Question générale sur les signaux analogiques et numériques

Alerte pour les débutants: je ne suis pas ingénieur électricien, et je n'ai jamais fait de génie électrique, alors soyez indulgent avec moi.

Chaque fois que je lis sur la distinction entre les signaux numériques et analogiques, un graphique comme celui-ci (ou similaire à celui-ci) est généralement joint:

Considérez l'illustration du bas pendant un moment (signal numérique). À ma meilleure compréhension, le courant électrique est continu, donc si c'est le cas, il n'y a aucun moyen qu'il circule de cette manière sur n'importe quel support. En d'autres termes: il n'y a pas de "vagues carrées".
Alors qu'est-ce que cela représente exactement?
Est-ce juste une interprétation, chaque fois que la tension passe une barrière ou tombe en dessous? Autrement dit, lorsque la tension est supérieure à un certain seuil choisi arbitrairement, nous la considérons comme «élevée», mais sinon nous la considérons comme «faible»?

S'il vous plaît, je sais que ce n'est pas toujours possible, mais essayez de répondre d'une manière qu'un profane comprendrait.

Fondamentalement, d'un point de vue électrique, chaque signal "numérique" n'est, comme vous le dites, qu'une approximation d'une onde carrée. Elle aura notamment des temps de montée et de descente finis.

À des vitesses élevées, il peut être difficile de s'assurer qu'il a l'air aussi beau que le veut la théorie. Pour garantir que le signal est toujours détecté en tant que numérique (c'est-à-dire que le récepteur ne se confond pas complètement avec un signal de forme horrible), le soi-disant diagramme des yeux (alias motif des yeux ) est utilisé pour mesurer ses caractéristiques sur un certain nombre d'échantillons.

De nombreuses normes (par exemple USB et autres) définissent certaines caractéristiques acceptables pour ce diagramme.

Notez qu'un schéma / diagramme des yeux n'est pas limité à seulement deux niveaux [de tension]. Il est également applicable lorsque vous avez un certain nombre de niveaux de sortie discrets . Par exemple, Gigabit Ethernet sur paires torsadées (1000BASE-T) utilise non pas deux mais 5 niveaux de tension différents.

Est-ce simplement notre interprétation de chaque fois que la tension passe une barrière ou tombe en dessous? Autrement dit, lorsque la tension est supérieure à un certain seuil choisi arbitrairement, nous la considérons comme «élevée», mais sinon nous la considérons comme «faible»?

Fondamentalement, oui, c'est ainsi que cela fonctionne, certains seuils de tension pour ce qui est "1" et ce qui est "0" sont déterminés par une certaine norme.

Les signaux numériques sont binaires . Ils n'ont que deux états - marche ou arrêt, haut ou bas, haut ou bas - comme vous voulez les appeler. Comme vous l'avez déduit, il existe un seuil au-dessus duquel la valeur est réputée élevée et un autre seuil au-dessous duquel la valeur est réputée faible. Le numérique est très simple à faire avec les transistors en les activant ou les désactivant complètement.

Les signaux analogiques sont analogues à la quantité qu'ils mesurent. par exemple, une balance peut émettre une tension proportionnelle à la charge - disons 0 à 10 V pour une charge de 0 à 200 kg. Un autre exemple est le signal d'un microphone qui varie avec la pression acoustique affectant le diaphragme du microphone. Dans ce cas, la fréquence variera avec la hauteur du son et l'amplitude variera avec le volume.

D'une certaine manière, vous avez pris un peu de confusion; laissez-moi voir si je peux vous aider.

En ce qui concerne les "signaux numériques", il y a plus d'un niveau auquel ce terme s'applique. Il semble que vous ayez l'idée de signaux analogiques - une valeur continue qui change avec le temps.

L '«analogique» numérique (pardonnez le jeu de mots) est plutôt une série de valeurs numériques; chaque valeur numérique correspond à un point dans le temps et généralement les points sont espacés à intervalles de temps réguliers. De plus, il existe une gamme de valeurs numériques disponibles pour le processus et généralement c'est une puissance de deux - par exemple, 256 valeurs pour huit bits ou 65 536 valeurs pour 16 bits si la façon dont vous représentez les valeurs est en mots binaires.

Maintenant, ce que je viens de décrire est une abstraction; un signal numérique peut être véhiculé en agitant des drapeaux de sémaphore si quelqu'un le souhaite. Mais si, au lieu de cela, nous choisissons de représenter un signal numérique via un ensemble de signaux électriques disposés un conducteur par bit en parallèle, alors chacun de ces signaux est en effet un signal analogique comme d'autres le suggéraient ici. C'est donc le travail de l'électronique de générer ces signaux et de les recevoir / décoder en conséquence.

En outre, vous pouvez transmettre des signaux numériques en série plutôt qu'en parallèle en envoyant chaque bit de chaque valeur en séquence; vous pouvez le faire sur un seul conducteur au lieu du nombre de bits que vous utilisez et comme cela a également été dit ici, il existe des schémas plus complexes que d'utiliser une seule tension ou un courant "élevé" pour signifier "1" ou "vrai" et une tension ou un courant "faible" ou nul pour signifier "0" ou "faux".

Et vous avez raison - un signal analogique ne peut jamais avoir de changement instantané; les raisons en sont nombreuses et je ne les aborderai pas toutes ici sauf une: les variations de courant dans un conducteur se résistent toujours (ce qui découle directement des équations de Faraday). Mais en pratique, lors de la conception de circuits numériques, l'idée est que la transition entre les états soit suffisamment courte par rapport à la longueur du plus petit intervalle entre les transitions, cela n'a pas d'importance. Cette hypothèse commence à échouer lorsque vous utilisez un câble Ethernet trop long, par exemple.

Le signal numérique ne veut pas représenter le signal analogique comme des "choses au carré", donc quand vous voyez un 1 dans un signal numérique ce n'est pas équivalent à une amplitude élevée dans le singal anlog, mais il veut représenter la hauteur de l'amplitude à différents moments sous forme de nombre (mais au format binaire). Tant de nombres binaires veulent représenter la hauteur de l'amplitude à un moment précis.

Considérez cette image de la BBC:

Le graphique ci-dessus est la forme analogique. De là, une valeur est prise chaque seconde (mais cela peut aller jusqu'à 40 millions de fois par seconde et bien plus encore). Cette valeur est la hauteur d'amplitude du signal analogique.

Appelons cela "étape" lorsque nous prenons la valeur.

À chaque étape, la hauteur de l'amplitude est enregistrée. La hauteur est un nombre, qui peut être représenté par 0 et 1 (par exemple, 10 serait 1010).

Vous voyez, plus nous mesurons de valeurs par seconde, plus les données doivent être enregistrées / transmises et plus le format numérique résultant de ce signal analogique sera précis.

En outre, plus la valeur peut être élevée, plus le format numérique résultant sera précis. (par exemple, lorsque nous prenons des valeurs de 0 à 10, il n'y a que 10 valeurs - pas très précises. Lorsque nous remodulions ce signal numérique en un signal analogique, la courbe ne serait pas très "bonne". Mais lorsque nous prenons des valeurs de 0 à 16000, ce sera beaucoup plus précis.) De plus, plus de bits doivent être enregistrés ici à chaque étape.

Si vous enregistrez 64 bits à chaque étape et que l'étape est effectuée une fois par seconde, vous enregistrez 64 bits / s. Si vous enregistrez 32 bits à chaque étape et que l'étape est effectuée deux fois par seconde, vous enregistrez également 64 bits / s. Si vous enregistrez 16 bits à chaque étape et que l'étape est effectuée 4 fois par seconde, vous disposez également de 64 bits / s.

Il existe de nombreuses façons de transmettre un signal numérique. Par exemple en "changeant la tension" qui est appelée "Modulation d'amplitude", qui est montrée dans votre graphique (mais bien sûr ce n'est JAMAIS un carré parfait!). La modulation d'amplitude signifie simplement que vous indiquez qu'il y a un 1 par une amplitude élevée (haute tension) et un 0 par une faible.

Il existe d'autres techniques de modulation comme la modulation de fréquence (FM qui est utilisée avec les radios - vous indiquez un 1 avec une fréquence élevée et un 0 avec une basse) ou la modulation d'amplitude d'impulsion qui est utilisée en Ethernet et bien d'autres!