Общий вопрос об аналоговых и цифровых сигналах

Предупреждение новичка: я не инженер-электрик и никогда не занимался электротехникой, поэтому, пожалуйста, потерпите меня.

Всякий раз, когда я читаю о различии между цифровыми и аналоговыми сигналами, обычно прилагается такая картинка (или похожая на эту):

Рассмотрим нижнюю иллюстрацию на мгновение (цифровой сигнал). Насколько я понимаю, электрический ток является непрерывным, поэтому, если это так, нет никакого способа, которым он будет протекать таким образом в любой среде. Другими словами: здесь нет «квадратных волн».
Так что именно это изображает?
Это просто интерпретация, когда напряжение проходит какой-то барьер или падает под ним? То есть, когда напряжение выше некоторого произвольно выбранного порога, мы считаем его «высоким», но в противном случае мы считаем его «низким»?

Пожалуйста, я знаю, что это не всегда возможно, но постарайтесь ответить так, чтобы непрофессионал мог понять.

По сути, с электрической точки зрения каждый «цифровой» сигнал, как вы говорите, является лишь приближением прямоугольной волны. В частности это будет иметь конечные времена роста и падения.

На высоких скоростях может быть трудно гарантировать, что это выглядит так хорошо, как хочет теория. Чтобы гарантировать, что сигнал все еще детектируется как цифровой (т. Е. Приемник не совсем запутан сигналом ужасной формы), для измерения его характеристик по ряду выборок используется так называемая диаграмма глаза (или глаз ).

Многие стандарты (например, USB и что нет) определяют некоторые приемлемые характеристики для этой диаграммы.

Обратите внимание, что глазная диаграмма / диаграмма не ограничена только двумя уровнями [напряжения]. Это также применимо, когда у вас есть любое количество дискретных выходных уровней. Например, Gigabit Ethernet по витым парам (1000BASE-T) использует не два, а пять разных уровней напряжения.

Является ли это только нашей интерпретацией того, когда напряжение преодолевает некоторый барьер или падает под ним? То есть, когда напряжение выше некоторого произвольно выбранного порога, мы считаем его «высоким», но в противном случае мы считаем его «низким»?

По сути, да, вот как это работает, некоторые пороговые значения напряжения для того, что равно «1», а что такое «0», определяются некоторым стандартом.

Цифровые сигналы являются двоичными . У них есть только два состояния - включено или выключено, высоко или низко, вверх или вниз - как бы вы их ни называли. Как вы уже поняли, существует некоторый порог, выше которого значение считается высоким, и другой порог, ниже которого значение считается низким. Цифровой очень просто сделать с транзисторами, включив их полностью или полностью отключив.

Аналоговые сигналы аналогичны количеству, которое они измеряют. например, весы могут выдавать напряжение, пропорциональное нагрузке, скажем, от 0 до 10 В для нагрузки от 0 до 200 кг. Другим примером является сигнал от микрофона, который изменяется в зависимости от звукового давления, влияющего на диафрагму микрофона. В этом случае частота будет меняться в зависимости от высоты звука, а амплитуда будет зависеть от громкости.

Каким-то образом вы уловили небольшую путаницу; дай мне посмотреть, смогу ли я помочь.

Когда дело доходит до «цифровых сигналов», существует более одного уровня, на котором применяется этот термин. Кажется, вы получаете представление об аналоговых сигналах - непрерывное значение, которое меняется со временем.

Цифровой «аналог» (простите за каламбур) вместо этого представляет собой последовательность числовых значений; Каждое числовое значение соответствует моменту времени, и обычно точки расположены через равные промежутки времени. Кроме того, существует ряд числовых значений, доступных для процесса, и обычно это некоторая степень двух - например, 256 значений для восьми битов или 65 536 значений для 16 битов, если способ представления значений осуществляется с помощью двоичных слов.

Теперь, что я только что описал, это абстракция; цифровой сигнал может передаваться путем размахивания флагами семафоров, если кто-то так выбрал. Но если вместо этого мы решим представлять цифровой сигнал с помощью набора электрических сигналов, расположенных по одному проводнику на бит параллельно, то каждый из этих сигналов действительно является аналоговым сигналом, как предлагали другие. Задача электроники - генерировать эти сигналы и соответственно принимать / декодировать их.

Кроме того, вы можете передавать цифровые сигналы последовательно, а не параллельно, посылая каждый бит каждого значения в последовательности; Вы можете сделать это по одному проводнику вместо того, сколько бы битов вы ни использовали, и, как уже было сказано, есть схемы, которые являются более сложными, чем использование только одного «высокого» напряжения или тока для обозначения «1» или «истина» и «низкое» или нулевое напряжение или ток для обозначения «0» или «ложь».

И вы правы - аналоговый сигнал никогда не может иметь мгновенного изменения; Причин для этого много, и я не буду вдаваться во все из них, за исключением одного: изменения тока в проводнике всегда сопротивляются (это следует прямо из уравнений Фарадея). Но на практике при проектировании цифровых схем идея состоит в том, чтобы переход между состояниями был достаточно коротким по отношению к длине наименьшего интервала между переходами, что не имеет значения. Это предположение начинает ошибаться, например, когда вы используете слишком длинный кабель Ethernet.

Цифровой сигнал не хочет представлять аналоговый сигнал как «квадратные вещи», поэтому, когда вы видите цифру 1 в цифровом сигнале, она не эквивалентна высокой амплитуде в анологическом сингале, но она хочет представить высоту амплитуды для разные времена как число (но в двоичном формате). Так много двоичных чисел хотят представить высоту амплитуды в одно конкретное время.

Посмотрите на эту картинку с BBC:

Приведенный выше график является аналоговой формой. Исходя из этого, значение берется каждую секунду (но это может доходить до 40 миллионов раз в секунду и намного больше). Это значение является амплитудой высоты аналогового сигнала.

Давайте назовем это «шаг», когда мы берем значение.

На каждом шаге высота амплитуды записывается. Высота - это число, которое может быть представлено как 0 и 1 (например, 10 будет 1010).

Видите ли, чем больше значений мы измеряем каждую секунду, тем больше данных нужно сохранить / передать и тем точнее будет цифровой формат этого аналогового сигнала.

Кроме того, чем выше может быть значение, тем точнее будет и цифровой формат. (например, когда мы принимаем значения от 0 до 10, есть только 10 значений - не очень точные. Когда мы перемодулируем этот цифровой сигнал в аналоговый, кривая будет не очень «хорошей». Но когда мы принимаем значения от 0 до 16000, это будет намного точнее.) Здесь также нужно сохранять больше битов на каждом шаге.

Если вы сохраняете 64-битный каждый шаг и шаг выполняется один раз в секунду, вы сохраняете 64-битный / с. Если вы сохраняете 32-битный каждый шаг, и этот шаг выполняется дважды в секунду, вы также экономите 64-битный / с. Если вы сохраняете 16 бит на каждом шаге и шаг выполняется 4 раза в секунду, у вас также есть 64 бит / с.

Существует много способов передачи цифрового сигнала. Например, путем «изменения напряжения», которое называется «Амплитудная модуляция», которое показано на графике (но, конечно, это НИКОГДА не идеальный квадрат!). Амплитудная модуляция просто означает, что вы говорите, что 1 - высокая амплитуда (высокое напряжение) и 0 - низкая.

Существуют методы oder-модуляции, такие как частотная модуляция (FM, которая используется с радиоприемниками - вы указываете 1 на высокой частоте, а 0 - на низкую) или Pulse Amplitude Modulation, которая используется в Ethernet, и многие другие!