Domanda generale sui segnali analogici e digitali

Avviso per principianti: non sono un ingegnere elettrico, né ho mai preso ingegneria elettrica, quindi per favore abbi pazienza con me.

Ogni volta che leggo della distinzione tra segnali digitali e analogici, di solito viene allegata una grafica come questa (o simile a questa):

Considera l'illustrazione in basso per un momento (segnale digitale). Per quanto ne so, la corrente elettrica è continua, quindi se è così, non vi è alcun modo in cui fluirà in questo modo su qualsiasi mezzo. In altre parole: non ci sono "onde quadrate".
Quindi cosa rappresenta esattamente?
È solo interpretazione, ogni volta che la tensione supera una barriera o cade sotto di essa? Vale a dire, quando la tensione è al di sopra di una soglia scelta arbitrariamente, la consideriamo "alta" ma altrimenti la consideriamo "bassa"?

Per favore, so che questo non è sempre possibile, ma cerca di rispondere in un modo che un laico capisca.

Fondamentalmente, dal punto di vista elettrico, ogni segnale "digitale" è come dici tu, solo un'approssimazione di un'onda quadra. In particolare avrà tempi di salita e discesa finiti.

Alle alte velocità, può essere difficile assicurarsi che appaia bello come vuole la teoria. Per garantire che il segnale sia ancora rilevato come digitale (ovvero che il ricevitore non sia completamente confuso da un segnale di forma orribile), il cosiddetto diagramma degli occhi (noto anche come schema degli occhi ) viene utilizzato per misurare le sue caratteristiche su un numero di campioni.

Molti standard (ad es. USB e quant'altro) definiscono alcune caratteristiche accettabili per questo diagramma.

Si noti che un diagramma / diagramma a occhio non è limitato a due soli livelli di [tensione]. È applicabile anche quando si dispone di un numero qualsiasi di livelli di output discreti . Ad esempio, Gigabit Ethernet su doppini (1000BASE-T) utilizza non due ma 5 livelli di tensione diversi.

È solo una nostra interpretazione ogni volta che la tensione supera una barriera o cade sotto di essa? Vale a dire, quando la tensione è al di sopra di una soglia scelta arbitrariamente, la consideriamo "alta" ma altrimenti la consideriamo "bassa"?

Fondamentalmente, sì, è così che funziona, alcune soglie di tensione per ciò che è "1" e ciò che è "0" sono decise da un certo standard.

I segnali digitali sono binari . Hanno solo due stati: acceso o spento, alto o basso, su o giù - qualunque cosa tu voglia chiamarli. Come hai dedotto, c'è una soglia al di sopra della quale il valore è considerato alto e un'altra soglia al di sotto della quale il valore è considerato basso. Il digitale è molto semplice da fare con i transistor attivandoli o spegnendoli completamente.

I segnali analogici sono analoghi alla quantità che stanno misurando. Ad esempio, una bilancia potrebbe emettere una tensione proporzionale al carico, ad esempio da 0 a 10 V per un carico da 0 a 200 kg. Un altro esempio è il segnale proveniente da un microfono che varia con la pressione del suono che influenza il diaframma del microfono. In questo caso la frequenza varierà con l'intonazione del suono e l'ampiezza varierà con il volume.

In qualche modo hai colto un po 'di confusione; fammi vedere se posso aiutare.

Quando si parla di "segnali digitali", esiste più di un livello a cui si applica quel termine. Sembra che tu abbia l'idea dei segnali analogici, un valore continuo che cambia nel tempo.

L '"analogo" digitale (scusate il gioco di parole) è invece una serie di valori numerici; ogni valore numerico corrisponde a un punto nel tempo e di solito i punti sono distanziati a intervalli di tempo regolari. Inoltre, esiste una gamma di valori numerici disponibili per il processo e di solito questa è una potenza di due, ad esempio 256 valori per otto bit o 65.536 valori per 16 bit se il modo in cui si rappresentano i valori è in parole binarie.

Ora quello che ho appena descritto è un'astrazione; un segnale digitale può essere trasmesso agitando bandiere di semafori se qualcuno lo sceglie. Ma se invece scegliamo di rappresentare un segnale digitale tramite un insieme di segnali elettrici disposti in parallelo un conduttore per bit, ciascuno di questi segnali è effettivamente un segnale analogico come altri suggerivano qui. È compito dell'elettronica, quindi, generare quei segnali e riceverli / decodificarli di conseguenza.

Inoltre, è possibile trasmettere segnali digitali in serie anziché in parallelo inviando in sequenza ciascun bit di ciascun valore; puoi farlo su un singolo conduttore anziché per quanto valga la pena usare molti bit e come è stato anche detto qui, ci sono schemi che sono più complessi dell'uso di una sola tensione o corrente "alta" per indicare "1" oppure "vero" e una tensione o corrente "bassa" o zero per indicare "0" o "falso".

E hai ragione: un segnale analogico non può mai avere un cambiamento istantaneo; le ragioni di ciò sono molte e non entrerò in tutte qui tranne una: i cambiamenti di corrente in un conduttore si oppongono sempre a se stessi (che segue proprio dalle equazioni di Faraday). Ma in pratica, quando si progettano circuiti digitali, l'idea è che la transizione tra gli stati sia abbastanza breve rispetto alla lunghezza dell'intervallo più piccolo tra le transizioni che non ha importanza. Tale presupposto inizia a fallire quando si utilizza un cavo Ethernet troppo lungo, ad esempio.

Il segnale digitale non vuole rappresentare il segnale analogico come "cose ​​quadrate", quindi quando vedi un 1 in un segnale digitale non equivale a un'ampiezza elevata nel anlog singal, ma vuole rappresentare l'altezza dell'ampiezza a tempi diversi come un numero (ma in formato binario). Così tanti numeri binari vogliono rappresentare l'altezza dell'ampiezza per un tempo specifico.

Considera questa immagine dalla BBC:

Il grafico sopra è la forma analogica. Da ciò, viene preso un valore ogni secondo (ma questo può arrivare fino a 40 milioni di volte al secondo e molto di più). Questo valore è l'altezza di ampiezza del segnale analogico.

Chiamiamolo "passo" quando prendiamo il valore.

In ogni passaggio, viene registrata l'altezza dell'ampiezza. L'altezza è un numero, che può essere rappresentato come 0 e 1 (ad esempio 10 sarebbe 1010).

Vedete, più valori misuriamo ogni secondo, più dati devono essere salvati / trasmessi e più accurato sarà il formato digitale risultante di questo segnale analogico.

Inoltre, più alto è il valore, più accurato sarà anche il formato digitale risultante. (ad esempio quando prendiamo valori da 0 a 10, ci sono solo 10 valori - non molto precisi. Quando rimoduliamo questo segnale digitale in uno analogico, la curva non sarebbe molto "buona". Ma quando prendiamo valori da 0 a 16000, questo sarà molto più preciso.) Inoltre è necessario salvare più bit qui ad ogni passo.

Se si salva 64 bit a ogni passaggio e il passaggio viene eseguito una volta al secondo, si risparmia 64 bit / s. Se si salva 32 bit per passaggio e il passaggio viene eseguito due volte al secondo, si risparmiano anche 64 bit / s. Se si salva 16 bit per passaggio e il passaggio viene eseguito 4 volte al secondo, sono disponibili anche 64 bit / s.

Esistono molti modi per trasmettere un segnale digitale. Ad esempio "cambiando la tensione" che si chiama "Modulazione di ampiezza", che viene mostrata nel tuo grafico (ma ovviamente non è MAI un quadrato perfetto!). Modulazione di ampiezza significa solo che hai un 1 con un'ampiezza elevata (alta tensione) e uno 0 con una bassa.

Esistono altre tecniche di modulazione come la modulazione di frequenza (FM che viene utilizzata con le radio - si indica un 1 con un'alta frequenza e uno 0 con una bassa) o la modulazione dell'ampiezza dell'impulso che viene utilizzata in Ethernet e molte altre ancora!