Digitální signál - Digital signal
Digitální signál je signál , který reprezentuje data jako sled diskrétních hodnot; v daném okamžiku může nabývat maximálně jedné z konečného počtu hodnot. To kontrastuje s analogovým signálem , který představuje spojité hodnoty; v daném okamžiku představuje skutečné číslo v souvislém rozsahu hodnot.
Jednoduché digitální signály představují informace v diskrétních pásmech analogových úrovní. Všechny úrovně v rámci pásma hodnot představují stejný informační stav . Ve většině digitálních obvodů může mít signál dvě možné platné hodnoty; tomu se říká binární signál nebo logický signál . Jsou reprezentována dvěma napěťovými pásmy: jedním v blízkosti referenční hodnoty (obvykle označované jako zemní nebo nulové volty) a druhým hodnotou v blízkosti napájecího napětí. Ty odpovídají dvěma hodnotám „nula“ a „jedna“ (nebo „nepravda“ a „pravda“) booleovské domény , takže v daném okamžiku binární signál představuje jednu binární číslici (bit). Kvůli této diskretizaci relativně malé změny úrovní analogového signálu neopouštějí diskrétní obálku a v důsledku toho jsou obvody snímající stav signálu ignorovány. V důsledku toho mají digitální signály odolnost proti rušení ; elektronický šum , pokud není příliš velký, neovlivní digitální obvody, zatímco šum vždy do určité míry zhoršuje provoz analogových signálů.
Příležitostně se používají digitální signály mající více než dva stavy; obvodům využívajícím takové signály se říká logika s více hodnotami . Například signály, které mohou předpokládat tři možné stavy, se nazývají logika se třemi hodnotami .
V digitální signál, veličina představující informace, může být proměnná elektrického proudu nebo napětí, intenzita, fáze nebo polarizace z optického nebo jiného elektromagnetického pole , akustický tlak se magnetizace z několika magnetických paměťových médií, a tak dále. Digitální signály se používají ve veškeré digitální elektronice , zejména ve výpočetním zařízení a přenosu dat .
Definice
Pojem digitální signál má související definice v různých kontextech.
V digitální elektronice
V digitální elektronice je digitální signál sled impulzů ( signál modulovaný amplitudou pulsu ), tj. Sekvence elektrických pulzů s pevnou šířkou a obdélníkových vln , přičemž každý zaujímá jednu z diskrétního počtu úrovní amplitudy. Zvláštním případem je logický signál nebo binární signál , který se pohybuje mezi nízkou a vysokou úrovní signálu.
Pulzní řady v digitálních obvodech jsou obvykle generovány zařízeními MOSFET (MOSFET) s kovovým oxidem a polovodičovým polem s efektem pole , a to díky jejich rychlé elektronické vypínací rychlosti a schopnosti rozsáhlé integrace (LSI). Naproti tomu tranzistory BJT pomaleji generují analogové signály připomínající sinusové vlny .
Při zpracování signálu
Při zpracování digitálního signálu je digitální signál reprezentací fyzického signálu, který je vzorkován a kvantován. Digitální signál je abstrakce, která je diskrétní v čase a amplitudě. Hodnota signálu existuje pouze v pravidelných časových intervalech, protože pro další digitální zpracování jsou významné pouze hodnoty odpovídajícího fyzického signálu v těchto vzorkovaných momentech. Digitální signál je posloupnost kódů čerpaných z konečné sady hodnot. Digitální signál může být uložen, zpracován nebo fyzicky přenesen jako signál pulzní kódové modulace (PCM).
V komunikaci
V digitální komunikaci je digitální signál fyzický signál s nepřetržitým časem, střídající se mezi diskrétním počtem průběhů, představujícím bitový tok . Tvar průběhu závisí na přenosovém schématu, kterým může být buď schéma linkového kódování umožňující přenos v základním pásmu ; nebo schéma digitální modulace , umožňující přenos propustného pásma po dlouhých vodičích nebo přes omezené rádiové frekvenční pásmo. Taková sinusová vlna modulovaná nosnou je v literatuře o digitální komunikaci a přenosu dat považována za digitální signál, ale je považována za bitový tok převedený na analogový signál v elektronice a počítačových sítích.
V komunikaci jsou obvykle přítomny zdroje rušení a hluk je často významným problémem. Účinky rušení jsou obvykle minimalizovány filtrováním rušivých signálů co nejvíce a využitím redundance dat . Za hlavní výhody digitálních signálů pro komunikaci se často považuje odolnost proti rušení a schopnost v mnoha případech, například u zvukových a obrazových dat, využívat kompresi dat k výraznému snížení šířky pásma, která je na komunikačních médiích požadována.
Logické úrovně napětí
Tvar vlny , který přepíná reprezentující dva stavy v booleovské hodnoty (0 a 1, nebo nízkou a pro vysokou nebo falešný a pravý), se označuje jako digitální signál , nebo logický signál , nebo binárního signálu , když je interpretován v podmínkách pouze dva možné číslice.
Tyto dva stavy jsou obvykle reprezentovány nějakým měřením elektrické vlastnosti: Napětí je nejběžnější, ale v některých logických rodinách se používá proud . Pro každou logickou rodinu jsou typicky definovány dva rozsahy napětí, které často přímo sousedí. Signál je nízký, když je v nízkém rozsahu, a vysoký, když je ve vysokém rozsahu, a mezi těmito dvěma rozsahy se chování může mezi různými typy bran lišit.
Hodinový signál je speciální digitální signál, který slouží k synchronizaci mnoho digitálních obvodů. Zobrazený obrázek lze považovat za průběh hodinového signálu. Logické změny jsou vyvolány buď stoupající nebo sestupnou hranou. Náběžná hrana je přechod z nízkého napětí (úroveň 1 v diagramu) na vysoké napětí (úroveň 2). Klesající hranou je přechod z vysokého napětí na nízké.
Ačkoli ve vysoce zjednodušeném a idealizovaném modelu digitálního obvodu si můžeme přát, aby k těmto přechodům došlo okamžitě, žádný obvod skutečného světa není čistě odporový, a proto žádný obvod nemůže okamžitě měnit napěťové úrovně. To znamená, že během krátké, konečné přechodové doby nemusí výstup správně odrážet vstup a nebude odpovídat logicky vysokému ani nízkému napětí.
Modulace
K vytvoření digitálního signálu musí být analogový signál modulován řídicím signálem, aby jej vytvořil. Nejjednodušší modulace, typ unipolárního kódování , je jednoduše zapnout a vypnout stejnosměrný signál tak, aby vysoké napětí představovalo '1' a nízké napětí bylo '0'.
V digitálních rádiových schématech je jedna nebo více nosných vln amplituda , frekvence nebo fáze modulovaná řídicím signálem za vzniku digitálního signálu vhodného pro přenos.
Asymmetric Digital Subscriber Line (ADSL) přes telefonní kabely , nepoužívá primárně binární logiku; digitální signály pro jednotlivé nosiče jsou modulovány logikou s různou hodnotou, v závislosti na Shannonově kapacitě jednotlivých kanálů.
Taktování
Digitální signály mohou být vzorkovány hodinovým signálem v pravidelných intervalech procházením signálu klopným obvodem . Když je to provedeno, vstup je měřen na hraně hodin a signál z té doby. Signál je pak stabilní až do dalších hodin. Tento proces je základem synchronní logiky .
Existuje také asynchronní logika , která nepoužívá žádné jediné hodiny a obecně pracuje rychleji a může spotřebovávat méně energie, ale je mnohem těžší ji navrhnout.
Viz také
Reference
externí odkazy
- Monty Montgomory. Digitální show a vyprávění .
- CodSim 2.0: Open source Virtual Laboratory for Digital Data Communications Model Department of Computer Architecture, University of Malaga. Simuluje digitální kódování řádků a digitální modulace. Napsáno v HTML pro jakýkoli webový prohlížeč.