Pregunta general sobre señales analógicas y digitales

Alerta para novatos: no soy un ingeniero eléctrico, ni he tomado ingeniería eléctrica, así que tengan paciencia conmigo.

Cada vez que leo sobre la distinción entre señales digitales y analógicas, generalmente se adjunta un gráfico como este (o similar a este):

Considere la ilustración inferior por un momento (señal digital). A mi entender, la corriente eléctrica es continua, por lo que si ese es el caso, no hay forma de que fluya de esa manera en ningún medio. En otras palabras: no hay "ondas cuadradas".
Entonces, ¿qué representa eso exactamente?
¿Es solo interpretación, cuando el voltaje pasa alguna barrera o cae por debajo? Es decir, cuando el voltaje está por encima de un umbral elegido arbitrariamente, ¿lo consideramos "alto" pero por lo demás lo consideramos "bajo"?

Por favor, sé que esto no siempre es posible, pero trate de responder de una manera que un laico entienda.

Básicamente, desde un punto de vista eléctrico, cada señal "digital" es, como usted dice, solo una aproximación de una onda cuadrada. En particular, tendrá tiempos de subida y bajada finitos.

A altas velocidades, puede ser difícil asegurarse de que se vea tan bien como la teoría lo desee. Para garantizar que la señal todavía se detecte como digital (es decir, el receptor no se confunde por completo con una señal de forma horrible), el llamado diagrama de ojo (también conocido como patrón de ojo ) se usa para medir sus características en varias muestras.

Muchos estándares (por ejemplo, USB y otros) definen algunas características aceptables para este diagrama.

Tenga en cuenta que un patrón / diagrama de ojo no está restringido a solo dos niveles [de voltaje]. También es aplicable cuando tiene cualquier cantidad de niveles de salida discretos . Por ejemplo, Gigabit Ethernet sobre pares trenzados (1000BASE-T) usa no dos, sino 5 niveles de voltaje diferentes.

¿Es solo nuestra interpretación cuando el voltaje pasa alguna barrera o cae por debajo? Es decir, cuando el voltaje está por encima de un umbral elegido arbitrariamente, ¿lo consideramos "alto" pero por lo demás lo consideramos "bajo"?

Básicamente, sí, así es como funciona, algunos umbrales de voltaje para lo que es "1" y lo que es "0" se deciden por algún estándar.

Las señales digitales son binarias . Tienen solo dos estados: encendido o apagado, alto o bajo, arriba o abajo, como quieran llamarlos. Como ha deducido, hay un umbral por encima del cual el valor se considera alto y otro umbral por debajo del cual el valor se considera bajo. Lo digital es muy simple de hacer con los transistores al encenderlos o apagarlos por completo.

Las señales analógicas son análogas a la cantidad que están midiendo. p. ej., una balanza puede generar un voltaje proporcional a la carga, digamos de 0 a 10 V para una carga de 0 a 200 kg. Otro ejemplo es la señal de un micrófono que varía con la presión del sonido que afecta el diafragma del micrófono. En este caso, la frecuencia variará con el tono del sonido y la amplitud variará con el volumen.

De alguna manera has recogido un poco de confusión; déjame ver si puedo ayudar.

Cuando se trata de "señales digitales" hay más de un nivel al que se aplica ese término. Parece que tiene la idea de las señales analógicas, un valor continuo que cambia con el tiempo.

El "análogo" digital (perdón por el juego de palabras) es, en cambio, una serie de valores numéricos; cada valor numérico corresponde a un punto en el tiempo y generalmente los puntos están espaciados a intervalos de tiempo regulares. Además, hay un rango de valores numéricos disponibles para el proceso y, por lo general, esta es una potencia de dos, por ejemplo, 256 valores para ocho bits o 65.536 valores para 16 bits si la forma en que representa los valores es mediante palabras binarias.

Ahora lo que acabo de describir es una abstracción; Se puede transmitir una señal digital agitando banderas de semáforos si alguien así lo elige. Pero si, en cambio, elegimos representar una señal digital a través de un conjunto de señales eléctricas dispuestas en paralelo con un conductor por bit, entonces cada una de esas señales es, de hecho, una señal analógica, como sugirieron otras aquí. Es el trabajo de la electrónica, entonces, generar esas señales y recibirlas / decodificarlas en consecuencia.

Además, puede transmitir señales digitales en serie en lugar de en paralelo enviando cada bit de cada valor en secuencia; puede hacerlo a través de un solo conductor en lugar de la cantidad de bits que esté usando y, como también se ha dicho aquí, hay esquemas que son más complejos que usar solo un voltaje o corriente "alta" para significar "1" o "verdadero" y un voltaje o corriente "bajo" o cero para significar "0" o "falso".

Y tiene razón: una señal analógica nunca puede tener un cambio instantáneo; Las razones para esto son muchas y no las analizaré todas aquí salvo una: los cambios en la corriente en un conductor siempre se resisten a sí mismos (eso se deduce directamente de las ecuaciones de Faraday). Pero en la práctica, cuando se diseñan circuitos digitales, la idea es que la transición entre estados sea lo suficientemente corta en relación con la longitud del intervalo más pequeño entre transiciones que no importa. Esa suposición comienza a fallar cuando utiliza un cable Ethernet demasiado largo, por ejemplo.

La señal digital no quiere representar la señal analógica como "cosas cuadradas", por lo que cuando ve un 1 en una señal digital no es equivalente a una gran amplitud en el anlog singal, pero quiere representar la altura de la amplitud a diferentes tiempos como un número (pero en formato binario). Muchos números binarios quieren representar la altura de la amplitud en un tiempo específico.

Considere esta imagen de la BBC:

El gráfico anterior es la forma analógica. A partir de eso, se toma un valor cada segundo (pero esto puede subir hasta 40 millones de veces por segundo y mucho más). Este valor es la altura de amplitud de la señal analógica.

Vamos a llamarlo "paso" cuando tomamos el valor.

En cada paso, se registra la altura de la amplitud. La altura es un número, que se puede representar como 0 y 1 (por ejemplo, 10 sería 1010).

Verá, cuantos más valores medimos cada segundo, más datos se deben guardar / transmitir y más preciso será el formato digital resultante de esta señal analógica.

Además, cuanto mayor sea el valor, más preciso será el formato digital resultante. (por ejemplo, cuando tomamos valores de 0 a 10, solo hay 10 valores, no muy precisos. Cuando remodulamos esta señal digital en una analógica, la curva no sería muy "buena". Pero cuando tomamos valores de 0 a 16000, esto será mucho más preciso.) También se deben guardar más bits aquí en cada paso.

Si guarda 64 bits cada paso y el paso se realiza una vez por segundo, guarda 64 bits / s. Si guarda 32 bits cada paso y el paso se realiza dos veces por segundo, también guarda 64 bits / s. Si ahorra 16Bit cada paso y el paso se realiza 4 veces por segundo, también tiene 64Bit / s.

Hay muchas formas de transmitir una señal digital. Por ejemplo, "cambiando el voltaje" que se llama "Modulación de amplitud", que se muestra en su gráfico (¡pero, por supuesto, NUNCA es un cuadrado perfecto!). La modulación de amplitud solo significa que usted señala que hay un 1 por una amplitud alta (alto voltaje) y un 0 por uno bajo.

Existen técnicas de modulación anterior como la Frecuencia Modulación (FM que se usa con radios; usted indica un 1 con una frecuencia alta y un 0 con una baja) o la Modulación de amplitud de pulso que se usa en Ethernet y muchas más.