January 9th, 2021

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).