Tín hiệu tương tự và kỹ thuật số là gì?

Tôi đã bắt gặp khái niệm về tín hiệu tương tự và kỹ thuật số trong khóa học giao tiếp dữ liệu của mình. Chúng tôi đã nghiên cứu rằng các tín hiệu tương tự là tín hiệu liên tục và giáo viên đã trình bày một sơ đồ như sóng hình sin và các tín hiệu số là rời rạc; Ông cho thấy một sơ đồ của tín hiệu kỹ thuật số quá. Tôi không phải là một sinh viên điện tử nhưng tôi muốn biết làm thế nào những tín hiệu này được tạo ra và ý nghĩa của các tín hiệu liên tục và rời rạc trong thực tế. Xin vui lòng cho tôi biết thêm về những tín hiệu này.

Thông thường, mọi người sẽ nghĩ rằng bất kỳ tín hiệu nào chuyển đổi giữa hai điện áp là "kỹ thuật số". Điều này LAF không đúng.

"Kỹ thuật số" có nghĩa là tín hiệu mang thông tin dưới dạng các ký hiệu riêng biệt. Miễn là các ký hiệu được nhận chính xác, không có thông tin nào bị mất khi truyền tín hiệu số.

Tín hiệu tương tự luôn bị suy giảm khi truyền, ngay cả khi suy giảm rất nhỏ.

• Tín hiệu PCM là kỹ thuật số và bao gồm chuyển đổi giữa hai điện áp. Miễn là bạn nhận được chuỗi 1 và 0 theo thứ tự, không có thông tin nào bị mất.
• Tín hiệu PWM là tương tự, và bao gồm chuyển đổi giữa hai điện áp. Thời gian chính xác của các xung mang thông tin, vì vậy nếu có bất kỳ sự thay đổi nào về thời gian từ nhiễu, v.v. thì tín hiệu bị hỏng.
• Tín hiệu FSK là kỹ thuật số và bao gồm các sóng hình sin. Miễn là tần số của mỗi bit được phục hồi, không có thông tin nào bị mất.

Các tín hiệu liên tục có thể nhận bất kỳ giá trị nào trong một khoảng nhất định. Chẳng hạn, hàm sin (x) được xác định cho tất cả x và có thể nhận bất kỳ giá trị nào trong khoảng từ 1 đến -1.

Ngược lại, tín hiệu rời rạc là chuỗi. Hàm sin (x) ở dạng rời rạc của nó có thể được viết là

Trong đó n là một số nguyên. Nói cách khác, hình thức trên chỉ được xác định tại n = 0,1,2,3 ...

Tín hiệu Continuos được đo bằng các cảm biến (có các cảm biến phát ra tín hiệu kỹ thuật số. Chúng sẽ có bộ tích hợp DAC và giúp bạn tránh những rắc rối khi chuyển đổi chúng) và sau đó được điều khiển bằng các mạch tương tự, như opamp, v.v. Tuy nhiên, nếu bạn muốn tín hiệu được xử lý bởi máy tính hoặc vi điều khiển, bạn cần số hóa tín hiệu. Đây là một số liệu từ wikipedia minh họa điều này:

Lưu ý rằng trong hình trên, các mẫu được lấy mỗi nội bộ cố định (1,2,3,4 ... vv). Điều quan trọng là phải hiểu rằng điều này dẫn chúng ta đến gần đúng tín hiệu gốc - sau tất cả, làm thế nào chúng ta biết giá trị của tín hiệu continuos nằm giữa mẫu 8 và 9 là gì? Bạn có thể thấy rằng nếu khoảng thời gian giữa mỗi mẫu là ngắn, nó sẽ dẫn chúng ta đến một xấp xỉ tốt hơn nhiều và nếu khoảng đó lớn, chúng ta thậm chí có thể không biết tín hiệu ban đầu trông như thế nào! Hãy thử và suy nghĩ về điều này trong một phút. Đây là một ví dụ:

Bạn có thể đoán tín hiệu này là gì không? Nếu bạn đoán nó là một hình sin, bạn đã đúng. Nhưng lưu ý rằng nó không thực sự là một xấp xỉ rất tốt. Đây là một ví dụ khác - hình dạng của tín hiệu dễ nhìn hơn nhiều khi khoảng thời gian ngắn, phải không? Đây là một xấp xỉ tốt hơn nhiều so với ví dụ trước.

Vì vậy, nhanh như thế nào bạn nên lấy mẫu tín hiệu liên tục của bạn? Theo Nyquest , bạn nên lấy mẫu dạng sóng của mình với tần số lớn hơn hai lần tần số của nó (nếu tín hiệu của bạn có nhiều tần số, bạn nên lấy mẫu nhanh hơn gấp đôi so với tần số cao nhất trong hệ thống của bạn).

Một điều quan trọng để nhận ra là sự khác biệt giữa rời rạc và kỹ thuật số . Giá trị của một mẫu trong tín hiệu rời rạc có thể là bất kỳ số nào. Mặt khác, tín hiệu số là tín hiệu chỉ có thể có các giá trị riêng biệt, ví dụ 1,2,3 ... vv Nếu đó là tín hiệu 8 bit, giá trị tối đa chỉ là 255.

Để thu được tín hiệu số, bạn phải định lượng tín hiệu thời gian rời rạc của mình. Vì câu hỏi của bạn không hỏi, tôi sẽ không đi sâu thêm nữa.

Vì vậy, để tóm tắt, tôi sẽ để lại cho bạn một ví dụ minh họa các tín hiệu có thể đến từ đâu và tại sao chúng được số hóa. Giả sử bạn muốn sử dụng micrô để ghi âm một cái gì đó. Chúng ta cũng giả sử rằng tần số của mục tiêu của bạn là 1kHz. Micrô của bạn sẽ cung cấp cho bạn điện áp liên tục đại diện cho bản ghi âm của bạn. Nếu âm thanh bạn ghi được là hình sin, thì điện áp của bạn sẽ là hình sin.

Nhưng bạn cũng muốn sử dụng tín hiệu này cho một số xử lý. Chúng tôi không quan tâm loại xử lý nào bạn muốn làm, chúng tôi chỉ biết bạn muốn thực hiện trong vi điều khiển hoặc máy tính. Như đã đề cập trước đây, để cung cấp thông tin này vào máy tính, trước tiên bạn phải số hóa tín hiệu. Bạn có thể thực hiện việc này thông qua một thiết bị có tên là Analogue To Digital Converter (ADC). Thiết bị này sẽ có dạng sóng liên tục và nhổ ra một phiên bản số hóa của nó. Các hình thức số hóa sau đó được đưa đến một máy tính thực hiện công việc của nó và tạo ra đầu ra - tất nhiên, đó cũng là kỹ thuật số. Bây giờ, để nghe bản ghi này, bạn cần chuyển đổi tín hiệu số sang tín hiệu tương tự (continuos) bằng cách sử dụng Bộ chuyển đổi kỹ thuật số sang tương tự (DAC). Phiên bản tương tự được khuếch đại và hơn chơi qua tai nghe hoặc loa. Hi vọng điêu nay co ich.

Cập nhật:

Tín hiệu liên tục: Giả sử bạn đang nghe tiếng còi theo cách thông thường, chúng ta có thể nói nó liên tục. Đó là tương tự thuần túy.

Tín hiệu rời rạc: Khi nghe những điều trên, nếu bạn đóng và mở cả hai tai liên tục bằng ngón tay thì đó là tín hiệu rời rạc. Ở đây bạn đang bỏ qua, theo cách tích cực, bạn đang thu thập một số mẫu tín hiệu. Tín hiệu này là rời rạc, nhưng không phải là kỹ thuật số. Ở đây nếu bạn đóng và mở tai với tốc độ cao hơn, bạn có thể hiểu mức tăng hoặc số lượng âm lượng báo động. tức là bạn có thể lấy thông tin tương tự với độ méo tối thiểu.

Tín hiệu số : Bạn viết từng âm lượng được lấy mẫu của báo thức vào một tờ giấy và thể hiện nó ở dạng kỹ thuật số. Đây được gọi là tín hiệu số.

Tín hiệu tương tự là liên tục, trong khi tín hiệu kỹ thuật số là rời rạc. Bản chất riêng biệt đạt được bằng cách bỏ qua một phần tín hiệu tương tự và biểu diễn tín hiệu tổng hợp bằng các ký hiệu.

Khi chúng ta xem xét cả tín hiệu tương tự và tín hiệu số mang cùng thông tin (dữ liệu trong thế giới thực), chúng ta có thể nói, tín hiệu tương tự mang thông tin chính xác và chính xác nhất.

Thế giới là dữ liệu tương tự, và chúng tôi chuyển đổi nó thành kỹ thuật số vì một số chất lượng đẹp của tín hiệu số. Bạn có thể hiểu thêm từ bất kỳ cuốn sách về điện tử kỹ thuật số hoặc truyền thông kỹ thuật số.

Mặc dù có những câu trả lời tuyệt vời ở đây, tôi cảm thấy rằng một điều quan trọng không được nói đến đủ. Saad đã đề cập rằng các tín hiệu rời rạc là các chuỗi và thời gian càng ngắn, biểu hiện tốt hơn tín hiệu gốc mà chúng ta nhận được và ở đây chúng ta chạm vào, ít nhất là, sự khác biệt quan trọng nhất giữa tín hiệu liên tục và rời rạc:

Trong thời gian T (trên sơ đồ đầu tiên của Saad) là thời gian giữa hai mẫu trong một tín hiệu riêng biệt thực sự không có thông tin về tín hiệu. Điều này rất quan trọng vì có nhiều vấn đề phát sinh trong quá trình xử lý tín hiệu mà bạn có thể sẽ nghe về sau này. Vì chúng ta thường nhận được tín hiệu rời rạc bằng cách lấy mẫu tín hiệu liên tục, chúng ta hoàn toàn không biết chuyện gì đang xảy ra với tín hiệu liên tục giữa hai mẫu tín hiệu rời rạc.

Ví dụ: hãy nhìn vào hình ảnh này từ Wikipedia:

Giả sử tín hiệu màu đỏ là tín hiệu liên tục của chúng tôi và các điểm đen là mẫu của tín hiệu riêng biệt của chúng tôi. Nếu bạn "kết nối các dấu chấm", nghĩa là cố gắng nội suy tín hiệu rời rạc, bạn sẽ nhận được tín hiệu màu xanh rất khác với tín hiệu màu đỏ. Đúng, định lý lấy mẫu đã được đề cập, nhưng trong một số trường hợp trong thế giới thực, bạn sẽ không biết phạm vi tần số đầu vào dự kiến ​​và bạn có thể không có thiết bị phòng thí nghiệm đủ mạnh để cố gắng ghi lại dạng sóng thực của tín hiệu.

Vì vậy, điểm mấu chốt là: Tín hiệu rời rạc chỉ cung cấp dữ liệu mà chúng thực sự cung cấp! Mặc dù tautology này có thể trông rõ ràng và không đáng nhắc đến, mọi người có xu hướng cho rằng các tín hiệu rời rạc thực sự được lấy mẫu ở tần số chính xác và chúng cung cấp một đại diện của tín hiệu gốc có độ trung thực đủ cao. Đây không phải là luôn luôn như vậy!

$x(t)$là một tín hiệu tương tự, liên tục trong thời gian và điện áp. Để chuyển đổi nó thành tín hiệu số, trước tiên bạn phải lấy mẫu tín hiệu đó, điều đó có nghĩa là bạn lấy giá trị của tín hiệu ở một khoảng nhất định, ví dụ cứ sau một ms cho tín hiệu 1ksps (Kilo mẫu mỗi giây). Phạm vi điện áp vẫn liên tục. ADC thực tế (Chuyển đổi tương tự sang kỹ thuật số) đo điện áp ở mỗi mẫu dưới dạng giá trị số , chúng tôi nói tín hiệu được lượng tử hóa . Vì hiện tại nó được biểu thị dưới dạng một giá trị số, nên nó không thể nhận bất kỳ giá trị nào giống như trong một phạm vi liên tục. các độ phân giảixác định có bao nhiêu giá trị mà tín hiệu lượng tử có thể lấy. Tín hiệu 8 bit có thể nhận 256 giá trị riêng biệt. Nếu phạm vi tín hiệu đầu vào của bạn là 2,56V, mỗi giá trị riêng biệt tiếp theo sẽ cao hơn 10mV so với trước đó. Vì vậy, bạn sẽ có giá trị 50mV và giá trị 60mV, nhưng không có gì ở giữa . Điều này thường được hiển thị trong sơ đồ dưới dạng tín hiệu theo bậc thang hoặc có dấu chấm rời rạc , như trong sơ đồ trên. Trong mọi trường hợp, dòng thông thạo đã đi.
Kỹ thuật số có nghĩa là nó được thể hiện bằng một chuỗi số, một cho mỗi mẫu liên tiếp. Biểu diễn này có thể là một xấp xỉ gần đúng của tín hiệu gốc nếu bạn lấy mẫu đủ nhanh ở độ phân giải cao, ví dụ 20 bit, nhưng nếu bạn nhìn gần, bạn vẫn thấy các bước cầu thang.

Một tín hiệu nhị phân, chỉ 0s và 1s, chỉ là một khả năng tín hiệu kỹ thuật số, cụ thể là với độ phân giải 1 chút, mặc dù nó thường được biểu diễn dưới dạng các tín hiệu kỹ thuật số. Tín hiệu số có thể mất vô số giá trị.

[Thông thường tôi sẽ không trả lời câu hỏi 3,5 năm tuổi, nhưng không có câu trả lời nào thực sự trả lời câu hỏi của người gửi.]

Theo tôi hiểu, câu hỏi là về cách các tín hiệu tương tự và kỹ thuật số (liên tục và rời rạc) được tạo ra về mặt vật lý và sự khác biệt vật lý của chúng là gì. Câu trả lời đơn giản nhất cho điều này là tất cả các tín hiệu vật lý là tương tự . Sự khác biệt thực sự là cách chúng ta diễn giải chúng. Để hiểu điều này, chúng ta hãy xem xét một ví dụ phi điện của một hệ thống rời rạc - ngôn ngữ.

Hình ảnh này ( nguồn ) hiển thị số viết tay:

Là năm biểu tượng giống hệt nhau? Không. Nhưng tất cả đều là số 3. Tại sao? Bởi vì chúng tôi đã đồng ý rằng trong một số bối cảnh nhất định (viết số), chúng tôi sẽ sử dụng một số lượng nhỏ các ký hiệu (chữ số) và chúng tôi sẽ diễn giải mọi thứ chúng tôi xem là một trong những ký hiệu đó. Do đó, mặc dù tất cả hàng trăm biểu tượng trong hình ảnh này là khác nhau, chúng tôi nói rằng chỉ có mười chữ số trong đó:

Điều này có nghĩa là chúng tôi đã giới hạn lượng thông tin mà một biểu tượng có thể mang theo, được gọi là lượng tử hóa . Chúng tôi cũng đã quyết định tách các biểu tượng trên trang, được gọi là sự rời rạc hoặc lấy mẫu . (Trong thiết bị điện tử, các ký hiệu thường được phân tách theo thời gian chứ không phải không gian.) Làm tất cả điều này có một số lợi thế lớn:

• Lỗi dung sai: Nếu một biểu tượng bị nhòe hoặc mờ dần, bạn thường có thể cho biết đó là biểu tượng gì.
• Sao chép: Một bản sao của một biểu tượng mang thông tin chính xác giống như biểu tượng gốc.

Bây giờ hãy xem xét một "hệ thống" tương tự - vẽ tranh. Đây là hai bức tranh. Đầu tiên là "Đêm đầy sao" của Vincent van Gogh. Thứ hai là một bản sao của một nghệ sĩ khác.

Mặc dù những bức tranh này thể hiện cùng một chủ đề theo cách tương tự, nhưng chúng ta thường không nói chúng giống nhau. Tại sao? Một lần nữa, câu trả lời là bối cảnh. Khi nhìn vào nghệ thuật, chúng tôi quan tâm đến tất cả các thông tin trong hình ảnh. Hình ảnh thứ hai là một bản sao của hình ảnh đầu tiên, nhưng nó không phải là một bản sao giống hệt nhau và nó không mang thông tin giống như bản gốc. Tạo một bản sao của bản sao sẽ khiến nhiều thông tin bị mất hoặc bị thay đổi.

Vậy tại sao lại sử dụng tín hiệu tương tự? Bởi vì thế giới là tương tự. Cơ thể và các giác quan của chúng ta là tương tự nhau. Những gì chúng ta nghe và thấy là tương tự. Bất kỳ thông tin nào được đưa vào bộ não của chúng ta đều phải thực hiện thông qua một phương tiện tương tự.

Hệ thống điện tử tương tự hoạt động bằng cách hoạt động giống như thông tin mà chúng mang theo. Hãy nghĩ về các rãnh trên một bản ghi - chúng có hình dạng giống như sóng âm thanh. "Tương tự" và "tương tự" xuất phát từ một từ Hy Lạp có nghĩa là "tỷ lệ". Để tạo ra một hệ thống điện tử tương tự, tất cả những gì bạn phải làm là tạo ra một điện áp hoặc dòng điện tỷ lệ với một số lượng vật lý khác - áp suất (âm thanh), cường độ ánh sáng (video), vị trí (đầu vào của người dùng), v.v ... Điều này rất đơn giản để làm, đó là lý do tại sao nó được thực hiện đầu tiên. Thật khó để làm tốt, đó là nơi mà kỹ thuật số xuất hiện.

Trong các hệ thống điện tử kỹ thuật số đơn giản, chỉ có hai ký hiệu - 1 và 0. Về mặt vật lý, đây là các điện áp. Ví dụ, chúng ta có thể nói rằng bất kỳ điện áp nào dưới 2,5 volt là 0 và bất kỳ điện áp nào lớn hơn 2,5 volt là 1. Sau đó, chúng ta cần một mạch thực hiện lượng tử hóa. Ví dụ, một mạch có thể phát ra 5 volt nếu đầu vào ở bất kỳ đâu trong phạm vi 1 và 0 volt nếu đầu vào ở bất kỳ đâu trong phạm vi 0. Về cơ bản đó là một bộ khuếch đại khuếch đại cao. (Chúng ta có thể sử dụng các biến thể của mạch này để thực hiện đại số Boolean.) Cuối cùng, chúng ta cần thực hiện lấy mẫu. Điều này được thực hiện với sự trợ giúp của một tín hiệu đặc biệt gọi là đồng hồ , thường là sóng vuông và một mạch đặc biệt gọi là chốt hoặc flip-flop .

Với các khối xây dựng này, chúng tôi có thể sao chép và xử lý dữ liệu kỹ thuật số theo nhiều cách. Nhược điểm là bởi vì mỗi biểu tượng mang rất ít thông tin, nên cần rất nhiều biểu tượng (và mạch) để thực hiện bất kỳ công việc hữu ích nào. Trong vài thập kỷ qua, công nghệ mạch tích hợp đã cho phép nhiều mạch hơn theo cấp số nhân phù hợp với cùng một không gian với cùng một chi phí. Với đủ bit, tốc độ mẫu đủ nhanh và đủ mạch, các hệ thống kỹ thuật số có thể bằng hoặc vượt quá lượng thông tin trong tín hiệu tương tự. Vào thời điểm đó, lợi thế của kỹ thuật số bắt đầu thống trị và chúng ta kết thúc với thế giới chúng ta có ngày nay.

Vì câu hỏi đề cập đến truyền thông, tôi nên chỉ ra rằng các hệ thống truyền thông kỹ thuật số thường sử dụng nhiều hơn hai biểu tượng để chúng có thể phù hợp với nhiều dữ liệu hơn trong cùng một băng thông.

Bạn phải phân biệt giữa các thế giới khác nhau.
Các:

• Thế giới tương tự và
• Thế giới kỹ thuật số

Tuy nhiên, trí tưởng tượng là:

• Thế giới tương tự, (về mặt toán học) là một sự liên tục . Điều đó có nghĩa là không thể đếm được
• Thế giới kỹ thuật số, là một (nhìn theo toán học) KHÔNG phải là một sự liên tục . Điều đó có nghĩa là nó có thể được tính.

Nhân tiện, kỹ thuật số hoàn toàn không có nghĩa là 0 hay 1!
Ngay cả các ký hiệu 0 đến 9 là kỹ thuật số! Bạn thậm chí có thể xây dựng một máy tính thập phân có thể lưu trữ bốn chữ số từ 0 đến 9. Vì vậy, bạn có thể đại diện cho 0000-9999, 10 ^ 4 = 10.000 giá trị. Vì vậy, nó là hữu hạn và do đó kỹ thuật số. Nhưng không ai làm điều đó vì nhị phân dễ xây dựng hơn ^^

Liên quan đến các công cụ tín hiệu sử dụng hai thế giới đó, được mô tả ở trên. Nếu bạn đang nói chuyện với ai đó thì đó là tín hiệu tương tự. Bạn có thể thay đổi giọng nói của bạn theo những cách vô tận! Nhưng bạn có thể chuyển đổi giọng nói của mình bằng AD-Converter thành tín hiệu nhị phân.

Việc một tín hiệu là tương tự hay kỹ thuật số phụ thuộc vào những gì người nhận làm với nó. Hơn nữa, các tín hiệu nên được coi là có hai khía cạnh - mức độ và thời gian - mỗi khía cạnh có thể là liên tục hoặc rời rạc. Do đó, có bốn kết hợp liên tục / rời rạc được xem xét.

Tín hiệu được coi là tín hiệu mức riêng biệt nếu các thiết bị được quan sát tại bất kỳ thời điểm nào, nó không làm gì ngoài việc xác định xem nó ở trên hoặc dưới các mức khác nhau; đó là tín hiệu cấp liên tục nếu mức chính xác của tín hiệu trong phạm vi hoạt động của thiết bị sẽ có ý nghĩa trong việc xác định đầu ra của nó.

Tín hiệu được coi là tín hiệu thời gian rời rạc nếu có một quá trình kiểm tra trạng thái của tín hiệu tại một số thời điểm cụ thể và bỏ qua trạng thái của tín hiệu đó vào các thời điểm khác.

Một số loại mạch như bộ lọc tụ điện chuyển mẫu lấy tín hiệu đầu vào tại các thời điểm riêng biệt và bỏ qua nó vào thời điểm khác, nhưng có đầu ra phụ thuộc vào chức năng tương tự trên đầu vào. Các loại mạch khác như máy thu radio FM có thể tìm kiếm các cạnh tín hiệu liên tục, thay vì chỉ ở các thời điểm riêng biệt, nhưng không quan tâm đến mức tín hiệu tại bất kỳ thời điểm nào ngoài câu hỏi liệu nó thấp hay cao. Tuy nhiên, nhiều tình huống phổ biến liên quan đến tín hiệu cấp cho bộ xử lý, đòi hỏi phải lượng hóa cả mức độ và thời gian.