Загальне запитання про аналогові та цифрові сигнали

Попередження для новачків: Я не інженер-електрик, і ніколи не займався електротехнікою, тому будь ласка, майте мене.

Щоразу, коли я читаю про відмінність між цифровими та аналоговими сигналами, звичайно додається така графіка (або схожа на цю):

Розгляньте на мить нижню ілюстрацію (цифровий сигнал). Наскільки я розумію, електричний струм є безперервним, тому, якщо це так, немає жодного способу він протікати таким чином у будь-якому середовищі. Іншими словами: "квадратних хвиль" немає.
То що саме це зображує?
Це просто інтерпретація, коли напруга проходить якийсь бар'єр або потрапляє під нього? Значить, коли напруга вище деякого довільно обраного порогу, ми вважаємо її "високою", але в іншому випадку ми вважаємо її "низькою"?

Будь ласка, я знаю, що це не завжди можливо, але спробуйте відповісти таким чином, щоб зрозумів мирянин.

В принципі, з електричної точки зору, кожен "цифровий" сигнал є, як ви кажете, лише наближенням квадратної хвилі. Зокрема, це матиме обмежений час підйому та падіння.

На великих швидкостях може бути важко переконатися, що це виглядає так добре, як хоче теорія. Для того, щоб сигнал все-таки був розпізнаний як цифровий (тобто приймач не заплутався в жахливій формі сигналу), так звана діаграма очей (ака- очна картина ) використовується для вимірювання його характеристик у ряді зразків.

Багато стандартів (наприклад, USB, а що ні) визначають деякі прийнятні характеристики для цієї діаграми.

Зауважте, що малюнок / діаграма очей не обмежується лише двома рівнями [напруги]. Він також застосований, коли у вас є будь-яка кількість дискретних рівнів виходу. Наприклад, Gigabit Ethernet над крученими парами (1000BASE-T) використовує не два, а 5 різних рівнів напруги.

Це лише наша інтерпретація того, що коли напруга проходить якийсь бар'єр або потрапляє під нього? Значить, коли напруга вище деякого довільно обраного порогу, ми вважаємо її "високою", але в іншому випадку ми вважаємо її "низькою"?

В основному, так, саме так воно працює, деякі пороги напруги для того, що є "1", а що "0", визначаються деяким стандартом.

Цифрові сигнали є бінарними . Вони мають лише два стани - увімкнено або вимкнено, високе або низьке, вгору або вниз - як би ви їх не хотіли назвати. Як ви зрозуміли, існує деякий поріг, над яким значення вважається високим, та інший поріг, нижче якого значення вважається низьким. Цифровий дуже просто зробити з транзисторами, або їх повністю включити, або повністю вимкнути.

Аналогові сигнали аналогічні кількості, яку вони вимірюють. наприклад, ваги можуть видавати напругу, пропорційну навантаженню - скажімо, від 0 до 10 В для вантажу від 0 до 200 кг. Інший приклад - сигнал від мікрофона, який змінюється залежно від звукового тиску, що впливає на діафрагму мікрофона. У цьому випадку частота буде змінюватися залежно від висоти звуку, а амплітуда буде змінюватися залежно від гучності.

Якось ти набрав трохи плутанини; дозвольте мені побачити, чи можу я допомогти.

Що стосується "цифрових сигналів", існує більше одного рівня, на якому цей термін застосовується. Здається, ви отримуєте уявлення про аналогові сигнали - безперервне значення, яке змінюється з часом.

Цифровий "аналог" (вибачте за каламбур) - це замість серії числових значень; кожне числове значення відповідає моменту часу і зазвичай точки розташовані через регулярні проміжки часу. Крім того, у процесі є доступний діапазон числових значень, і зазвичай це деяка потужність двох - наприклад, 256 значень для восьми біт або 65,536 значень для 16 біт, якщо спосіб представлення значень здійснюється бінарними словами.

Тепер те, що я тільки що описав, - це абстракція; цифровий сигнал можна передавати, розмахуючи прапорами семафору, якщо хтось захоче. Але якщо замість цього ми вирішимо представляти цифровий сигнал через набір електричних сигналів, розташованих по одному провіднику на біт паралельно, то кожен із цих сигналів справді є аналоговим сигналом, як тут пропонували інші. Завдання електроніки - генерувати ці сигнали та приймати / декодувати їх відповідно.

Також ви можете передавати цифрові сигнали послідовно замість паралельно, надсилаючи кожен біт кожного значення послідовно; ви можете зробити це над одним провідником замість того, як багато біт, які ви використовуєте, і, як було сказано тут, є схеми, які є складнішими, ніж використання лише одного "високого" напруги або струму для позначення "1" або "true" і "низька" або нульова напруга або струм для позначення "0" або "false".

І ви маєте рацію - аналоговий сигнал ніколи не може миттєво змінитись; причин для цього багато, і я тут не вдаваюся в них, окрім одного: зміни струму в провіднику завжди чинять опір самим собі (це випливає прямо з рівнянь Фарадея). Але на практиці при проектуванні цифрових мікросхем ідея полягає в тому, щоб перехід між станами був досить коротким відносно довжини найменшого інтервалу між переходами, що не має значення. Це припущення починає виходити з ладу, наприклад, якщо ви використовуєте занадто довгий кабель Ethernet, наприклад.

Цифровий сигнал не хоче представляти аналоговий сигнал як "квадратні речі", тому коли ви бачите 1 в цифровому сигналі, його не еквівалентно високій амплітуді в синологічному синглі, але він хоче представляти висоту амплітуди до різний час у вигляді числа (але у двійковому форматі). Так багато двійкових чисел хочуть представляти висоту амплітуди до одного конкретного часу.

Розгляньте цю картинку з BBC:

Наведений вище графік є аналоговою формою. З цього значення приймається щосекунди (але це може перевищувати 40 мільйонів разів, секунди і набагато більше). Це значення - висота амплітуди аналогового сигналу.

Давайте називаємо це "кроком", коли ми приймаємо значення.

На кожному кроці записується висота амплітуди. Висота - це число, яке можна представити як 0 і 1 (наприклад, 10 було б 1010).

Розумієте, чим більше значень ми вимірюємо кожну секунду, тим більше даних потрібно зберігати / передавати і тим точнішим буде цифровий формат цього аналогового сигналу.

Крім того, чим вище може бути значення, тим точнішим буде і отриманий цифровий формат. (наприклад, коли ми беремо значення від 0 до 10, є лише 10 значень - не дуже точні. Коли ми перестроїмо цей цифровий сигнал в аналоговий, крива буде не дуже "хорошою". Але коли ми беремо значення від 0 до 16000, це буде набагато точніше.) Також тут потрібно зберігати більше бітів на кожному кроці.

Якщо ви зберігаєте 64Bit кожного кроку, а крок робиться раз на секунду, ви економите 64Bit / s. Якщо ви зберігаєте 32Bit кожного кроку, а крок робиться двічі на секунду, ви також економите 64Bit / s. Якщо ви зберігаєте 16Bit кожного кроку, а крок робиться 4 рази на секунду, у вас також 64Bit / s.

Існує багато способів передачі цифрового сигналу. Наприклад, шляхом "зміни напруги", яка називається "Амплітудна модуляція", яка показана на вашому графіку (але, звичайно, її НІКОЛИ не ідеальний квадрат!). Модуляція амплітуди просто означає, що ви визначаєте, що є велика амплітуда (велика напруга) 1 і низька 0.

Є такі методи модуляції, як частотна модуляція (FM, яка використовується з радіостанціями - ви вказуєте 1 з високою частотою і 0 з низькою) або імпульсна амплітудна модуляція, яка використовується в Ethernet та багато інших!