Was sind analoge und digitale Signale?

In meinem Datenkommunikationskurs bin ich auf das Konzept der analogen und digitalen Signale gestoßen. Wir haben untersucht, dass analoge Signale kontinuierliche Signale sind, und der Lehrer hat ein Diagramm wie die Sinuswelle vorgestellt, und dass digitale Signale diskret sind. Er zeigte auch ein Diagramm des digitalen Signals. Ich bin kein Elektronikstudent, aber ich möchte wissen, wie diese Signale erzeugt werden und was unter kontinuierlichen und diskreten Signalen in der Realität zu verstehen ist. Bitte erzählen Sie mir etwas mehr über diese Signale.

Oft denken die Leute, dass jedes Signal, das zwischen zwei Spannungen umschaltet, "digital" ist. Das ist nicht richtig.

"Digital" bedeutet, dass das Signal Informationen in Form von diskreten Symbolen enthält. Solange die Symbole korrekt empfangen werden, gehen beim Senden eines digitalen Signals niemals Informationen verloren.

Analoge Signale werden durch Übertragung immer verschlechtert, auch wenn die Verschlechterung sehr gering ist.

• PCM-Signale sind digital und bestehen aus dem Umschalten zwischen zwei Spannungen. Solange Sie die Reihen von Einsen und Nullen in der richtigen Reihenfolge erhalten, gehen keine Informationen verloren.
• PWM-Signale sind analog und bestehen aus dem Umschalten zwischen zwei Spannungen. Das genaue Timing der Impulse enthält Informationen. Wenn also das Timing vom Rauschen usw. abweicht, ist das Signal verfälscht.
• FSK-Signale sind digital und bestehen aus Sinuswellen. Solange die Frequenz jedes Bits wiederhergestellt wird, gehen keine Informationen verloren.

Kontinuierliche Signale können in einem bestimmten Intervall einen beliebigen Wert annehmen. Zum Beispiel ist die Funktion sin (x) für alle x definiert und kann einen beliebigen Wert zwischen 1 und -1 annehmen .

Im Gegensatz dazu sind diskrete Signale Sequenzen. Die Funktion sin (x) in ihrer diskreten Form kann wie folgt geschrieben werden

Dabei ist n eine ganze Zahl. Mit anderen Worten ist die obige Form nur bei n = 0,1,2,3 definiert ...

Continuos-Signale werden von Sensoren gemessen (es gibt Sensoren, die digitale Signale ausspucken. Sie verfügen über einen eingebauten DAC und ersparen Ihnen die Konvertierung) und werden dann von analogen Schaltkreisen wie Operationsverstärkern und dergleichen manipuliert. Wenn Sie jedoch möchten, dass das Signal von einem Computer oder einem Mikrocontroller verarbeitet wird, müssen Sie das Signal digitalisieren. Hier ist eine Abbildung aus Wikipedia, die dies veranschaulicht:

Beachten Sie, dass in der obigen Abbildung alle festen internen Proben entnommen werden (1,2,3,4 ... usw.). Es ist wichtig zu verstehen, dass dies zu einer Annäherung an das ursprüngliche Signal führt - woher wissen wir schließlich, wie hoch der Wert des Continuos-Signals zwischen Probe 8 und 9 war? Können Sie sehen, dass wenn die Intervalle zwischen den einzelnen Proben kurz sind, dies zu einer viel besseren Annäherung führt und wenn das Intervall groß ist, können wir möglicherweise nicht einmal sagen, wie das ursprüngliche Signal aussah! Versuchen Sie, eine Minute darüber nachzudenken. Hier ist ein Beispiel:

Können Sie sich vorstellen, was dieses Signal ist? Wenn Sie vermutet haben, dass es sich um eine Sinuskurve handelt, haben Sie Recht. Beachten Sie jedoch, dass dies keine wirklich gute Annäherung ist. Hier ist ein weiteres Beispiel: Die Form des Signals ist viel einfacher zu erkennen, wenn das Intervall kurz ist, nicht wahr? Dies ist eine viel bessere Annäherung als im vorherigen Beispiel.

Wie schnell sollten Sie Ihr kontinuierliches Signal abtasten? Laut Nyquest sollten Sie Ihre Wellenform mit mehr als der doppelten Frequenz abtasten (wenn Ihr Signal mehrere Frequenzen hat, sollten Sie mehr als doppelt so schnell abtasten wie die höchste Frequenz in Ihrem System).

Eine wichtige Sache zu erkennen ist der Unterschied zwischen diskret und digital . Der Wert einer Probe in einem diskreten Signal kann eine beliebige Zahl sein. Andererseits ist ein digitales Signal ein Signal, das nur diskrete Werte haben kann, z. B. 1,2,3 ... usw. Wenn es sich um ein 8-Bit-Signal handelt, beträgt der Maximalwert nur 255.

Um ein digitales Signal zu erfassen, müssen Sie Ihr zeitdiskretes Signal quantisieren. Da Ihre Frage nicht danach gefragt hat, werde ich nicht weiter darauf eingehen.

Um es zusammenzufassen, ich werde Ihnen ein Beispiel hinterlassen, das zeigt, woher die Signale kommen könnten und warum sie digitalisiert werden. Nehmen wir an, Sie möchten ein Mikrofon verwenden, um etwas aufzunehmen. Nehmen wir auch an, dass die Frequenz Ihres Ziels beispielsweise 1 kHz beträgt. Ihr Mikrofon liefert Ihnen eine kontinuierliche Spannung, die Ihre Aufnahme darstellt. Wenn der von Ihnen aufgenommene Ton sinusförmig war, ist Ihre Spannung sinusförmig.

Sie möchten dieses Signal aber auch für einige Verarbeitungszwecke verwenden. Es ist uns egal, welche Art von Verarbeitung Sie durchführen möchten, wir wissen nur, dass Sie dies in einem Mikrocontroller oder einem Computer tun möchten. Wie bereits erwähnt, müssen Sie das Signal zuerst digitalisieren, um diese Informationen in einen Computer einzuspeisen. Sie können dies über ein Gerät namens Analog-Digital-Wandler (ADC) tun. Dieses Gerät nimmt eine kontinuierliche Wellenform auf und spuckt eine digitalisierte Version davon aus. Das digitalisierte Formular wird dann einem Computer zugeführt, der seine Sache macht und die Ausgabe ausspuckt - was natürlich auch digital ist. Um diese Aufnahme anzuhören, müssen Sie das digitale Signal mithilfe eines Digital-Analog-Wandlers (DAC) in ein analoges (Continuos) Signal umwandeln. Die analoge Version wird verstärkt und dann über Kopfhörer oder einen Lautsprecher abgespielt. Hoffe das hilft.

Aktualisieren:

Kontinuierliches Signal: Angenommen, Sie hören eine Sirene auf normale Weise. Wir können sagen, dass sie kontinuierlich ist. Das ist rein analog.

Diskretes Signal: Wenn Sie beim Hören des oben Gesagten beide Ohren kontinuierlich mit den Fingern schließen und öffnen, ist dies ein diskretes Signal. Hier überspringen Sie, auf positive Weise sammeln Sie einige Abtastwerte des Signals. Dieses Signal ist diskret, aber nicht digital. Wenn Sie hier Ihre Ohren mit einer höheren Geschwindigkeit schließen und öffnen, können Sie die Zunahme oder Dekrete der Alarmlautstärke verstehen. Das heißt, Sie können die analogen Informationen mit einer minimalen Verzerrung erhalten.

Digitales Signal : Sie schreiben jedes abgetastete Volumen des Alarms auf ein Papier und stellen es in digitaler Form dar. Dies wird als digitales Signal bezeichnet.

Das analoge Signal ist kontinuierlich, während das digitale Signal diskret ist. Die diskrete Natur wird erreicht, indem ein Teil des analogen Signals übersprungen und das resultierende Signal mittels Symbolen dargestellt wird.

Wenn wir sowohl analoge als auch digitale Signale betrachten, die dieselben Informationen enthalten (reale Daten), können wir sagen, dass das analoge Signal die genauesten und originellsten Informationen enthält.

Die Welt besteht aus analogen Daten, und wir konvertieren sie aufgrund einiger schöner Eigenschaften des digitalen Signals in digitale. Sie können mehr aus jedem Buch über digitale Elektronik oder digitale Kommunikation verstehen.

Obwohl es hier gute Antworten gibt, habe ich das Gefühl, dass über eine wichtige Sache nicht genug gesprochen wird. Saad erwähnte, dass die diskreten Signale Sequenzen sind und je kürzer die Zeit ist, desto besser wird das ursprüngliche Signal dargestellt, und hier berühren wir zumindest meiner Meinung nach den wichtigsten Unterschied zwischen kontinuierlichen und diskreten Signalen:

Während der Zeit T (in Saads erstem Diagramm), die die Zeit zwischen zwei Abtastwerten in einem diskreten Signal ist, gibt es tatsächlich keine Informationen über das Signal. Dies ist wichtig, da bei der Signalverarbeitung viele Probleme auftreten, von denen Sie wahrscheinlich später erfahren werden. Da wir normalerweise diskrete Signale erhalten, indem wir kontinuierliche Signale abtasten, haben wir absolut keine Ahnung, was mit dem kontinuierlichen Signal zwischen zwei Abtastwerten des diskreten Signals los ist.

Schauen wir uns zum Beispiel dieses Bild aus Wikipedia an:

Nehmen wir an, das rote Signal ist unser kontinuierliches Signal und die schwarzen Punkte sind Abtastwerte unseres diskreten Signals. Wenn Sie "die Punkte verbinden", dh versuchen, das diskrete Signal zu interpolieren, erhalten Sie das blaue Signal, das sich stark vom roten Signal unterscheidet. Ja, das Abtasttheorem wurde erwähnt, aber in einigen Fällen wissen Sie in der realen Welt nicht, welchen Bereich von Eingangsfrequenzen zu erwarten ist, und Sie verfügen möglicherweise nicht über genügend Laborgeräte, um zu versuchen, die tatsächliche Wellenform des Signals aufzuzeichnen.

Das Fazit lautet also: Diskrete Signale liefern nur Daten, die sie tatsächlich liefern! Während diese Tautologie offensichtlich und nicht erwähnenswert erscheint, neigen die Leute dazu anzunehmen, dass diskrete Signale tatsächlich mit der richtigen Frequenz abgetastet werden und dass sie eine Darstellung des ursprünglichen Signals mit ausreichend hoher Wiedergabetreue liefern. Dies ist nicht immer der Fall!

$x(t)$ist ein analoges Signal, das zeitlich und in der Spannung kontinuierlich ist. So wandeln es in ein digitales Signal muss man zuerst probieren es, was bedeutet , dass Sie den Wert des Signals nehmen in einem bestimmten Intervall, beispielsweise einmal alle ms für ein 1ksps (Kilo Probe pro Sekunde) Signal. Der Spannungsbereich ist immer noch kontinuierlich. Der tatsächliche ADC (Analog-Digital-Wandlung) misst die Spannung an jeder Probe als numerischen Wert . Wir sagen, das Signal ist quantisiert . Da es jetzt als numerischer Wert dargestellt wird, kann es keinen Wert wie in einem kontinuierlichen Bereich annehmen. Die Auflösungbestimmt, wie viele Werte das quantisierte Signal annehmen kann. Ein 8-Bit-Signal kann 256 verschiedene Werte annehmen. Wenn Ihr Eingangssignalbereich 2,56 V beträgt, ist jeder nächste diskrete Wert 10 mV höher als der vorherige. Sie haben also einen 50-mV-Wert und einen 60-mV-Wert, aber nichts dazwischen . Dies wird in einem Diagramm häufig als Treppensignal oder mit einem diskreten Punkt dargestellt, wie im obigen Diagramm. In jedem Fall ist die fließende Linie verschwunden.
Digital bedeutet, dass es durch eine Folge von Zahlen dargestellt wird, eine für jede aufeinanderfolgende Stichprobe. Diese Darstellung kann eine enge Annäherung an das ursprüngliche Signal sein, wenn Sie schnell genug mit einer hohen Auflösung von beispielsweise 20 Bit abtasten. Wenn Sie jedoch genau hinschauen, sehen Sie immer noch die Treppenstufen.

Ein binäres Signal, nur 0 und 1 ist nur ein mögliches digitales Signal, und zwar mit 1 - Bit - Auflösung, obwohl es oft dargestellt ist das digitale Signal. Digitale Signale können eine Vielzahl von Werten annehmen.

[Normalerweise würde ich eine 3,5 Jahre alte Frage nicht beantworten, aber keine der vorhandenen Antworten beantwortet tatsächlich die Frage des Einreichers.]

Nach meinem Verständnis geht es darum, wie analoge und digitale (kontinuierliche und diskrete) Signale physikalisch erzeugt werden und welche physikalischen Unterschiede sie aufweisen. Die einfachste Antwort darauf ist, dass alle physikalischen Signale analog sind . Der wirkliche Unterschied besteht darin, wie wir sie interpretieren. Um dies zu verstehen, schauen wir uns ein nichtelektrisches Beispiel eines diskreten Systems an - die Sprache.

Dieses Bild ( Quelle ) zeigt handschriftliche Zahlen:

Sind diese fünf Symbole identisch? Nein, aber sie sind alle die Nummer 3. Warum? Da wir uns darauf geeinigt haben, dass wir in bestimmten Kontexten (Schreiben von Zahlen) eine kleine Anzahl von Symbolen (Ziffern) verwenden und alles, was wir als eines dieser Symbole betrachten, interpretieren werden. Obwohl alle hundert Symbole in diesem Bild unterschiedlich sind, sagen wir, dass es nur zehn Ziffern enthält:

Dies bedeutet, dass wir die Informationsmenge, die ein Symbol tragen kann, begrenzt haben, was als Quantisierung bezeichnet wird . Wir haben uns auch entschlossen, die Symbole auf der Seite zu trennen, was als Diskretisierung oder Stichprobe bezeichnet wird . (In der Elektronik werden Symbole normalerweise zeitlich und nicht räumlich getrennt.) Dies alles hat einige große Vorteile:

• Fehlertoleranz: Wenn ein Symbol verschmiert oder verblasst ist, können Sie normalerweise erkennen, um was es sich handelt.
• Kopieren: Eine Kopie eines Symbols enthält genau die gleichen Informationen wie das ursprüngliche Symbol.

Betrachten wir nun ein analoges "System" - das Malen. Hier sind zwei Gemälde. Der erste ist Vincent van Goghs "Sternennacht". Die zweite ist eine Kopie eines anderen Künstlers.

Obwohl diese Bilder das gleiche Thema auf ähnliche Weise zeigen, sagen wir normalerweise nicht, dass sie das gleiche sind. Warum? Wieder ist die Antwort Kontext. Beim Betrachten von Kunst kümmern wir uns um alle Informationen im Bild. Das zweite Bild ist eine Kopie des ersten, aber keine identische Kopie, und es enthält nicht die gleichen Informationen wie das Original. Wenn Sie eine Kopie der Kopie erstellen, gehen noch mehr Informationen verloren oder werden geändert.

Warum also überhaupt analoge Signale verwenden? Weil die Welt analog ist. Unser Körper und unsere Sinne sind analog. Was wir hören und sehen, ist analog. Alle Informationen, die in unser Gehirn gelangen, müssen über ein analoges Medium erfolgen.

Analoge elektronische Systeme verhalten sich wie die Informationen, die sie enthalten. Denken Sie an die Grooves einer Schallplatte - sie sind wie Schallwellen geformt . "Analog" und "Analogie" kommen von einem griechischen Wort, das "verhältnismäßig" bedeutet. Um ein analoges elektronisches System herzustellen, müssen Sie lediglich eine Spannung oder einen Strom erzeugen, die bzw. der proportional zu einer anderen physikalischen Größe ist - Druck (Ton), Lichtintensität (Video), Position (Benutzereingabe) usw. Dies ist einfach tun, weshalb es zuerst gemacht wurde. Es ist schwer, es gut zu machen. Hier kommt Digital ins Spiel.

In einfachen digitalen elektronischen Systemen gibt es nur zwei Symbole - 1 und 0. Physikalisch sind dies Spannungen. Zum Beispiel könnten wir sagen, dass jede Spannung von weniger als 2,5 Volt eine 0 ist und jede Spannung von mehr als 2,5 Volt eine 1. Dann brauchen wir eine Schaltung, die die Quantisierung implementiert. Beispielsweise könnte eine Schaltung 5 Volt ausgeben, wenn sich der Eingang irgendwo im Bereich von 1 befindet, und 0 Volt, wenn sich der Eingang irgendwo im Bereich von 0 befindet. Das ist im Grunde ein Verstärker mit hoher Verstärkung. (Wir können Varianten dieser Schaltung verwenden, um die Boolesche Algebra zu implementieren.) Schließlich müssen wir die Abtastung implementieren. Dies geschieht mit Hilfe eines speziellen Signals, das als Takt bezeichnet wird und normalerweise eine Rechteckwelle ist, und einer speziellen Schaltung, die als Latch oder Flip-Flop bezeichnet wird .

Mit diesen Bausteinen können wir digitale Daten auf viele Arten kopieren und verarbeiten. Der Nachteil ist, dass jedes Symbol so wenig Informationen enthält, dass viele Symbole (und Schaltkreise) erforderlich sind, um nützliche Arbeiten auszuführen. In den letzten Jahrzehnten hat die Technologie integrierter Schaltkreise dazu geführt, dass exponentiell mehr Schaltkreise zu denselben Kosten in denselben Raum passen. Mit genügend Bits, einer ausreichend schnellen Abtastrate und genügend Schaltkreisen können digitale Systeme die Informationsmenge in analogen Signalen erreichen oder überschreiten. Ab diesem Zeitpunkt dominieren die Vorteile von Digital und wir landen in der Welt, die wir heute haben.

Da in der Frage die Kommunikation erwähnt wurde, sollte ich darauf hinweisen, dass digitale Kommunikationssysteme häufig mehr als zwei Symbole verwenden, damit mehr Daten in dieselbe Bandbreite passen.

Man muss zwischen verschiedenen Welten unterscheiden.
Das:

• Analoge Welt und
• Digitale Welt

Die Vorstellung ist jedoch, dass die:

• Die analoge Welt ist (mathematisch gesehen) ein Kontinuum . Das heißt, es kann nicht gezählt werden
• Die digitale Welt ist ein (mathematisch gesehenes) NICHT Kontinuum . Das heißt, es kann gezählt werden.

Digital bedeutet übrigens gar nicht 0 oder 1!
Sogar die Symbole 0 bis 9 sind digital! Sie könnten sogar einen Dezimalcomputer bauen, der vier Ziffern von 0 bis 9 speichern kann. Sie könnten also 0000-9999 darstellen, 10 ^ 4 = 10.000 Werte. Es ist also endlich und daher digital. Aber das macht niemand, weil Binärdateien einfacher zu erstellen sind ^^

In Bezug auf das Signalmaterial werden diese beiden oben beschriebenen Welten verwendet. Wenn Sie zum Beispiel mit jemandem sprechen, handelt es sich um ein analoges Signal. Sie können Ihre Stimme auf endlose Weise ändern! Sie können Ihre Stimme jedoch mit einem AD-Wandler in ein Binärsignal umwandeln.

Ob ein Signal analog oder digital ist, hängt davon ab, was der Empfänger damit macht. Ferner sollten Signale mit zwei Aspekten betrachtet werden - Pegel und Zeit - von denen jeder entweder kontinuierlich oder diskret sein kann. Es sind also vier Kombinationen von kontinuierlich / diskret zu berücksichtigen.

Ein Signal wird als Signal mit diskretem Pegel betrachtet, wenn die Geräte, die zu einem bestimmten Zeitpunkt beobachtet werden, nichts anderes tun, als festzustellen, ob es über oder unter verschiedenen Pegeln liegt. Es handelt sich um ein Signal mit kontinuierlichem Pegel, wenn der genaue Pegel des Signals innerhalb des Betriebsbereichs des Geräts für die Bestimmung seines Ausgangs von Bedeutung ist.

Ein Signal wird als zeitdiskretes Signal betrachtet, wenn es einen Prozess gibt, der den Zustand des Signals zu bestimmten bestimmten Zeitpunkten untersucht und den Zustand dieses Signals zu anderen Zeiten ignoriert.

Einige Arten von Schaltungen wie Filter mit geschalteten Kondensatoren tasten das Eingangssignal zu diskreten Zeiten ab und ignorieren es zu anderen Zeiten, haben jedoch einen Ausgang, der in analoger Funktion vom Eingang abhängt. Andere Arten von Schaltkreisen wie ein FM-Radioempfänger suchen möglicherweise kontinuierlich nach Signalflanken und nicht nur zu diskreten Zeiten, kümmern sich jedoch zu keinem Zeitpunkt um den Signalpegel, außer um die Frage, ob er niedrig oder hoch ist. Viele häufige Situationen, in denen Prozessoren Signale zugeführt werden, erfordern jedoch die Quantifizierung von Pegel und Zeit.