Allgemeine Frage zu analogen und digitalen Signalen

Newbie-Warnung: Ich bin kein Elektrotechniker und habe auch noch nie Elektrotechnik studiert. Bitte nehmen Sie mich mit.

Wenn ich über die Unterscheidung zwischen digitalen und analogen Signalen lese, wird normalerweise eine Grafik wie diese (oder eine ähnliche) beigefügt:

Betrachten Sie für einen Moment die untere Abbildung (digitales Signal). Nach meinem besten Verständnis ist elektrischer Strom kontinuierlich, und wenn dies der Fall ist, kann er in keinem Medium auf diese Weise fließen. Mit anderen Worten: Es gibt keine "Rechteckwellen".
Was genau zeigt das?
Ist es nur eine Interpretation, wann immer die Spannung eine Barriere passiert oder darunter fällt? Das heißt, wenn die Spannung über einer willkürlich gewählten Schwelle liegt, betrachten wir sie als "hoch", aber ansonsten als "niedrig"?

Bitte, ich weiß, dass dies nicht immer möglich ist, aber versuchen Sie, auf eine Weise zu antworten, die ein Laie verstehen würde.

Unter elektrischen Gesichtspunkten ist jedes "digitale" Signal, wie Sie sagen, nur eine Annäherung an eine Rechteckwelle. Insbesondere wird es endliche Anstiegs- und Abfallzeiten geben.

Bei hohen Geschwindigkeiten kann es schwierig sein, sicherzustellen, dass es so gut aussieht, wie es die Theorie will. Um sicherzustellen, dass das Signal weiterhin als digital erkannt wird (dh der Empfänger wird nicht durch ein schrecklich geformtes Signal völlig verwirrt), wird das sogenannte Augendiagramm (auch als Augenmuster bezeichnet ) verwendet, um seine Eigenschaften über eine Reihe von Proben zu messen.

Viele Standards (z. B. USB und was nicht) definieren einige akzeptable Eigenschaften für dieses Diagramm.

Beachten Sie, dass ein Augenmuster / -diagramm nicht nur auf zwei [Spannungs-] Ebenen beschränkt ist. Es ist auch anwendbar, wenn Sie eine beliebige Anzahl von diskreten Ausgangspegeln haben. Beispielsweise verwendet Gigabit-Ethernet über Twisted Pair (1000BASE-T) nicht zwei, sondern fünf verschiedene Spannungspegel.

Ist es nur unsere Interpretation, wann immer die Spannung eine Barriere passiert oder darunter fällt? Das heißt, wenn die Spannung über einer willkürlich gewählten Schwelle liegt, betrachten wir sie als "hoch", aber ansonsten als "niedrig"?

Grundsätzlich funktioniert das so. Einige Spannungsschwellen für "1" und "0" werden durch einen bestimmten Standard festgelegt.

Digitale Signale sind binär . Sie haben nur zwei Zustände - ein oder aus, hoch oder niedrig, hoch oder runter - wie auch immer Sie sie nennen möchten. Wie Sie festgestellt haben, gibt es einen Schwellenwert, ab dem der Wert als hoch eingestuft wird, und einen weiteren Schwellenwert, ab dem der Wert als niedrig eingestuft wird. Digital ist sehr einfach mit Transistoren zu machen, indem sie entweder ganz ein- oder ganz ausgeschaltet werden.

Analoge Signale sind analog zu der Größe, die sie messen. Beispielsweise kann eine Waage eine zur Last proportionale Spannung ausgeben, beispielsweise 0 bis 10 V für eine Last von 0 bis 200 kg. Ein weiteres Beispiel ist das Signal eines Mikrofons, das sich mit dem Schalldruck ändert, der auf die Mikrofonmembran einwirkt. In diesem Fall ändert sich die Frequenz mit der Tonhöhe und die Amplitude mit der Lautstärke.

Irgendwie hast du ein wenig Verwirrung aufgefangen; Lass mich sehen, ob ich helfen kann.

Wenn es um "digitale Signale" geht, gibt es mehr als eine Ebene, für die dieser Begriff gilt. Es scheint, dass Sie die Idee von analogen Signalen haben - ein kontinuierlicher Wert, der sich mit der Zeit ändert.

Das digitale "Analog" (verzeihen Sie das Wortspiel) ist stattdessen eine Reihe von numerischen Werten; Jeder numerische Wert entspricht einem Zeitpunkt und die Punkte werden normalerweise in regelmäßigen Zeitintervallen voneinander getrennt. Darüber hinaus steht dem Prozess eine Reihe von numerischen Werten zur Verfügung. In der Regel ist dies eine Zweierpotenz - beispielsweise 256 Werte für acht Bits oder 65.536 Werte für 16 Bits, wenn Sie Werte in binären Wörtern darstellen.

Was ich gerade beschrieben habe, ist eine Abstraktion; Ein digitales Signal kann durch Winken von Semaphor-Flags übermittelt werden, wenn jemand dies wünscht. Wenn wir uns stattdessen dafür entscheiden, ein digitales Signal über einen Satz elektrischer Signale darzustellen, die ein Leiter pro Bit parallel angeordnet sind, dann ist jedes dieser Signale tatsächlich ein analoges Signal, wie andere hier vorgeschlagen haben. Es ist also Aufgabe der Elektronik, diese Signale zu erzeugen und entsprechend zu empfangen / zu dekodieren.

Sie können digitale Signale auch seriell anstatt parallel übertragen, indem Sie jedes Bit jedes Werts der Reihe nach senden. Sie können dies über einen einzelnen Leiter tun, anstatt wieviele Bits Sie verwenden möchten, und wie bereits erwähnt, gibt es Schemata, die komplexer sind, als nur eine "hohe" Spannung oder einen "hohen" Strom für "1" oder "1" zu verwenden "wahr" und eine "niedrige" oder null Spannung oder Stromstärke, um "0" oder "falsch" zu kennzeichnen.

Und Sie haben Recht - ein analoges Signal kann sich niemals augenblicklich ändern. Die Gründe dafür sind vielfältig und ich werde hier nicht auf alle eingehen, außer auf einen: Stromänderungen in einem Leiter widerstehen sich immer selbst (das folgt direkt aus Faradays Gleichungen). In der Praxis besteht die Idee beim Entwurf digitaler Schaltungen jedoch darin, dass der Übergang zwischen Zuständen im Verhältnis zur Länge des kleinsten Intervalls zwischen Übergängen, das keine Rolle spielt, kurz genug ist. Diese Annahme beginnt zu scheitern, wenn Sie beispielsweise ein zu langes Ethernet-Kabel verwenden.

Das digitale Signal möchte analoge Signale nicht als "quadratische Dinge" darstellen. Wenn Sie also eine 1 in einem digitalen Signal sehen, entspricht dies nicht einer hohen Amplitude im anlog-Singal, sondern der Höhe der Amplitude von verschiedene Zeiten als Zahl (aber im Binärformat). So viele Binärzahlen möchten die Höhe der Amplitude zu einer bestimmten Zeit darstellen.

Betrachten Sie dieses Bild von BBC:

Das obige Diagramm ist die analoge Form. Von diesem Wert wird jede Sekunde ein Wert genommen (dieser kann jedoch bis zu 40 Mio. mal pro Sekunde und viel mehr betragen). Dieser Wert ist die Amplitudenhöhe des Analogsignals.

Nennen wir es "Schritt", wenn wir den Wert nehmen.

In jedem Schritt wird die Höhe der Amplitude aufgezeichnet. Die Höhe ist eine Zahl, die als 0 und 1 dargestellt werden kann (beispielsweise wäre 10 1010).

Sie sehen, je mehr Werte wir pro Sekunde messen, desto mehr Daten müssen gespeichert / übertragen werden und desto genauer ist das resultierende digitale Format dieses analogen Signals.

Je höher der Wert sein kann, desto genauer ist auch das resultierende digitale Format. (Zum Beispiel, wenn wir Werte von 0 bis 10 annehmen, gibt es nur 10 Werte - nicht sehr genau. Wenn wir dieses digitale Signal in ein analoges Signal umwandeln würden, wäre die Kurve nicht sehr "gut". Aber wenn wir Werte annehmen von 0 bis 16000 ist dies viel genauer.) Außerdem müssen hier bei jedem Schritt mehr Bits gespeichert werden.

Wenn Sie bei jedem Schritt 64 Bit speichern und der Schritt einmal pro Sekunde ausgeführt wird, sparen Sie 64 Bit / s. Wenn Sie bei jedem Schritt 32 Bit speichern und der Schritt zweimal pro Sekunde ausgeführt wird, sparen Sie auch 64 Bit / s. Wenn Sie jeden Schritt mit 16 Bit speichern und der Schritt viermal pro Sekunde ausgeführt wird, haben Sie auch 64 Bit / s.

Es gibt viele Möglichkeiten, ein digitales Signal zu übertragen. Zum Beispiel durch "Ändern der Spannung", die als "Amplitudenmodulation" bezeichnet wird und in Ihrem Diagramm dargestellt ist (aber natürlich ist es NIE ein perfektes Quadrat!). Amplitudenmodulation bedeutet nur, dass Sie sagen, dass es eine 1 durch eine hohe Amplitude (hohe Spannung) und eine 0 durch eine niedrige gibt.

Es gibt Modulationstechniken wie die Frequenzmodulation (FM, die bei Radios verwendet wird - Sie geben eine 1 mit einer hohen Frequenz und eine 0 mit einer niedrigen an) oder die Pulsamplitudenmodulation, die bei Ethernet und vielen anderen verwendet wird!