Kasutaja:Jyrijoul/Digitaalsignaal: erinevus redaktsioonide vahel

Eemaldatud sisu Lisatud sisu
Jyrijoul (arutelu | kaastöö)
PResümee puudub
Lehekülg asendatud tekstiga 'Artikkel asub nüüd siin.'
Märgis: Asendamine
 
1. rida:
Artikkel asub nüüd [[Digitaalsignaal|siin]].
'''Digitaalsignaal''' ehk '''arvsignaal''', ka ''digitaalne signaal'', on [http://kn.eki.ee/?Q=diskreetne diskreetne] ehk lõplike vahemikega eraldatud üksikväärtusi omav signaal, millel on lõplik hulk erinevaid võimalikke väärtusi.<ref name=":3">{{Netiviide|autor=Steven W. Smith|url=http://www.dspguide.com/ch2/1.htm|pealkiri=Signal and Graph Terminology|väljaanne=The Scientist and Engineer's Guide to Digital Signal Processing|aeg=|vaadatud=30.05.2020}}</ref><ref name=":0">{{Netiviide|autor=Paolo Prandoni, Martin Vetterli|url=https://www.sp4comm.org/webversion/livre.html#x1-2000|pealkiri=What Is Digital Signal Processing?|väljaanne=Signal Processing for Communications|aeg=|vaadatud=31.05.2020}}</ref><ref name=":7">{{Netiviide|autor=|url=http://dsp.cs.cmu.edu/notes/intro_to_signals/signals.html|pealkiri=Introduction to Signals|väljaanne=|aeg=|vaadatud=31.05.2020}}</ref> See erineb [[Analoogsignaal|analoogsignaalist]], mille väärtused on [[Pidevus|pidevad]].<ref name=":4" /> Terminid "digitaal-" ja "digitaalne" on pärit [[Ladina keel|ladinakeelsest]] sõnast ''digitus'', mis tähendab sõrme. Sellega on sümboliseeritud sõrmedega loendamist.<ref name=":0" /><ref name=":4">{{Netiviide|autor=Andrus Rinde|url=http://www.cs.tlu.ee/~rinde/mm_materjal/pdf/mm_analoog_digitaal.pdf|pealkiri=Analoog ja digitaalne|väljaanne=|aeg=|vaadatud=31.05.2020}}</ref>
[[Fail:Digital.signal.png|pisi|Digitaalsignaal (punane), mis on saadud analoogsignaali (helehall) diskreetimisel ja kvantimisel.]]
Tavaliselt saadakse digitaalsignaal analoogsignaali [[Diskreetimine|diskreetimisel]] ja [[Kvantimine|kvantimisel]], kuid digitaalsignaale on võimalik ka genereerida. Diskreetides fikseeritakse analoogsignaali väärtused kindlate [[Periood|perioodiliste]] intervallide tagant, see tähendab, et teisendatakse pidev aeg või ruum diskreetseks.<ref name=":0" /> Kvantimise korral kitsendatakse signaali kõiki võimalikke väärtusi [[Reaalarvude hulk|reaalarvudest]] mõnele lõplikule hulgale. Sellise [[Võimsus (hulgateooria)|hulga võimsust]] ehk elementide arvu kirjeldatakse kvantimistasemete arvuga ehk bitisügavusega (inglise keeles ''bit depth''). Tüüpiline on bitisügavuseks valida mõni kahe aste.<ref name=":8" /> Kuigi tavaliselt jäävad kvantimisel saadavad väärtused üsna kitsasse vahemikku, on tegelikult iga mõõtmine kvantimine, kuna mõõtemääramatuse tõttu ei ole võimalik saavutada lõpmatut täpsust.<ref name=":0" /> Digitaalsignaali all mõeldakse tihti ka kahendsignaali ehk loogilist signaali. Sellisel signaalil on kaks võimalikku olekut, mida võib kontekstist sõltuvalt kirjeldada kui: "üks" ja "null" või vastavalt "tõene" ja "väär".<ref name=":5">{{Netiviide|autor=Jonathan Valvano, Ramesh Yerraballi|url=http://users.ece.utexas.edu/~valvano/Volume1/E-Book/C4_DigitalLogic.htm|pealkiri=Embedded Systems - Shape The World|väljaanne=|aeg=|vaadatud=31.05.2020}}</ref>
 
== Digitaalsignaalide ajalugu ==
Kuigi digitaalsignaale seostatakse eelkõige tänapäevase elektroonikaga, leidub digitaalsignaale teadaolevalt juba [[Vana-Egiptus|Vana-Egiptusest]].<ref name=":6">{{Netiviide|autor=Paolo Prandoni, Martin Vetterli|url=https://www.sp4comm.org/webversion/livre.html#x1-60001.1.1|pealkiri=Digital Signal Processing under the Pyramids|väljaanne=Signal Processing for Communications|aeg=|vaadatud=30.05.2020}}</ref> [[Niilus]] üleujutused mõjutas ka mitu tuhat aastat tagasi Egiptuse tsivilisatsiooni kulgu, määrates iga-aastase saagikuse. Seetõttu oli Niiluse üleujutuste ülesmärkimine olulise tähtsusega, et vältida põua-aastatega kaasnevaid ikaldusi. Palermo kivi on [[steel]], mis pärineb umbes 25. sajandist eKr ning millel on muuhulgas märgitud Niiluse üleujutuste kõrgust.<ref>{{Netiviide|autor=|url=https://ancientegyptonline.co.uk/palermostone/|pealkiri=Palermo Stone {{!}} Ancient Egypt Online|väljaanne=Ancient Egypt Online|aeg=|vaadatud=31.05.2020}}</ref> Kuna tegemist on diskreetsete mõõtmistega ning lõpliku täpsusega mõõtetulemustega, on nende andmete puhul tegemist digitaalsignaaliga. Samasuguseid mõõtmisi teostatakse Niiluse käitumise kohta tänapäevalgi ning nende mõõtmiste olemus on suuresti muutumatu.<ref name=":6" /><ref>{{Netiviide|autor=|url=https://www.researchgate.net/figure/Average-monthly-discharge-of-Nile-and-water-level-2008_fig4_268983852|pealkiri=Average monthly discharge of Nile and water level, 2008|väljaanne=|aeg=|vaadatud=31.05.2020}}</ref>
 
== Definitsioonid ja selgitused ==
Üks võimalusi digitaalsignaali defineerimiseks on alustada analoogsignaalist ning seda kitsendades jõuda digitaalsignaalini. Analoogsignaal on pidev lõpmatute olekutega signaal, mis on igal hetkel määratud.<ref name=":4" /> Analoogsignaali diskreetimisel saadakse [[diskreetsignaal]], mida võib defineerida kui signaali, millele on väärtused omistatud ainult kindlatel hetkedel.<ref name=":4" /> Viimaks, kui diskreetsignaali kvantida, on tulemuseks digitaalsignaal, millel on lõplik hulk võimalikke väärtusi lõplikul arvul hetkedel.<ref name=":3" /><ref name=":0" /><ref name=":4" />
 
Matemaatiliselt võib digitaalsignaali mõista üldistatud kujul kui [[Lõplik hulk|lõpliku]] [[Määramispiirkond|määramis]]- ja [[Muutumispiirkond|muutumispiirkonnaga]] [[Funktsioon (matemaatika)|funktsiooni]].<ref name=":1">{{Netiviide|autor=Ruye Wang|url=http://fourier.eng.hmc.edu/e59/lectures/e59/node2.html|pealkiri=Basic Concepts about Signals and Systems|väljaanne=|aeg=12. detsember 2012|vaadatud=31.05.2020}}</ref> Olgu analoogsignaal mingi funktsioon <math>f:X\rightarrow Y</math>, kus lähte- ja sihthulgad ''X'' ja ''Y'' on mõlemad [[Võimsus (hulgateooria)|kontiinumi võimsusega]]. Kuna diskreetimine on olemuselt funktsiooni lähtehulgast lõpliku arvu elementide valimine, siis järelikult on diskreetimise tulemuseks lõpliku arvu elementidega hulk ''X''. Kvantimine tähendab aga, et funktsiooni muutumispiirkonda peab jääma lõplik arv elemente.<ref name=":0" /> Kui ''X'' ja ''Y'' on lõplikud hulgad, siis sellist funktsiooni nimetataksegi digitaalsignaaliks.<ref name=":7" /><ref name=":1" /> Samuti järeldub eelnevast, et diskreetimise ja kvantimise tulemusena on võimalik saada analoogsignaalist digitaalsignaal.
 
== Digitaalsignaali esitus ==
Digitaalsignaali all mõeldakse kõiki selliseid signaale, millel on lõplik arv lõplikke väärtusi. Selliseid signaale on võimalik kirjeldada mitmel eri meetodil. Tihti diskreeditakse analoogsignaale selliselt, et igat diskreeditud ajahetke tähistatakse [[Täisarv|täisarvuga]].<ref name=":0" /> Nende diskreetsete ajahetkedega määratud signaali väärtuste kirjeldamiseks on aga omakorda palju võimalusi. Kuna kvantimist teostatakse enamasti selliselt, et kvanditud väärtusi oleks võimalik digitaalelektroonikaga, sealhulgas [[Arvuti|arvutitega]], töödelda ning optimaalselt talletada, on tavaliselt [[Kvantimistase|kvantimistasemete]] arvuks ehk bitisügavuseks mingi kahe [[Astendamine|aste]].<ref name=":8">{{Netiviide|autor=|url=https://sisu.ut.ee/sites/default/files/imageprocessing/files/digitizn.pdf|pealkiri=Sampling and Quantization|väljaanne=|aeg=|vaadatud=31.05.2020}}</ref><ref name=":9">{{Netiviide|autor=|url=https://computer.howstuffworks.com/bytes1.htm|pealkiri=How Bits and Bytes Work|väljaanne=|aeg=|vaadatud=31.05.2020}}</ref> Tüüpilised bitisügavused võivad olla näiteks 8, 16 ja 32 [[Bitt|bitti]]. Näiteks kaheksa bitiga on võimalik kirjeldada <math>2^8=256</math> väärtust. Seepärast kasutatakse kaheksabitilise sügavuse puhul tihti [[Täisarv (andmetüüp)|täisarve]] [[Lõik|lõigus]] <math>[0, 255]</math>.<ref>{{Netiviide|autor=|url=https://petapixel.com/2018/09/19/8-12-14-vs-16-bit-depth-what-do-you-really-need/|pealkiri=8, 12, 14 vs 16-Bit Depth: What Do You Really Need?!|väljaanne=|aeg=|vaadatud=31.05.2020}}</ref>
 
Kuna digitaalsignaalid on enamasti loodud ja mõeldud [[digitaalelektroonika]] ja sealhulgas arvutitega kasutamiseks, on üks tüüpilisi viise digitaalsignaalide esitamiseks mitte täisarvudena kümnendsüsteemis, vaid kahendsüsteemis bitijadana ehk loogilise signaalina.<ref>{{Netiviide|autor=|url=https://www.swarthmore.edu/NatSci/echeeve1/Ref/BinaryMath/NumSys.html|pealkiri=Representation of Numbers|väljaanne=|aeg=|vaadatud=31.05.2020}}</ref> Kui iga kvanditud väärtus on kirjeldatav näiteks kaheksa bitiga, siis võib iga väärtust kümnendsüsteemis lõigus <math>[0, 255]</math> kujutada ka [[Kahendsüsteem|kahendsüsteemis]] kaheksakohalise (ehk kaheksabitilise) arvuga. Näiteks arv 123 kümnendsüsteemis on kahendsüsteemis kaheksa bitiga esitatult ‭01111011‬.<ref name=":9" /> Selliseid kahendsignaale on võimalik kasutada digitaalelektroonikas ja seega ka arvutites, kuna digitaalse elektroonika ja arvutite ülesehitus ja toimimine põhineb [[Boole'i algebra|Boole'i algebral]], mis tegelebki ainult kahe võimaliku väärtusega.<ref name=":5" /> Selliselt on võimalik füüsilises maailmas digitaalsignaale lihtsalt edasi anda ning talletada, kuna iga biti väärtust saab kirjeldada näiteks [[Pinge (elekter)|pingega]]. Enamasti on kahendsüsteemi 1 ehk tõeväärtus "tõene" elektriliselt määratud toitepingega, milleks võib olla näiteks 5 V. Kahendsüsteemis 0 ehk "väär" on määratud seevastu nullnivooga ehk maaga.<ref>{{Netiviide|autor=|url=https://learn.sparkfun.com/tutorials/logic-levels/ttl-logic-levels|pealkiri=Logic Levels|väljaanne=|aeg=|vaadatud=31.05.2020}}</ref>
 
== Digitaalsignaali eelised ==
[[Fail:Imagen 4.png|pisi|Mürast sõltumata on võimalik tuvastada, kas tegemist on väärtusega 1 või 0]]
Digitaalsignaalidel on analoogsignaalidega võrreldes mitmeid eeliseid. Üheks oluliseks eeliseks on suur [[Müra (elektroonika)|mürataluvus]], kuna kõiki digitaalsignaale saab edasi anda ning hoiustada bittidena.<ref name=":0" /> Digitaalsignaali on analoogsignaaliga võrreldes ka lihtsam töödelda ning sellest on välja kasvanud eraldi valdkond - [[digitaalne signaalitöötlus]].<ref name=":4" /> Digitaalse signaalitöötlusega on võimalik saavutada [[Signaalitöötlus|traditsioonilise signaalitöötlusega]] võrreldes suuremat täpsust.<ref>{{Netiviide|autor=|url=https://www.airtract.com/question/what-are-the-advantages-and-disadvantages-of-digital-signal-processing|pealkiri=What are the advantages and disadvantages of digital signal processing?|väljaanne=|aeg=|vaadatud=31.05.2020}}</ref> Oluline on ka digitaalsignaali sõltumatus [[Andmekandja|andmekandjast]] ja samuti ei mõjuta digitaalsignaali kvaliteeti kopeerimine ega taasesitamine.<ref name=":4" />
 
Digitaalsignaali üheks suurimaks eeliseks on [[Andmete pakkimine|pakkimise]] võimalikkus. Kuna digitaalsignaali esitatakse arvuliselt, saab kasutada paljusid välja töötatud [[Algoritm|algoritme]] nende andmete mahu vähendamiseks ehk pakkimiseks. Digitaalsignaale saab pakkida nii [[Kadudeta pakkimine|kadudeta]] kui kadudega. Väga efektiivse pakkimise tõttu on võimalik tänapäevased tehnoloogiad nagu [[Kõrglahutusega televisioon|kõrglahutusega]] [[voogedastus]] ja reaalaja-[[Arvutimäng|arvutimängud]].<ref>{{Netiviide|autor=|url=https://blog.leaseweb.com/2019/08/06/data-compression-in-online-games/|pealkiri=Data Compression in Online Games|väljaanne=|aeg=|vaadatud=31.05.2020}}</ref><ref>{{Netiviide|autor=|url=https://www.haivision.com/resources/streaming-video-definitions/compression/|pealkiri=Video Compression|väljaanne=|aeg=|vaadatud=31.05.2020}}</ref>
 
== Muundamine ==
Analoogsignaali on võimalik muundada digitaalsignaaliks ning selle saavutamiseks kasutatavat seadet nimetatakse [[Analoog-digitaalmuundur|analoog-digitaalmuunduriks]] (ingliskeelne lühend ''ADC''). Samuti on võimalik digitaalsignaali muundada analoogsignaaliks ning sel juhul on vastavaks seadmeks [[digitaal-analoogmuundur]] (ingliskeelne lühend ''DAC''). Kuigi võimalik on konstrueerida ka näiteks mehhaanilisi muundureid<ref>{{Netiviide|autor=|url=https://hackaday.com/2010/11/28/wiffletree-a-mechanical-digital-to-analog-converter/|pealkiri=Wiffletree: A Mechanical Digital To Analog Converter|väljaanne=|aeg=|vaadatud=31.05.2020}}</ref>, kasutatakse peamiselt siiski [[Elektroonika|elektroonilisi]] [[Muundur|muundureid]].<ref>{{Netiviide|autor=|url=https://www.analog.com/en/analog-dialogue/articles/the-right-adc-architecture.html|pealkiri=Which ADC Architecture Is Right for Your Application?|väljaanne=|aeg=|vaadatud=31.05.2020}}</ref> Muundurite olulisteks parameetriteks on nende [[lahutusvõime]] (inglise keeles ''resolution''), töökiirus, mis kajastub [[Diskreetimissagedus|diskreetimissageduses]] ehk sämplimissageduses, [[täpsus]] ning maksumus. Lisaks sellele on veel palju teisigi parameetreid, näiteks erinevad vead, milleks võivad olla mittelineaarsus, kvantimisviga, nulliviga ja apertuuriviga.<ref name=":2">{{Netiviide|autor=|url=http://kodu.ut.ee/~kalevipo/DE_loeng10.pdf|pealkiri=Digitaalelektroonika 10. loeng|väljaanne=|aeg=|vaadatud=31.05.2020}}</ref>
 
Analoog-digitaalmuunduri tööpõhimõtteks on leida sisendsignaalile vastav arvuline väärtus määratud vahemikust. Eksisteerib mitut eri tüüpi analoog-digitaalmuundureid, nagu näiteks Flash, järgiv, integreeriv ja järjestikuse lähenemise analoog-digitaalmuundur.<ref name=":2" /> Digitaal-analoogmuunduri põhimõte seisneb tüüpiliselt vastavale sisendarvule proportsionaalse [[Pinge (elekter)|väljundpinge]] [[Signaaligeneraator|genereerimises]]. Selleks on samuti mitmeid meetodeid, mis erinevad nii kiiruses, täpsuses kui ka maksumuses.<ref>{{Netiviide|autor=Raghu Tumati|url=https://ece.umaine.edu/wp-content/uploads/sites/203/2012/05/ECE547_RaghuTumati.pdf|pealkiri=Digital to Analog Converter|väljaanne=|aeg=11. mai 2006|vaadatud=31.05.2020}}</ref>
 
== Vaata ka ==
 
* [[Analoogsignaal]]
* [[Diskreetimine]]
* [[Kvantimine]]
 
==Viited==
<references />
[[Kategooria:Digitaalne signaalitöötlus]]
[[Kategooria:Elektroonika]]
[[Kategooria:Digitaaltehnika]]