Pergunta geral sobre sinais analógicos e digitais

Alerta para iniciantes: Eu não sou engenheiro elétrico, nem nunca fiz engenharia elétrica, então, por favor, tenha paciência comigo.

Sempre que leio sobre a distinção entre sinais digitais e analógicos, geralmente é anexado um gráfico como este (ou semelhante a este):

Considere a ilustração inferior por um momento (sinal digital). Para meu melhor entendimento, a corrente elétrica é contínua; portanto, se for esse o caso, não há como fluir dessa maneira em qualquer meio. Em outras palavras: não há "ondas quadradas".
Então, o que exatamente isso representa?
É apenas interpretação, sempre que a tensão passa por alguma barreira ou cai sob ela? Ou seja, quando a tensão está acima de algum limite escolhido arbitrariamente, consideramos-a como "alta", mas, caso contrário, a consideramos "baixa"?

Por favor, eu sei que isso nem sempre é possível, mas tente responder de uma maneira que um leigo entenda.

Basicamente, do ponto de vista elétrico, todo sinal "digital" é, como você diz, apenas uma aproximação de uma onda quadrada. Em particular, terá tempos finitos de ascensão e queda.

Em altas velocidades, pode ser difícil garantir uma aparência tão boa quanto a teoria deseja. Para garantir que o sinal ainda seja detectado como digital (ou seja, o receptor não fica totalmente confuso com um sinal de formato horrível), o chamado diagrama de olho (também conhecido como padrão de olho ) é usado para medir suas características em várias amostras.

Muitos padrões (por exemplo, USB e o que não) definem algumas características aceitáveis ​​para este diagrama.

Observe que um padrão / diagrama de olho não está restrito a apenas dois níveis de [tensão]. Também é aplicável quando você possui vários níveis de saída discretos . Por exemplo, a Gigabit Ethernet sobre pares trançados (1000BASE-T) usa não dois, mas cinco níveis de tensão diferentes.

É nossa interpretação sempre que a tensão passa por alguma barreira ou cai sob ela? Ou seja, quando a tensão está acima de algum limiar escolhido arbitrariamente, a consideramos "alta", mas, de outra forma, a consideramos "baixa"?

Basicamente, sim, é assim que funciona, alguns limites de tensão para o que é "1" e o que é "0" são decididos por algum padrão.

Sinais digitais são binários . Eles têm apenas dois estados - ativado ou desativado, alto ou baixo, alto ou baixo - como você quiser chamá-los. Como você deduziu, há um limite acima do qual o valor é considerado alto e outro limite abaixo do qual o valor é considerado baixo. O digital é muito simples de ser feito com os transistores, ativando-os ou desativando-os totalmente.

Sinais analógicos são análogos à quantidade que estão medindo. por exemplo, uma balança pode fornecer uma tensão proporcional à carga - digamos 0 a 10 V para uma carga de 0 a 200 kg. Outro exemplo é o sinal de um microfone que varia com a pressão do som que afeta o diafragma do microfone. Nesse caso, a frequência variará com o tom do som e a amplitude variará com o volume.

De alguma forma, você percebeu um pouco de confusão; deixe-me ver se eu posso ajudar.

Quando se trata de "sinais digitais", há mais de um nível no qual esse termo se aplica. Parece que você entendeu os sinais analógicos - um valor contínuo que muda com o tempo.

O "analógico" digital (perdoe o trocadilho) é uma série de valores numéricos; cada valor numérico corresponde a um ponto no tempo e, geralmente, os pontos são espaçados em intervalos regulares. Além disso, existe um intervalo de valores numéricos disponíveis para o processo e, geralmente, esse é um poder de dois - por exemplo, 256 valores para oito bits ou 65.536 para 16 bits, se a maneira como você representa valores é por palavras binárias.

Agora, o que acabei de descrever é uma abstração; um sinal digital pode ser transmitido com bandeiras de semáforo, se alguém assim o desejar. Mas se escolhermos representar um sinal digital por meio de um conjunto de sinais elétricos dispostos um condutor por bit em paralelo, então cada um desses sinais é realmente um sinal analógico, como os outros aqui estavam sugerindo. É o trabalho dos eletrônicos, então, gerar esses sinais e recebê-los / decodificá-los adequadamente.

Além disso, você pode transmitir sinais digitais em série, em vez de em paralelo, enviando cada bit de cada valor em sequência; você pode fazer isso com um único condutor, em vez do valor de muitos bits que estiver usando e, como também foi dito aqui, existem esquemas mais complexos do que usar apenas uma tensão ou corrente "alta" para significar "1" ou "true" e uma tensão ou corrente "baixa" ou zero para significar "0" ou "false".

E você está correto - um sinal analógico nunca pode ter uma alteração instantânea; as razões para isso são muitas e não vou abordar todas elas aqui, exceto uma: as mudanças na corrente de um condutor sempre resistem a si mesmas (o que se segue diretamente das equações de Faraday). Mas, na prática, ao projetar circuitos digitais, a idéia é fazer com que a transição entre estados seja suficientemente curta em relação à duração do menor intervalo entre transições, o que não importa. Essa suposição começa a falhar quando você usa um cabo Ethernet muito longo, por exemplo.

O sinal digital não quer representar o sinal analógico como "coisas ao quadrado", portanto, quando você vê um 1 em um sinal digital, isso não equivale a uma alta amplitude no singlal do anlog, mas deseja representar a altura da amplitude para tempos diferentes como um número (mas em formato binário). Muitos números binários querem representar a altura da amplitude para um tempo específico.

Considere esta imagem da BBC:

O gráfico acima é a forma analógica. A partir disso, um valor é obtido a cada segundo (mas isso pode chegar a 40 milhões de vezes por segundo e muito mais). Este valor é a altura da amplitude do sinal analógico.

Vamos chamá-lo de "passo" quando pegarmos o valor.

Em cada etapa, a altura da amplitude é registrada. A altura é um número, que pode ser representado como 0 e 1 (por exemplo, 10 seria 1010).

Veja, quanto mais valores medimos a cada segundo, mais dados precisam ser salvos / transmitidos e mais preciso será o formato digital resultante desse sinal analógico.

Além disso, quanto maior o valor, mais preciso será o formato digital resultante. (por exemplo, quando tomamos valores de 0 a 10, existem apenas 10 valores - não muito precisos. Quando remodularíamos esse sinal digital em um analógico, a curva não seria muito "boa". Mas, quando tomamos valores de 0 a 16000, isso será muito mais preciso.) Além disso, mais bits devem ser salvos aqui a cada passo.

Se você salvar 64Bit em cada etapa e a etapa for realizada uma vez por segundo, você salvará 64Bit / s. Se você salvar 32Bit em cada etapa e a etapa for realizada duas vezes por segundo, você também salvará 64Bit / s. Se você salvar 16Bit em cada etapa e a etapa for realizada 4 vezes por segundo, você também terá 64Bit / s.

Existem muitas maneiras de transmitir um sinal digital. Por exemplo, "alterando a tensão", que é chamada "Modulação de amplitude", que é mostrada no gráfico (mas é claro que NUNCA é um quadrado perfeito!). Modulação de amplitude significa apenas que você indica que existe 1 por uma amplitude alta (alta tensão) e 0 por uma baixa.

Existem outras técnicas de modulação como Modulação de Frequência (FM, que é usada com rádios - você indica 1 com alta frequência e 0 com baixa) ou Modulação de Amplitude de Pulso, usada em Ethernet e muito mais!