Что такое цифровой сигнал
Предыдущие посты:
1. Почему аналоговый сигнал так называется (на примере звука).
2. Непрерывность аналогового сигнала.
При передаче на расстояние аналогового сигнала (аналоговых данных) используется другой аналоговый сигнал, который переносит аналог-слепок исходного аналогового сигнала (в нашем примере из предыдущих постов электрический сигнал переносил аналог-слепок звука):
Рисунок 1
В то время, как в XX веке существовала аналоговая передача звука (например, посредством аналогового телефона), аналоговая передача изображения (посредством аналогового телевидения) и другие применения передачи аналоговых данных с помощью аналогового сигнала, была также необходимость хранить и передавать на расстояние цифровые данные.
Что такое «цифровые данные»? Это цифры и числа. В мирное время требовалось делать множество финансовых и статистических подсчетов, чем в отсутствие компьютеров вручную занималось множество людей; в военное время нужно было расшифровывать вражеские радиопередачи. Поэтому создавались цифровые вычислительные машины. После их создания вспомнили, что буквы любого алфавита тоже можно представить в виде чисел. Цифровые вычислительные машины смогли работать и с числами, и с текстом.
Дальше - больше: раз аналоговый сигнал можно представить в виде графика (в нашем примере - график зависимости плотности воздуха от времени для звука и график зависимости электрического напряжения от времени для электрического сигнала), а график - это некая линия, которая является совокупностью точек, то каждую из этих точек можно представить ее координатами, то есть теми же числами! То есть получилось, что цифровые вычислительные машины могут работать с числами, текстом и любыми аналоговыми сигналами.
Как выглядит схема передачи чисел с помощью цифрового сигнала?
Рисунок 2
Схема передачи текста с помощью цифрового сигнала:
Рисунок 3
Схема передачи аналогового сигнала с помощью цифрового сигнала:
Рисунок 4
Тут важно отметить, что цифровой сигнал на самом деле - это такой же электрический сигнал, который применяется и в случае передачи исходного аналогового сигнала (например, звука). Как мы помним, электрический сигнал по своей природе является аналоговым, как и звук. Почему же в этом случае его уже называют цифровым сигналом?
Дело в том, что хоть в обоих случаях (передача аналоговых данных, передача цифровых данных) электрический сигнал является переносчиком данных, но «встраиваются» (или «загружаются») в него эти данные по-разному. В случае передачи аналоговых данных, как уже было рассказано в предыдущих постах, электрический сигнал переносит аналог-слепок исходного аналогового сигнала. В случае передачи чисел (цифровых данных) электрический сигнал переносит только единицы и нули (двоичный код), представляя их всего двумя разными уровнями (например, двумя уровнями электрического напряжения). Схематически такой сигнал можно изобразить на графике зависимости электрического напряжения от времени следующим образом:
Рисунок 5. Схематическое изображение цифрового сигнала
Какой участок такого сигнала представляет единицу, а какой - нуль, решает проектировщик системы. К примеру, можно считать более низкий уровень электрического напряжения U1 нулем, а более высокий - U2 - единицей, или наоборот. Также можно, к примеру, считать нулем переход с более высокого уровня электрического напряжения на более низкий, а переход с более низкого уровня на более высокий - считать единицей, или наоборот.
Когда я в первый раз увидел подобное схематическое изображение цифрового сигнала, у меня довольно быстро возник вопрос: почему в некоторые моменты времени сигнал принимает одновременно два разных значения электрического напряжения (в момент переходов с одного уровня напряжения на другой уровень)? К примеру, на данном графике - в моменты времени t1, t2, t3. Ответ в том, что этот график, как уже упомянуто выше, является схематическим изображением. В реальности сигнал не совершает мгновенного перехода с одного уровня электрического напряжения на другой, переход происходит постепенно, а поэтому форма сигнала в реальности не идеально прямоугольная, а ближе к трапециевидной:
Рисунок 6
Многие авторы предпочитают этот момент опустить. В принципе, и рисунок 6 - это тоже идеализированное представление. Там полно разных мелочей и подробностей, которые можно изучить отдельно (для понимания сущности цифрового сигнала они неважны).
1. Почему аналоговый сигнал так называется (на примере звука).
2. Непрерывность аналогового сигнала.
При передаче на расстояние аналогового сигнала (аналоговых данных) используется другой аналоговый сигнал, который переносит аналог-слепок исходного аналогового сигнала (в нашем примере из предыдущих постов электрический сигнал переносил аналог-слепок звука):
Рисунок 1
В то время, как в XX веке существовала аналоговая передача звука (например, посредством аналогового телефона), аналоговая передача изображения (посредством аналогового телевидения) и другие применения передачи аналоговых данных с помощью аналогового сигнала, была также необходимость хранить и передавать на расстояние цифровые данные.
Что такое «цифровые данные»? Это цифры и числа. В мирное время требовалось делать множество финансовых и статистических подсчетов, чем в отсутствие компьютеров вручную занималось множество людей; в военное время нужно было расшифровывать вражеские радиопередачи. Поэтому создавались цифровые вычислительные машины. После их создания вспомнили, что буквы любого алфавита тоже можно представить в виде чисел. Цифровые вычислительные машины смогли работать и с числами, и с текстом.
Дальше - больше: раз аналоговый сигнал можно представить в виде графика (в нашем примере - график зависимости плотности воздуха от времени для звука и график зависимости электрического напряжения от времени для электрического сигнала), а график - это некая линия, которая является совокупностью точек, то каждую из этих точек можно представить ее координатами, то есть теми же числами! То есть получилось, что цифровые вычислительные машины могут работать с числами, текстом и любыми аналоговыми сигналами.
Как выглядит схема передачи чисел с помощью цифрового сигнала?
Рисунок 2
Схема передачи текста с помощью цифрового сигнала:
Рисунок 3
Схема передачи аналогового сигнала с помощью цифрового сигнала:
Рисунок 4
Тут важно отметить, что цифровой сигнал на самом деле - это такой же электрический сигнал, который применяется и в случае передачи исходного аналогового сигнала (например, звука). Как мы помним, электрический сигнал по своей природе является аналоговым, как и звук. Почему же в этом случае его уже называют цифровым сигналом?
Дело в том, что хоть в обоих случаях (передача аналоговых данных, передача цифровых данных) электрический сигнал является переносчиком данных, но «встраиваются» (или «загружаются») в него эти данные по-разному. В случае передачи аналоговых данных, как уже было рассказано в предыдущих постах, электрический сигнал переносит аналог-слепок исходного аналогового сигнала. В случае передачи чисел (цифровых данных) электрический сигнал переносит только единицы и нули (двоичный код), представляя их всего двумя разными уровнями (например, двумя уровнями электрического напряжения). Схематически такой сигнал можно изобразить на графике зависимости электрического напряжения от времени следующим образом:
Рисунок 5. Схематическое изображение цифрового сигнала
Какой участок такого сигнала представляет единицу, а какой - нуль, решает проектировщик системы. К примеру, можно считать более низкий уровень электрического напряжения U1 нулем, а более высокий - U2 - единицей, или наоборот. Также можно, к примеру, считать нулем переход с более высокого уровня электрического напряжения на более низкий, а переход с более низкого уровня на более высокий - считать единицей, или наоборот.
Когда я в первый раз увидел подобное схематическое изображение цифрового сигнала, у меня довольно быстро возник вопрос: почему в некоторые моменты времени сигнал принимает одновременно два разных значения электрического напряжения (в момент переходов с одного уровня напряжения на другой уровень)? К примеру, на данном графике - в моменты времени t1, t2, t3. Ответ в том, что этот график, как уже упомянуто выше, является схематическим изображением. В реальности сигнал не совершает мгновенного перехода с одного уровня электрического напряжения на другой, переход происходит постепенно, а поэтому форма сигнала в реальности не идеально прямоугольная, а ближе к трапециевидной:
Рисунок 6
Многие авторы предпочитают этот момент опустить. В принципе, и рисунок 6 - это тоже идеализированное представление. Там полно разных мелочей и подробностей, которые можно изучить отдельно (для понимания сущности цифрового сигнала они неважны).