- Prawie wszystkie wielkości występujące w przyrodzie mają charakter analogowy, tzn. že ich wartość zmienia się w sposób ciągły są to tzw. sygnały analogowe. Taką wielkością jest np. temperatura. Jej zmiany, np. wzrost od 0°C do 30°C, odbywają się w postaci ciągle zwiększających się wartości, których liczba jest nieskończenie wielka. W danym przedziale czasu, w każdej chwili sygnał analogowy ma określoną wartość i dlatego nazywa się sygnałem ciągłym. Informacja w postaci sygnału analogowego może być bez trudu odczytana zrozumiana przez człowieka.
Drugim rodzajem sygnałów są tzw. sygnały cyfrowe. Są to ciągi liczbowe składające się ze zmierzonych i odpowiednio przetworzonych wartości sygnału analogowego w określonych chwilach czasu. Mają więc określoną i skończoną liczbę wartości. Sygnał cyfrowy dla komputera stanowi źródło informacji i umożliwia szybkie przetwarzanie uzyskanych w ten sposób danych na wynik końcowy, który też ma postać cyfrową. Niestety, sygnał cyfrowy jest zupełnie niezrozumiały dla człowieka. We współczesnym samochodzie wszystkie układy regulacji i sterowania jako źródła informacji wykorzystują sygnały cyfrowe. Aby działanie tych urządzeń można było powiązać z parametrami pracy pojazdu dostępnym dla użytkownika w postaci sygnałów analogowych, konieczna jest zamiana sygnału ana logowego na cyfrowy i odwrotnie sygnału cyfrowego na analogowy.
Probkowanie jest pierwszym etapem zamiany sygnału analogowego na cyfrowy. Polega ono na pomiarze wartości sygnało analogowego w regularnych odstępach czasu i wyzna crenti skończonej liczby różnych wartości wyników
Zmierzone wartości nazywamy próbkami, a odstęp czasu między kolejnymi próbkami przedziałem lub okresem próbkowania. Z okresem próbkowania wiąże się częstotliwość próbkowania f. która jest jego odwrotnością
W ten sposób przebieg ciągły zastępujemy ciągiem próbek o amplitudzie zmierzonej w określonej chwili. Uzyskany sygnał nazywamy sygnałem spróbkowanym. Jest on odwzorowaniem przebiegu analogowego, a precyzja tego odwzorowania zależy od częstotliwości próbkowania. Przyjmuje się, że aby sygnał spróbkowany zawierał pełną informację prze noszoną przez sygnał analogowy, częstotliwość próbkowania powinna być dwukrotnie większa niż częstotliwość zmian sygnału analogowego.
Sygnał spróbkowany nazywa się sygnałem dyskretnym. Oznacza to, że liczba próbek sygnału w określonym przedziale czasu ma skończoną wartość. Nadal jest on jednak sygnalem analogowym w amplitudzie (dyskretnym tylko w czasie), ponieważ amplituda chwilowych wartości próbek zmienia się w sposób ciągły i może przyjmować nieskończe nie wielką liczbę wartości. Aby uzyskać sygnał cyfrowy, sygnał dyskretny (spróbkowany) należy poddać procesowi kwantowania, w którego wyniku zbiór wartości amplitudy pró bek stanie się zbiorem skończonym.
Kwantowanie jest drugim etapem zamiany sygnału analogowego na cyfrowy. W wyniku tej operacji spróbkowany sygnał staje się sygnałem dyskretnym amplitudzie, przybierając skończoną liczbę wartości. Po kwantyzacji sygnał staje się sygnałem cyfrowym, czyli o czasie dyskretnym i dyskretnym w amplitudzie.
Proces kwantowania (rys. 16.3) polega na:
■ podzieleniu całego zakresu zmian amplitudy sygnału na skończoną liczbę przedziałów wartości, nazywanych przedziałami kwantowania, które najczęściej mają jednakową szerokość (nazywaną krokiem kwantowania lub po prostu kwantem), a ich liczba jest równa naturalnej potędze liczby 2 (2”);
■ określeniu poziomu kwantowania dla każdego przedziału, polegającym na ustaleniu jednej wartości z każdego przedziału, która będzie reprezentowała wszystkie wartości zawarte w tym przedziale;
Po przyporządkowaniu wartości zmierzonej próbki do jednego z przedziałów kwantowania - najbliższego pod względem wartości, aby wartość próbki sygnału była reprezen- towana przez wartość poziomu kwantowania tego przedziału.
Różnica między wartością rzeczywistą próbki a wartością poziomu kwantowania, do którego została przypisana, nazywa się błędem kwantowania. Błąd kwantowania jest tym mniejszy, im większa jest liczba zastosowanych przedziałów. Zawsze jednak w wyniku kwantowania występuje utrata pewnej części informacji zawartej w sygnale analogowym.
Kodowanie (rys. 16.4) jest trzecim etapem zamiany sygnału analogowego na cyfrowy.
Aby informacje zawarte w tym sygnale można było przetwarzać w urządzeniu cyfrowym, np. komputerze, należy zakodować je w systemie dwójkowym i wprowadzić do urządzenia. Kodowanie polega na oznaczeniu każdego poziomu kwantowania (a więc i każdej skwantowanej próbki) za pomocą liczby kodującej (będą to n-bitowe słowa, które opisano w następnym rozdziale). W wyniku kodowania otrzymuje się ciąg impulsów będących sygnałem cyfrowym i binarnym, który jest zrozumiały dla komputera i umożliwia komu- nikowanie się z nim.
Przetwarzanie sygnału analogowego na cyfrowy, nazywane przetwarzaniem analo- gowo-cyfrowym (A/C), realizują specjalne układy elektroniczne - tzw. przetworniki analogowo-cyfrowe. Obecnie są one powszechnie stosowane, ponieważ sygnał cyfrowy łatwiej można przetwarzać i przesyłać, a urządzenia pracujące w systemie cyfrowym mogą współ- pracować z komputerem i realizować automatyczne sterowanie. Dodatkową ważną zaletą sygnału cyfrowego jest jego bardzo duża odporność na zakłócenia, dzięki której działanie urządzeń cyfrowych charakteryzuje duża niezawodność i dokładność.