Ogólne pytanie dotyczące sygnałów analogowych i cyfrowych

Ostrzeżenie dla początkujących: Nie jestem inżynierem elektrykiem, ani też nigdy nie brałem elektrotechniki, więc proszę o wyrozumiałość.

Ilekroć czytam o rozróżnieniu między sygnałami cyfrowymi i analogowymi, zwykle dołącza się taką grafikę (lub podobną do tej):

Rozważ chwilę dolną ilustrację (sygnał cyfrowy). Według mojego najlepszego zrozumienia, prąd elektryczny jest ciągły, więc w takim przypadku nie ma możliwości, aby płynął w taki sposób na jakimkolwiek medium. Innymi słowy: nie ma „fal kwadratowych”.
Co dokładnie to przedstawia?
Czy to tylko interpretacja, ilekroć napięcie przekracza pewną barierę lub spada pod nią? Oznacza to, że gdy napięcie jest powyżej dowolnego arbitralnie wybranego progu, uważamy je za „wysokie”, ale w przeciwnym razie uważamy je za „niskie”?

Wiem, że nie zawsze jest to możliwe, ale postaraj się odpowiedzieć w sposób zrozumiały dla laika.

Zasadniczo, z elektrycznego punktu widzenia, każdy „cyfrowy” sygnał jest, jak mówisz, jedynie przybliżeniem fali prostokątnej. W szczególności będzie miał skończony czas narastania i opadania.

Przy dużych prędkościach może być trudno zapewnić, aby wyglądał tak ładnie, jak chce teoria. Aby upewnić się, że sygnał jest nadal wykrywany jako cyfrowy (tj. Odbiornik nie jest całkowicie zdezorientowany okropnie ukształtowanym sygnałem), tak zwany schemat oka (zwany również wzorem oka ) służy do pomiaru jego charakterystyk na wielu próbkach.

Wiele standardów (np. USB i co nie) definiuje pewne dopuszczalne cechy tego diagramu.

Zauważ, że wzór oka / schemat nie ogranicza się tylko do dwóch poziomów [napięcia]. Ma to również zastosowanie, gdy masz dowolną liczbę dyskretnych poziomów wyjściowych. Na przykład Gigabit Ethernet na skrętkach (1000BASE-T) wykorzystuje nie dwa, ale 5 różnych poziomów napięcia.

Czy to tylko nasza interpretacja, że ​​gdy napięcie przekroczy pewną barierę lub spadnie pod nią? Oznacza to, że gdy napięcie jest powyżej dowolnie wybranego progu, uważamy go za „wysoki”, ale w przeciwnym razie uważamy go za „niski”?

Zasadniczo tak, tak to działa, niektóre progi napięcia dla wartości „1” i „0” są określone przez jakiś standard.

Sygnały cyfrowe są binarne . Mają tylko dwa stany - włączony lub wyłączony, wysoki lub niski, góra lub dół - jakkolwiek chcesz je nazywać. Jak wywnioskowałeś, istnieje pewien próg, powyżej którego wartość jest uważana za wysoką, i inny próg, poniżej którego wartość jest uważana za niską. Cyfrowe jest bardzo proste z tranzystorami poprzez ich całkowite włączenie lub wyłączenie.

Sygnały analogowe są analogiczne do mierzonych wielkości. np. waga może emitować napięcie proporcjonalne do obciążenia - powiedzmy 0 do 10 V dla obciążenia od 0 do 200 kg. Innym przykładem jest sygnał z mikrofonu, który zmienia się w zależności od ciśnienia akustycznego wpływającego na membranę mikrofonu. W takim przypadku częstotliwość zmienia się wraz ze wysokością dźwięku, a amplituda zmienia się wraz z głośnością.

W jakiś sposób nabrałeś trochę zamieszania; pozwól mi zobaczyć, czy mogę pomóc.

Jeśli chodzi o „sygnały cyfrowe”, termin ten ma więcej niż jeden poziom. Wygląda na to, że masz pomysł na sygnały analogowe - ciągłą wartość, która zmienia się w czasie.

Cyfrowy „analogowy” (wybacz kalambur) jest natomiast szeregiem wartości liczbowych; każda wartość liczbowa odpowiada punktowi w czasie i zwykle punkty są rozmieszczone w regularnych odstępach czasu. Ponadto istnieje szereg wartości liczbowych dostępnych dla procesu i zwykle jest to pewna potęga dwóch - na przykład 256 wartości dla ośmiu bitów lub 65 536 wartości dla 16 bitów, jeśli sposób reprezentowania wartości odbywa się za pomocą słów binarnych.

To, co właśnie opisałem, to abstrakcja; sygnał cyfrowy można przekazać, machając flagami semaforów, jeśli ktoś tak wybierze. Ale jeśli zamiast tego zdecydujemy się reprezentować sygnał cyfrowy za pomocą zestawu sygnałów elektrycznych ułożonych równolegle z jednym przewodem na bit, wówczas każdy z tych sygnałów jest rzeczywiście sygnałem analogowym, jak sugerowali tu inni. Zadaniem elektroniki jest zatem generowanie tych sygnałów i odpowiednie ich odbieranie / dekodowanie.

Ponadto można przesyłać sygnały cyfrowe szeregowo zamiast równolegle, wysyłając kolejno każdy bit każdej wartości; możesz to zrobić na jednym przewodzie zamiast wartości wielu bitów, której używasz, a jak już powiedziano tutaj, istnieją schematy, które są bardziej złożone niż stosowanie tylko jednego „wysokiego” napięcia lub prądu w celu oznaczenia „1” lub „prawda” i „niskie” lub zerowe napięcie lub prąd oznaczają „0” lub „fałsz”.

I masz rację - sygnał analogowy nigdy nie może ulec natychmiastowej zmianie; Powodów tego jest wiele i nie będę wchodził w to wszystko oprócz jednego: zmiany prądu w przewodniku zawsze się opierają (wynika to z równań Faradaya). Ale w praktyce przy projektowaniu obwodów cyfrowych chodzi o to, aby przejścia między stanami były wystarczająco krótkie w stosunku do długości najmniejszego odstępu między przejściami, co nie ma znaczenia. To założenie zaczyna się nie powieść, gdy na przykład użyjesz zbyt długiego kabla Ethernet.

Sygnał cyfrowy nie chce reprezentować sygnału analogowego jako „kwadratu”, więc gdy widzisz 1 w sygnale cyfrowym, nie jest on równoważny wysokiej amplitudzie w singlu anlog, ale chce reprezentować wysokość amplitudy do różne czasy jako liczby (ale w formacie binarnym). Tak wiele liczb binarnych chce reprezentować wysokość amplitudy do jednego określonego czasu.

Rozważ to zdjęcie z BBC:

Powyższy wykres jest postacią analogową. Z tego brana jest wartość co sekundę (ale może wzrosnąć do 40 milionów razy na sekundę i wiele więcej). Ta wartość jest wysokością amplitudy sygnału analogowego.

Nazwijmy to „krokiem”, gdy weźmiemy wartość.

Na każdym kroku rejestrowana jest wysokość amplitudy. Wysokość jest liczbą, którą można przedstawić jako 0 i 1 (na przykład 10 byłoby 1010).

Widzisz, im więcej wartości mierzymy w każdej sekundzie, tym więcej danych musi być zapisanych / przesłanych i im dokładniejszy będzie wynikowy format cyfrowy tego sygnału analogowego.

Im wyższa wartość, tym dokładniejszy będzie wynikowy format cyfrowy. (na przykład, gdy bierzemy wartości od 0 do 10, jest tylko 10 wartości - niezbyt dokładne. Gdybyśmy przemodulowali ten sygnał cyfrowy na analogowy, krzywa nie byłaby bardzo „dobra”. Ale kiedy weźmiemy wartości od 0 do 16000, będzie to o wiele dokładniejsze.) Również tutaj na każdym kroku trzeba zapisać więcej bitów.

Jeśli zapiszesz 64Bit na każdym kroku, a krok zostanie wykonany raz na sekundę, zapiszesz 64Bit / s. Jeśli zapisujesz 32Bity na każdym kroku, a krok jest wykonywany dwa razy na sekundę, oszczędzasz również 64Bity / s. Jeśli zapisujesz 16 bitów na każdym kroku, a krok jest wykonywany 4 razy na sekundę, masz również 64 bitów na sekundę.

Istnieje wiele sposobów przesyłania sygnału cyfrowego. Na przykład przez „zmianę napięcia”, które nazywa się „modulacją amplitudy”, co pokazano na wykresie (ale oczywiście NIGDY nie jest to idealny kwadrat!). Modulacja amplitudy oznacza po prostu, że śpiewasz, że 1 ma wysoką amplitudę (wysokie napięcie), a 0 niskie.

Istnieją techniki modulacji odry, takie jak modulacja częstotliwości (FM, która jest używana z radiotelefonami - wskazujesz 1 z wysoką częstotliwością, a 0 z niską) lub Modulacja amplitudy impulsu, która jest używana w sieci Ethernet i wiele, wiele więcej!