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 или другого электромагнитного поля , акустическое давление, намагниченность магнитного носителя информации и т. д. Цифровые сигналы используются во всей цифровой электронике , особенно в вычислительном оборудовании и передаче данных .
Термин «цифровой сигнал» имеет связанные определения в разных контекстах.
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 между низким и высоким уровнем сигнала.
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 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 цифровой связи цифровой сигнал представляет собой физический сигнал, непрерывный во времени, чередующийся между дискретным количеством сигналов, [3] представляющих поток битов . Форма сигнала зависит от схемы передачи, которая может быть либо схемой линейного кодирования , обеспечивающей передачу в основной полосе частот ; 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.
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.
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.
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.
Цифровое представление может иметь только определенные дискретные значения.
Цифровые сигналы представляют собой импульсы фиксированной ширины, занимающие только один из двух уровней амплитуды.
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.