Цифровой сигнал
Цифровой сигнал — это сигнал , который представляет данные как последовательность дискретных значений; в любой момент времени он может принимать не более одного из конечного числа значений. [1] [2] [3] Это контрастирует с аналоговым сигналом , который представляет собой непрерывные значения; в любой момент времени он представляет собой действительное число в непрерывном диапазоне значений.
Простые цифровые сигналы представляют информацию в дискретных диапазонах аналоговых уровней. Все уровни внутри диапазона значений представляют одно и то же информационное состояние . [1] В большинстве цифровых схем сигнал может иметь два возможных допустимых значения; это называется двоичным сигналом или логическим сигналом . [4] Они представлены двумя диапазонами напряжений: один около опорного значения (обычно называемого « земля» или «ноль вольт»), а другой — вблизи напряжения питания. Они соответствуют двум значениям «ноль» и «один» (или «ложь» и «истина») логического домена , поэтому в любой момент времени двоичный сигнал представляет одну двоичную цифру (бит). Из-за такой дискретизации относительно небольшие изменения уровней аналогового сигнала не выходят за пределы дискретной огибающей и в результате игнорируются схемами определения состояния сигнала. В результате цифровые сигналы обладают помехоустойчивостью ; Электронный шум , если он не слишком велик, не влияет на цифровые схемы, тогда как шум всегда в некоторой степени ухудшает работу аналоговых сигналов. [5]
Иногда используются цифровые сигналы, имеющие более двух состояний; Схема, использующая такие сигналы, называется многозначной логикой . Например, сигналы, которые могут принимать три возможных состояния, называются трехзначной логикой .
В цифровом сигнале физической величиной, представляющей информацию, может быть переменный электрический ток или напряжение, интенсивность, фаза или поляризация оптического информации или другого электромагнитного поля , акустическое давление, намагниченность магнитного носителя и т. д. Цифровые сигналы используются во всей цифровой электронике , особенно в вычислительном оборудовании и передаче данных .
Определения [ править ]
Термин «цифровой сигнал» имеет связанные определения в разных контекстах.
В цифровой электронике [ править ]
В цифровой электронике цифровой сигнал представляет собой импульсно-амплитудно-модулированный сигнал, то есть последовательность электрических импульсов фиксированной ширины или световых импульсов, каждый из которых занимает один из дискретного числа уровней амплитуды. [6] [7] Особым случаем является логический сигнал или двоичный сигнал , уровень которого варьируется от низкого до высокого.
Последовательности импульсов в цифровых схемах обычно генерируются устройствами на полевых транзисторах металл-оксид-полупроводник (MOSFET) из-за их быстрой скорости электронного переключения включения -выключения и возможности крупномасштабной интеграции (LSI). [8] [9] Напротив, BJT транзисторы медленнее генерируют аналоговые сигналы, напоминающие синусоидальные волны . [8]
В обработке сигналов [ править ]
В цифровой обработке сигналов цифровой сигнал представляет собой представление физического сигнала, который дискретизируется и квантовается. Цифровой сигнал — это абстракция, дискретная по времени и амплитуде. Значение сигнала существует только через регулярные промежутки времени, поскольку только значения соответствующего физического сигнала в эти моменты выборки имеют значение для дальнейшей цифровой обработки. Цифровой сигнал представляет собой последовательность кодов, взятую из конечного набора значений. [10] Цифровой сигнал может храниться, обрабатываться или передаваться физически как сигнал импульсно-кодовой модуляции (ИКМ).
В коммуникациях [ править ]
В цифровой связи цифровой сигнал представляет собой физический сигнал, непрерывный во времени, чередующийся между дискретным количеством сигналов, [3] представляющий битовый поток . Форма сигнала зависит от схемы передачи, которая может быть либо схемой линейного кодирования , обеспечивающей в основной полосе частот передачу ; или схема цифровой модуляции , обеспечивающая передачу в полосе пропускания по длинным проводам или в ограниченном диапазоне радиочастот. Такая синусоидальная волна с модулированной несущей считается цифровым сигналом в литературе по цифровой связи и передаче данных. [11] но рассматривается как поток битов, преобразованный в аналоговый сигнал в электронике и компьютерных сетях. [12]
В средствах связи обычно присутствуют источники помех, и шум часто представляет собой серьезную проблему. Эффекты помех обычно минимизируются за счет максимально возможной фильтрации мешающих сигналов и использования избыточности данных . Основными преимуществами цифровых сигналов для связи часто считаются помехоустойчивость и способность во многих случаях, например, с аудио- и видеоданными, использовать сжатие данных , чтобы значительно уменьшить полосу пропускания, необходимую для средств связи.
Уровни логического напряжения [ править ]
Сигнал , который переключает два состояния логического значения (0 и 1, или низкое и высокое, или ложное и истинное), называется цифровым сигналом , логическим сигналом или двоичным сигналом , когда он интерпретируется с точки зрения только двух возможных значений. цифры.
Эти два состояния обычно представляют собой некоторые измерения электрических свойств: напряжение является наиболее распространенным, но ток используется в некоторых логических семействах. Для каждого семейства логических схем обычно определяются два диапазона напряжений, которые часто не являются непосредственно соседними. Сигнал низкий в нижнем диапазоне и высокий в верхнем диапазоне, а между этими двумя диапазонами поведение может различаться в зависимости от типа ворот.
Тактовый сигнал — это специальный цифровой сигнал, который используется для синхронизации многих цифровых схем. Показанное изображение можно рассматривать как форму тактового сигнала. Логические изменения инициируются либо нарастающим, либо спадающим фронтом. Нарастающий фронт — это переход от низкого напряжения (уровень 1 на схеме) к высокому напряжению (уровень 2). Спадающий фронт – это переход от высокого напряжения к низкому.
Хотя в сильно упрощенной и идеализированной модели цифровой схемы мы можем желать, чтобы эти переходы происходили мгновенно, ни одна реальная схема не является чисто резистивной и, следовательно, ни одна схема не может мгновенно изменять уровни напряжения. Это означает, что в течение короткого и конечного времени перехода выходной сигнал может не отражать должным образом входной сигнал и не будет соответствовать ни логически высокому, ни низкому напряжению.
Модуляция [ править ]
Чтобы создать цифровой сигнал, аналоговый сигнал должен быть промодулирован управляющим сигналом для его создания. Самая простая модуляция, тип униполярного кодирования , заключается в простом включении и выключении сигнала постоянного тока так, чтобы высокое напряжение представляло «1», а низкое напряжение — «0».
В схемах цифровой радиосвязи одна или несколько несущих волн модулируются по амплитуде , частоте или фазе управляющим сигналом для создания цифрового сигнала, пригодного для передачи.
Асимметричная цифровая абонентская линия (ADSL) по телефонным проводам в основном не использует двоичную логику; цифровые сигналы для отдельных несущих модулируются с помощью различной логики, в зависимости от пропускной способности Шеннона отдельного канала.
Тактирование [ править ]
Цифровые сигналы могут дискретизироваться с помощью тактового сигнала через равные промежутки времени, пропуская сигнал через триггер . Когда это будет сделано, входной сигнал измеряется по фронту тактовой частоты, а также сигнал с этого момента. Затем сигнал сохраняется устойчивым до следующего такта. Этот процесс лежит в основе синхронной логики .
Также существует асинхронная логика , которая не использует единый тактовый сигнал и обычно работает быстрее и может потреблять меньше энергии, но ее значительно сложнее спроектировать.
См. также [ править ]
Ссылки [ править ]
- ^ Перейти обратно: а б Роберт К. Дуек (2005). Цифровой дизайн с использованием приложений CPLD и VHDL . Томсон/Дельмар Обучение. ISBN 1401840302 . Архивировано из оригинала 17 декабря 2017 г. Проверено 30 августа 2017 г.
Цифровое представление может иметь только определенные дискретные значения.
- ^ Проакис, Джон Г.; Манолакис, Димитрис Г. (1 января 2007 г.). Цифровая обработка сигналов . Пирсон Прентис Холл. ISBN 9780131873742 . Архивировано из оригинала 20 мая 2016 г. Проверено 22 сентября 2015 г.
- ^ Перейти обратно: а б Методы аналоговой и цифровой связи. Архивировано 17 декабря 2017 г. в Wayback Machine : «Цифровой сигнал представляет собой сложную форму сигнала и может быть определен как дискретная форма сигнала, имеющая конечный набор уровней».
- ^ «Цифровой сигнал» . Архивировано из оригинала 4 марта 2016 г. Проверено 13 августа 2016 г.
- ^ Горовиц, Пол; Хилл, Уинфилд (1989). Искусство электроники, 2-е изд . Издательство Кембриджского университета. стр. 471–473. ISBN 0521370957 .
- ^ Б. СОМАНАТАН НАИР (2002). Цифровая электроника и логическое проектирование . PHI Learning Pvt. ООО с. 289. ИСБН 9788120319561 .
Цифровые сигналы представляют собой импульсы фиксированной ширины, занимающие только один из двух уровней амплитуды.
- ^ Джозеф Риверс Кизза (2005). Безопасность компьютерных сетей . Springer Science & Business Media. ISBN 9780387204734 .
- ^ Перейти обратно: а б «Применение МОП-транзисторов в современных конструкциях силового переключения» . Электронный дизайн . 23 мая 2016 г. Архивировано из оригинала 10 августа 2019 г. . Проверено 10 августа 2019 г.
- ^ 2000 Решенные проблемы цифровой электроники . Тата МакГроу-Хилл Образование . 2005. с. 151. ИСБН 978-0-07-058831-8 .
- ^ Винод Кумар Кханна (2009). Цифровая обработка сигналов . С. Чанд. п. 3. ISBN 9788121930956 .
Цифровой сигнал — это особая форма сигнала дискретного времени, который дискретен как по времени, так и по амплитуде, полученный путем разрешения каждому значению (выборке) сигнала дискретного времени приобретать конечный набор значений (квантование) с присвоением ему числового значения. символ согласно коду... Цифровой сигнал — это последовательность или список чисел, взятых из конечного множества.
- ^ АОХитоде, Системы связи , 2008: «Когда цифровой сигнал передается на большое расстояние, ему необходима модуляция CW».
- ^ Фред Халсолл, Компьютерные сети и Интернет : «Чтобы передать цифровой сигнал по аналоговой абонентской линии, необходимо использовать модулированную передачу; то есть электрический сигнал, который представляет собой двоичный поток битов исходного (цифрового) выхода, должен сначала быть преобразован в аналоговый сигнал, совместимый с (телефонным) речевым сигналом».
Внешние ссылки [ править ]
- Монти Монтгомори. Цифровое шоу и рассказ .
- CodSim 2.0: Виртуальная лаборатория с открытым исходным кодом для моделей передачи цифровых данных. Кафедра компьютерной архитектуры, Университет Малаги. Имитирует кодирование цифровых линий и цифровые модуляции. Написано в HTML для любого веб-браузера.
Линейное кодирование (цифровая передача в основной полосе частот) |
|---|
| Базы данных органов управления : Национальные |
|---|
