stringtranslate.com

Цифровой сигнал

Двоичный сигнал, также известный как логический сигнал, представляет собой цифровой сигнал с двумя различимыми уровнями.

Цифровой сигнал — это сигнал , представляющий данные в виде последовательности дискретных значений; в любой момент времени он может принимать максимум одно из конечного числа значений. [1] [2] [3] Это контрастирует с аналоговым сигналом , который представляет непрерывные значения; в любой момент времени он представляет собой действительное число в непрерывном диапазоне значений.

Простые цифровые сигналы представляют информацию в дискретных полосах аналоговых уровней. Все уровни в полосе 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 полосами напряжения: одна около опорного значения (обычно называемого землей или нулевым вольтом), а другая — около напряжения питания. Они соответствуют двум значениям «ноль» и «один» (или «ложь» и «истина») булевой области , поэтому в любой момент времени двоичный сигнал представляет одну двоичную цифру (бит). Из-за этой дискретизации относительно небольшие изменения уровней аналогового сигнала не покидают дискретную огибающую и, как следствие, игнорируются схемой определения состояния сигнала. В результате цифровые сигналы обладают помехоустойчивостью ; электронный шум , если он не слишком велик, не повлияет на цифровые схемы, тогда как шум всегда в некоторой степени ухудшает работу аналоговых сигналов. [5]

Иногда используются цифровые сигналы, имеющие более двух состояний; схемы, использующие такие сигналы, называются многозначной логикой . Например, сигналы, которые могут принимать три возможных состояния, называются трехзначной логикой .

В цифровом сигнале физическая величина, представляющая информацию, может быть переменным электрическим током или напряжением, интенсивностью, фазой или поляризацией оптического или другого электромагнитного поля , акустическим давлением, намагниченностью магнитного носителя информации и т. д. Цифровые сигналы используются во всей цифровой электронике , в частности, в вычислительном оборудовании и в передаче данных .

Принятый цифровой сигнал может быть искажен шумом и искажениями, не обязательно влияющими на цифры.

Определения

Термин « цифровой сигнал» имеет схожие определения в разных контекстах.

В цифровой электронике

Пятиуровневый цифровой сигнал PAM

В цифровой электронике цифровой сигнал представляет собой амплитудно-импульсный модулированный сигнал, т. е. 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 , который изменяется между низким и высоким уровнем сигнала.

Последовательности импульсов в цифровых схемах обычно генерируются полевыми транзисторами на основе металл-оксид-полупроводника (MOSFET) из-за их быстрой скорости электронного переключения и возможности крупномасштабной интеграции (LSI). [8] [9] Напротив, транзисторы BJT медленнее генерируют аналоговые сигналы, напоминающие синусоиды . [8]

В обработке сигналов

В обработке сигналов цифровой сигнал представляет собой абстракцию, дискретную по времени и амплитуде, то есть существующую только в определенные моменты времени.

В цифровой обработке сигналов цифровой сигнал — это представление физического сигнала, который дискретизирован и квантован. Цифровой сигнал — это абстракция, которая дискретна по времени и амплитуде. Значение сигнала существует только в регулярные интервалы времени, поскольку только значения соответствующего физического сигнала в эти дискретизированные моменты имеют значение для дальнейшей цифровой обработки. Цифровой сигнал — это последовательность кодов, взятых из конечного набора значений. [10] Цифровой сигнал может храниться, обрабатываться или передаваться физически как сигнал импульсно-кодовой модуляции (ИКМ).

В сфере коммуникаций

Сигнал частотной манипуляции (FSK) чередуется между двумя формами волн и позволяет осуществлять передачу в полосе пропускания. Он считается средством цифровой передачи данных .
Цифровой сигнал с кодировкой AMI, используемый при передаче в основной полосе частот (линейное кодирование).

В цифровой связи цифровой сигнал — это непрерывный во времени физический сигнал, чередующийся между дискретным числом форм волн, [3] представляющий собой поток битов . Форма формы волны зависит от схемы передачи, которая может быть либо схемой линейного кодирования, допускающей передачу в основной полосе частот ; либо схемой цифровой модуляции , допускающей передачу в полосе пропускания по длинным проводам или по ограниченному диапазону радиочастот. Такая модулированная несущей синусоида 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 коммуникациях обычно присутствуют источники помех, и шум часто является значительной проблемой. Эффект помех обычно минимизируется путем максимально возможной фильтрации мешающих сигналов и использования избыточности данных . Главными преимуществами цифровых сигналов для коммуникаций часто считаются помехоустойчивость и возможность, во многих случаях, например, с аудио- и видеоданными, использовать сжатие данных для значительного уменьшения полосы пропускания, требуемой для средств связи.

Уровни логического напряжения

Форма сигнала логики: (1) низкий уровень, (2) высокий уровень, (3) нарастающий фронт и (4) спадающий фронт.

Сигнал , который переключается, представляя два состояния логического значения (0 и 1, или низкий и высокий, или ложь и истина), называется цифровым сигналом , логическим сигналом или двоичным сигналом, если он интерпретируется в терминах только двух возможных цифр.

Два состояния обычно представлены некоторым измерением электрического свойства: напряжение является наиболее распространенным, но ток используется в некоторых логических семействах. Обычно для каждого логического семейства определяются два диапазона напряжений, которые часто не являются непосредственно смежными. Сигнал низкий, когда находится в нижнем диапазоне, и высокий, когда находится в верхнем диапазоне, а между двумя диапазонами поведение может различаться для разных типов вентилей.

Тактовый сигнал — это специальный цифровой сигнал, который используется для синхронизации многих цифровых схем. Показанное изображение можно считать формой сигнала тактового сигнала. Логические изменения запускаются либо нарастающим фронтом, 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 поэтому ни одна схема не может мгновенно изменять уровни напряжения. Это означает, что в течение короткого, конечного времени перехода выход может не отражать должным образом вход и не будет соответствовать ни логически высокому, ни логически низкому напряжению.

Модуляция

Чтобы создать цифровой сигнал, аналоговый сигнал должен быть промодулирован управляющим сигналом для его создания. Простейшая модуляция, тип униполярного кодирования , заключается в простом включении и выключении сигнала постоянного тока так, чтобы высокие напряжения представляли «1», а низкие напряжения — «0».

В схемах цифровой радиосвязи одна или несколько несущих волн модулируются по амплитуде , частоте или фазе управляющим сигналом для получения цифрового сигнала, пригодного для передачи.

Асимметричная цифровая абонентская линия (ADSL) по телефонным проводам в основном не использует двоичную логику; цифровые сигналы для отдельных носителей модулируются с использованием различных логических схем в зависимости от пропускной способности Шеннона отдельного канала.

Клокинг

Тактирование цифровых сигналов через тактируемый триггер

Цифровые сигналы могут быть выбраны тактовым сигналом через регулярные интервалы, пропуская сигнал через триггер . Когда это сделано, вход измеряется на фронте тактового сигнала, и сигнал с этого времени. Затем сигнал удерживается стабильным до следующего такта. Этот процесс является основой синхронной логики .

Существует также асинхронная логика , которая не использует единый тактовый генератор и, как правило, работает быстрее и может потреблять меньше энергии, но ее значительно сложнее проектировать.

Смотрите также

Ссылки

  1. ^ Роберт К. Дуек (2005). Цифровое проектирование с использованием приложений CPLD и VHDL. Thomson/Delmar Learning. ISBN 1401840302. Архивировано из оригинала 2017-12-17 . Получено 2017-08-30 . Цифровое представление может иметь только определенные дискретные значения
  2. ^ Проакис, Джон Г.; Манолакис, Димитрис Г. (2007-01-01). Цифровая обработка сигналов. Pearson Prentice Hall. ISBN 9780131873742. Архивировано из оригинала 2016-05-20 . Получено 2015-09-22 .
  3. ^ ab Аналоговые и цифровые методы связи Архивировано 17 декабря 2017 г. на Wayback Machine : «Цифровой сигнал — это сложная форма волны, которая может быть определена как дискретная форма волны, имеющая конечный набор уровней»
  4. ^ "Digital Signal". Архивировано из оригинала 2016-03-04 . Получено 2016-08-13 .
  5. ^ Горовиц, Пол; Хилл, Уинфилд (1989). Искусство электроники, 2-е изд. Издательство Кембриджского университета. С. 471–473. ISBN 0521370957.
  6. ^ B. SOMANATHAN NAIR (2002). Цифровая электроника и логическое проектирование . PHI Learning Pvt. Ltd. стр. 289. ISBN 9788120319561Цифровые сигналы представляют собой импульсы фиксированной ширины, которые занимают только один из двух уровней амплитуды.
  7. ^ Джозеф Мигга Кицца (2005). Безопасность компьютерных сетей . Springer Science & Business Media. ISBN 9780387204734.
  8. ^ ab "Applying MOSFETs to Today's Power-Switching Designs". Electronic Design . 23 мая 2016 г. Архивировано из оригинала 10 августа 2019 г. Получено 10 августа 2019 г.
  9. ^ 2000 Решенные задачи по цифровой электронике. Tata McGraw-Hill Education . 2005. стр. 151. ISBN 978-0-07-058831-8.
  10. ^ Винод Кумар Кханна (2009). Цифровая обработка сигналов. С. Чанд. стр. 3. ISBN 9788121930956. Цифровой сигнал — это особая форма дискретного по времени сигнала, который является дискретным как по времени, так и по амплитуде, получаемая путем разрешения каждому значению (выборке) дискретного по времени сигнала приобретать конечный набор значений (квантование), присваивая ему числовой символ в соответствии с кодом... Цифровой сигнал — это последовательность или список чисел, взятых из конечного набора.
  11. ^ JSChitode, Communication Systems, 2008: «Когда цифровой сигнал передается на большое расстояние, ему необходима модуляция CW».
  12. ^ Фред Холсолл, Компьютерные сети и Интернет: «Чтобы передать цифровой сигнал по аналоговой абонентской линии, необходимо использовать модулированную передачу; то есть электрический сигнал, представляющий собой двоичный поток бит исходного (цифрового) выхода, должен быть сначала преобразован в аналоговый сигнал, совместимый с (телефонным) речевым сигналом».

Внешние ссылки