Мы живем в мире аналоговых сигналов. Аналоговый сигнал подразумевает непрерывное изменение своих параметров, подобное движению конца секундной стрелки вдоль окружности циферблата часов. Голос является аналоговым сигналом, поскольку голосовые колебания могут иметь различную амплитуду в любой точке звукового диапазона. Звук также является аналоговым сигналом, поскольку может изменяться в широком диапазоне. Электронное оборудование типа передающих и принимающих устройств использует аналоговые цепи для обеспечения непрерывного изменения параметров. Аналоговое электронное оборудование было распространено до появления компьютеров. Рассмотрим электрический свет, яркость которого регулируется с помощью реостата. Вращение ручки реостата для установления необходимой яркости света является аналоговой операцией, причем яркость изменяется непрерывно. У системы отсутствуют какие-либо дискретные состояния, так что можно легко регулировать яркость, резко прибавляя или убавляя ее. Напротив, цифровой сигнала подразумевает дискретность значений параметров системы, проявляющуюся, например, в высвечивании значений времени на электронных часах. В цифровых системах вся информация существует в виде цифровых импульсов. В отличие от ламп с реостатными регуляторами яркости, лампы с трехкнопочным переключателем яркости являются цифровыми устройствами. Каждому положению переключателя этих ламп соответствует определенный уровень яркости. Никаких других промежуточных уровней яркости не существует. На рис.1. представлены примеры аналогового и цифрового сигналов. В электронных коммуникациях фундаментальной является возможность преобразования аналогового сигнала в цифровой и наоборот. Цифровые стереосистемы используют запись музыкальных произведений в цифровой форме в виде серии чисел, представляющих собой кодировку информации об аналоговом музыкальном сигнале. Электронные проигрывающие устройства цифровых стереосистем преобразуют цифровой сигнал в аналоговый, соответствующий звучанию музыки.
Рис. 1. Аналоговая и цифровая информация
Основы цифрового сигнала: биты и байты.
В основе любой цифровой системы лежит понятие бита (сокращение от английского binarydigit— двоичный разряд). Бит является основной единицей цифровой информации, принимающей одно из двух значений: 1 или 0.
Существует много способов представления бита. В электронике достаточно общим является наличие или отсутствие некоторого уровня напряжения: наличие напряжения соответствует 1, а его отсутствие — 0. Значение одного бита 1 или 0 может представлять только одно состояние системы — такое как «включено» или «выключено». Например, состояние лампы может быть представлено 0, если она выключена, и 1 во включенном состоянии: Выключена=0 Включена = 1.
Один бит информации, таким образом, имеет достаточно ограниченную емкость. Для описания состояний лампы с переключателем на три уровня яркости мы можем использовать 2 бита:
− Выключена=00 Включена=01
− Средний уровень яркости =10
− Максимальный уровень яркости =11
Два бита позволяют воспроизводить больший объем информации, чем один бит. В примере с лампой 2 бита позволяют различать четыре различных состояния лампы. Чем больше битов используется в одном блоке, тем больше его информационная емкость. В компьютерах обычно применяют блоки из 8 битов (либо с числами, кратными 8, такими как 16 или 32).
Восьмибитовый блок называется байтом. В одном байте можно с запасом хранить цифровую информацию о всех буквах, числах и других символах печатной машинки или клавиатуры компьютера. Использование 8 битов допускает 256 различных вариантов цепочек из 1 и 0. Число различных комбинаций или значений цепочек длиной в п бит равно 2. Например, 16 битов дают 65536 комбинаций. При добавлении одного бита число возможных комбинаций удваивается.
Схематическое изображение цепочки импульсов представлено на рис. 2. Переход из одного состояния в другое вдоль цепочки импульсов происходит мгновенно. Подобного рода упрощенные диаграммы отражают характеристики цепочек импульсов и дают инженерам и техникам возможность сравнивать их между собой. Цепочка импульсов соответствует последовательности 1 и 0 цифровой информации и может представлять собой чередование интервалов высокого и низкого уровней напряжения, либо его наличие и отсутствие. На языке электроники цифра 1 представляет наличие напряжения, либо его максимальное значение. Цифра 0 — отсутствие напряжения, либо его минимальное значение. Таким образом, можно говорить о 1 как о состоянии включено, или максимуме, а о 0, как о состоянии выключено, или минимуме.
Рис. 2. Идеальная последовательность импульсов (рисунок предоставлен AMPIncorporated)
В действительности изменение амплитуды импульса не происходит мгновенно, как показано на рис. 4. Электронные системы имеют конечное время срабатывания — требуется определенное время для того, чтобы значение напряжения или мощности светового сигнала перевести из состояния включено в состояние выключено, либо осуществить переключение между максимальным (высокое) и минимальным (низкое) значениями. Имеется также ограничение на длительность импульса. Даже в компьютерных системах, допускающих переключение от тысячи до миллиона импульсов в секунду, требуется одна миллионная или одна миллиардная доля секунды на процесс переключения. При решении инженерных задач, связанных с цифровыми системами, необходимо учитывать форму импульса. Рис. 3 показывает различные характеристики импульса.
Рис. 3. Форма импульса
Амплитуда характеризует высоту импульса и уровень энергии в импульсе. Величина энергии может определяться напряжением в цифровых системах или оптической мощностью в волоконно-оптических системах. Отметим, что в различных системах используются разные виды энергии.
Время нарастания — время, в течение которого импульс увеличивается от 10 % до 90 % уровня максимальной амплитуды.
Время спада, противоположное времени нарастания, соответствует интервалу уменьшения амплитуды от 90 % до 10 %. Время нарастания и спада в ряде случаев может различаться.
− Ширина импульса соответствует временному интервалу, в течение которого амплитуда импульса превосходит уровень в 50 % от максимальной амплитуды.
Время нарастания является очень важным параметром в электронике и волоконной оптике, поскольку оно ограничивает скорость работы системы. Действительно, скорость, с которой импульс может быть включен и выключен, будет определять максимальную частоту возникновения импульсов. Наиболее простой путь увеличения скорости работы системы — уменьшение времени нарастания и спада импульса, ускоряя тем самым процесс включения и выключения импульсов. При этом через систему проходит большее количество импульсов в течение заданного интервала времени. Даже если амплитуда импульса и его ширина остаются без изменений, уменьшение времени нарастания приводит к увеличению скорости работы. Уменьшение времени нарастания и спада импульса позволяет уменьшить и ширину импульса, что приводит к еще большему увеличению скорости работы. Наоборот, при увеличение времени нарастания импульса снижается скорость работы системы.
Литература:
- Гоноровский И. С. Радиотехнические цепи и сигналы [Текст]: учеб. пособие / И. С. Гоноровский, М. П. Демин. М.: Радио и связь, 1994.
- Рабинер, Л. Теория и применение цифровой обработки сигналов [Текст]: пер. с англ./ Л. Рабинер, Б. Гоулд. М.: Мир, 1979.
- Хоровиц П., Хилл У. Искусство схемотехники. Т. 1. М.: Мир, 1984.
- Гутников В. С. Интегральная электроника в измерительных устройствах. 2-е изд. Л.: Энергоатомиздат, 1988.
- Д. В. Сеньков, И. А. Запрягаев. Цифро-аналоговые и аналого-цифровые преобразователи / Новосибирск 2009.
