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 .
Термин « цифровой сигнал» имеет схожие определения в разных контекстах.
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 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 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.
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.
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.
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.
Цифровое представление может иметь только определенные дискретные значения
представляют собой импульсы фиксированной ширины, которые занимают только один из двух уровней амплитуды.
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.