Schaltkontakte in einer bestimmten Position des Mechanismus). Das Signal vom Endschalter kann nur in zwei Versionen empfangen werden – der Kontakt ist offen (keine Aktion, keine Spannung) und der Kontakt ist geschlossen (es gibt Aktion, es liegt Spannung an).
Digitale Signale
Wenn ein diskretes Signal nur einige feste Werte annimmt (die auf einem Gitter mit einer bestimmten Teilung liegen können), sodass sie als Reihe von Quantengrößen dargestellt werden können, wird ein solches diskretes Signal als digital bezeichnet. Das heißt, ein digitales Signal ist ein diskretes Signal, das nicht nur nach Zeitintervallen, sondern auch nach Pegel quantisiert wird.
In der Praxis werden bei einer Reihe von Problemen diskrete und digitale Signale identifiziert und können mithilfe eines Computergeräts einfach als Stichproben ermittelt werden.
Die Abbildung zeigt ein Beispiel für die Bildung eines digitalen Signals basierend auf einem analogen. Bitte beachten Sie, dass digitale Signalwerte keine Zwischenwerte annehmen können, sondern nur eine bestimmte ganzzahlige Anzahl von Schritten in einem vertikalen Raster.
Ein digitales Signal lässt sich leicht aufzeichnen und im Speicher von Computergeräten neu schreiben, es kann einfach gelesen und kopiert werden, ohne dass die Genauigkeit verloren geht, während das Umschreiben eines analogen Signals immer mit dem Verlust einiger, wenn auch unbedeutender Teile der Informationen verbunden ist.
Die digitale Signalverarbeitung ermöglicht es, Geräte mit sehr hoher Leistung zu erhalten, da Rechenoperationen völlig ohne oder mit vernachlässigbarem Qualitätsverlust ausgeführt werden.
Aufgrund dieser Vorteile sind digitale Signale heute in Datenspeicher- und -verarbeitungssystemen allgegenwärtig. Jedes moderne Gedächtnis ist digital. Analoge Speichermedien (wie Kassetten etc.) gibt es schon lange nicht mehr.
Analoge und digitale Spannungsmessgeräte:
Aber auch digitale Signale haben ihre Nachteile.Sie können so wie sie sind nicht direkt übertragen werden, da die Übertragung normalerweise über kontinuierliche elektromagnetische Wellen erfolgt. Daher muss beim Senden und Empfangen digitaler Signale darauf zurückgegriffen werden zu zusätzlicher Modulation Und Analog-Digital-Wandlung... Der kleinere Dynamikbereich digitaler Signale (das Verhältnis des größten zum kleinsten Wert) aufgrund der Quantisierung der Werte entlang des Netzwerks ist ein weiterer Nachteil.
Es gibt auch Bereiche, in denen analoge Signale unverzichtbar sind. Analoger Ton wird beispielsweise niemals mit digitalem Ton verglichen werden können, sodass Röhrenverstärker und -aufnahmen trotz der Fülle digitaler Audioaufnahmeformate mit den höchsten Abtastraten noch nicht aus der Mode gekommen sind.