Дискретные сигналы применяются во многих современных информационных и управляющих системах. Давайте разберемся, что это такое.
Определение дискретного сигнала
Дискретным называют сигнал, который принимает значения только в определенные моменты времени. В отличие от аналогового сигнала, который непрерывно изменяется, дискретный сигнал как бы «прерывистый».
Например, дискретным является сигнал от датчика состояния реле - он может принимать только два фиксированных значения: «включено» или «выключено».
Дискретный сигнал часто получают путем дискретизации аналогового сигнала, то есть разбиения его на отдельные отсчеты с фиксированным интервалом.
По сравнению с аналоговыми, дискретные сигналы обладают следующими особенностями:
- Меньший динамический диапазон из-за конечного числа уровней
- Возможность цифровой обработки и передачи без потерь
- Необходимость предварительного кодирования при передаче
Виды дискретных сигналов
Различают несколько основных типов дискретных сигналов:
- Бинарные сигналы - принимают только два фиксированных значения, обычно 0 и 1.
- Импульсные сигналы - последовательности импульсов разной длительности и амплитуды.
- Цифровые сигналы - дополнительно квантованы по уровню, могут быть представлены последовательностью чисел.
На практике чаще всего применяют именно цифровые дискретные сигналы, так как они удобны для записи, хранения и обработки с помощью вычислительной техники.
Принцип дискретизации сигналов
Переход от аналогового сигнала к дискретному осуществляется в два этапа:
- Дискретизация по времени - с заданным интервалом отбираются отсчеты (samples)
- Квантование по уровню - каждый отсчет округляется до ближайшего значения в соответствии с выбранным количеством уровней
При этом всегда теряется часть информации об исходном аналоговом сигнале. Однако путем увеличения частоты дискретизации и разрядности квантования можно добиться сколь угодно высокой точности.
Например, для качественной оцифровки звука используют частоту дискретизации 44100 Гц и 16 бит на отсчет.
Дискретизация функций
Помимо сигналов, дискретизации могут подвергаться и функции.
Любую непрерывную функцию можно разложить в ряд Фурье - представить как сумму гармонических колебаний различных частот. Если взять только конечное число слагаемых, получим дискретный набор гармоник, апроксимация исходной функции.
Аналогично работает дискретное преобразование Фурье - один из основных способов анализа дискретных сигналов и изображений в частотной области.
АЦП и ЦАП для дискретизации
Для преобразования аналоговых сигналов в цифровую форму и обратно используются специальные устройства:
- АЦП (аналого-цифровой преобразователь)
- ЦАП (цифро-аналоговый преобразователь)
Они выполняют соответственно оцифровку аналоговых сигналов и генерацию аналогового сигнала по его цифровому представлению.
Типы АЦП и ЦАП
Существует множество разновидностей АЦП и ЦАП, отличающихся принципом работы, быстродействием, точностью.
Например:
- Последовательного приближения
- Параллельного преобразования
- Сигма-дельта модуляции
Выбор конкретного типа зависит от требований к системе.
Области применения дискретных сигналов
Благодаря своим преимуществам при обработке и передаче, дискретные сигналы широко используются во многих областях:
- Цифровые системы связи. Передача речи, звука, видео в цифровом виде позволяет добиться высокого качества при минимальных искажениях.
- Системы автоматического управления. Дискретные датчики и исполнительные механизмы управляются импульсными сигналами от микроконтроллеров и ПЛК.
- Ввод и вывод дискретных сигналов. Для интеграции дискретных устройств в системы управления используется специальная периферия:
- Датчики дискретных сигналов. Формируют стандартный выходной сигнал, например "сухой контакт" или импульс определенной длительности при наступлении какого-либо события.
- Исполнительные устройства. Получают импульсный сигнал управления и совершают заданное действие - включают реле, открывают заслонку и т.д.
Протоколы и интерфейсы
Для передачи дискретных сигналов между устройствами используются различные промышленные протоколы и интерфейсы:
- RS-485, CAN, Modbus
- DALI, DMX512 в системах освещения
- HART в измерительных преобразователях
Они позволяют надежно передавать последовательности дискретных команд и данных на большие расстояния со скоростью до 100 Мбит/с.
ЭМС дискретных цепей
Важный аспект при передаче дискретных сигналов - обеспечение электромагнитной совместимости, то есть защита от наводок и помех.
Для этого применяют:
- Экранированные кабели
- Фильтры и специальные драйверы линий
- Гальваническую развязку
Моделирование дискретных систем
Дискретные системы также активно используются в моделировании и проектировании сложных технических объектов.
Математические модели
Дискретным называют сигнал, который описывается конечным набором состояний и правил перехода между ними. Это позволяет строить компактные математические модели.
Имитационное моделирование
С помощью языков типа Verilog и VHDL моделируется поведение цифровых электронных схем, работающих на основе дискретных сигналов.
Это дает возможность тестировать и отлаживать функционирование схем до их физической реализации.
Верификация моделей
Для проверки адекватности моделей дискретных систем проводится сравнение результатов моделирования с данными натурных или полунатурных испытаний.
Это позволяет убедиться, что модель правильно воспроизводит реальное поведение системы.
Анализ дискретных систем
Моделирование позволяет глубоко проанализировать свойства и поведение дискретных систем.
В частности, оценить:
- Быстродействие
- Точность
- Устойчивость
- Чувствительность к внешним воздействиям
По результатам анализа моделей разрабатываются методы повышения надежности и эффективности дискретных систем управления.
Проектирование дискретных регуляторов
Синтез параметров регуляторов на основе дискретных сигналов также во многом опирается на математическое моделирование.
Это позволяет получать высокоточные импульсные регуляторы для систем автоматизации без проведения натурных экспериментов.
Внедрение цифровых систем управления
Благодаря активному применению моделирования, современные предприятия все чаще внедряют дискретные системы вместо аналоговых.
Это обеспечивает гибкость, высокое быстродействие и точность управления технологическими процессами.
Разработка кода цифровых устройств
Дискретные сигналы, в отличие от аналоговых, позволяют передать логику работы устройства в виде программного кода.
Например, на языках описания аппаратуры (HDL) можно смоделировать и разработать сложную цифровую схему, полностью оперирующую дискретными сигналами, не прибегая к натурным испытаниям.
А затем этот код будет напрямую использован при конфигурировании ПЛИС или заказе специализированной микросхемы.
Автоматизация проектирования
Это позволяет выполнять проектирование и тестирование дискретных электронных устройств в автоматизированном режиме с использованием программных инструментов.
Например:
- Системы автоматизированного проектирования (САПР)
- Программы симуляции и отладки
Перспективы развития
Ожидается, что благодаря прогрессу вычислительных мощностей моделирование дискретных систем выйдет на новый уровень.
В будущем компьютерная симуляция будет во многом заменять натурную отладку сложных дискретных устройств на всех этапах их жизненного цикла.
