Pregunta general sobre las señales analógicas y digitales

Question

Alerta de novato: no soy ingeniero eléctrico, ni he cursado nunca ingeniería eléctrica, así que tened paciencia.

Siempre que leo sobre la distinción entre señales digitales y analógicas, se suele adjuntar un gráfico como éste (o similar a éste):

Considere por un momento la ilustración inferior (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 es exactamente lo que representa?
¿Es sólo una interpretación, cada vez que el voltaje pasa alguna barrera o cae por debajo de ella? Es decir, cuando el voltaje está por encima de algún umbral elegido arbitrariamente, lo consideramos "alto", pero en caso contrario lo consideramos "bajo"?

Por favor, sé que no siempre es posible, pero intente responder de forma que un profano pueda entenderlo.

Answer 1

Básicamente, desde un punto de vista eléctrico, toda señal "digital" es, como dices, sólo una aproximación a una onda cuadrada. En particular, tendrá tiempos de subida y bajada finitos.

A altas velocidades, puede ser difícil asegurar que se vea tan bien como la teoría quiere. Para garantizar que la señal siga siendo detectada como digital (es decir, que el receptor no se confunda totalmente con una señal de forma horrible), se utiliza el llamado diagrama de ojo (alias patrón de ojos ) se utiliza para medir sus características a lo largo de una serie de muestras.

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

Tenga en cuenta que un patrón/diagrama ocular no se limita a dos niveles [de tensión]. También es aplicable cuando se tiene cualquier número de discreto niveles de salida. Por ejemplo, Gigabit Ethernet sobre pares trenzados (1000BASE-T) no utiliza dos, sino 5 niveles de tensión diferentes.

¿Es sólo nuestra interpretación para cuando la tensión pasa alguna barrera o cae por debajo de ella? Es decir, cuando el voltaje está por encima de algún umbral elegido arbitrariamente, lo consideramos "alto", pero en caso contrario lo consideramos "bajo"?

Básicamente, sí, así es como funciona, algunos umbrales de voltaje para lo que es "1" y lo que es "0" son decididos por un cierto estándar.

Answer 2

Las señales digitales son binario . Sólo tienen dos estados: encendido o apagado, alto o bajo, arriba o abajo, como quieras llamarlo. Como has deducido, hay un umbral por encima del cual se considera que el valor es alto y otro umbral por debajo del cual se considera que el valor es bajo. Lo digital es muy sencillo de hacer con los transistores, ya sea encendiéndolos o apagándolos por completo.

Las señales analógicas son análogo Por ejemplo, una balanza puede emitir una tensión proporcional a la carga, por ejemplo 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 sonora que afecta al diafragma del micrófono. En este caso, la frecuencia variará con el tono del sonido y la amplitud variará con la intensidad.

Answer 3

De alguna manera has cogido una pequeña confusión; déjame ver si puedo ayudar.

Cuando se trata de "señales digitales" hay más de un nivel en el que se aplica ese término. Parece que te quedas con 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, por lo general, los puntos están espaciados en intervalos de tiempo regulares. Además, el proceso dispone de una gama de valores numéricos que suele ser una potencia de dos: por ejemplo, 256 valores para ocho bits o 65.536 valores para 16 bits si la forma de representar los valores es mediante palabras binarias.

Ahora bien, lo que acabo de describir es una abstracción; una señal digital puede transmitirse agitando banderas de semáforo si alguien lo desea. Pero si en lugar de eso elegimos representar una señal digital a través de un conjunto de señales eléctricas dispuestas un conductor por bit en paralelo, entonces cada una de esas señales es en realidad una señal analógica, como sugerían otros aquí. El trabajo de la electrónica, entonces, es generar esas señales y recibirlas/decodificarlas en consecuencia.

Además, se pueden transmitir señales digitales en serie en lugar de en paralelo enviando cada bit de cada valor en secuencia; se puede hacer esto a través de un solo conductor en lugar de cualquier valor de bits que se esté utilizando y, como también se ha dicho aquí, hay esquemas que son más complejos que el uso de una sola tensión o corriente "alta" para significar "1" o "verdadero" y una tensión o corriente "baja" o cero para significar "0" o "falso".

Y tienes razón: una señal analógica nunca puede tener un cambio instantáneo; las razones para ello son muchas y no voy a entrar en todas aquí, salvo una: los cambios de corriente en un conductor siempre se resisten a sí mismos (eso se deduce 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 como para que no importe. Esta suposición empieza a fallar cuando se utiliza un cable Ethernet demasiado largo, por ejemplo.

Answer 4

La señal digital no quiere representar la señal analógica como "cosas al cuadrado", así que cuando ves un 1 en una señal digital no equivale a una amplitud alta en el singal anlog, sino que quiere representar la altura de la amplitud a diferentes tiempos como un número (pero en formato binario). Así que muchos números binarios quieren representar la altura de la amplitud a un tiempo específico.

Considere esta imagen de la BBC:

El gráfico anterior es la forma analógica. De ella se toma un valor cada segundo (pero esto puede llegar hasta 40mio. veces por segundo y mucho más). Este valor es la altura de la amplitud de la señal analógica.

Llamémosle "paso" cuando tomamos el valor.

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

Como ves, cuantos más valores midamos cada segundo, más datos habrá que guardar/transmitir y más preciso será el formato digital resultante de esta señal analógica.

Además, cuanto más alto sea el valor, más preciso será también el formato digital resultante. (por ejemplo, cuando tomamos valores de 0 a 10, sólo hay 10 valores, no muy precisos. Cuando remodelemos esta señal digital en una analógica, la curva no será muy "buena". Pero si tomamos valores de 0 a 16000, será mucho más precisa). Además, aquí hay que guardar más bits en cada paso.

Si ahorras 64Bit cada paso y el paso se hace una vez por segundo, ahorras 64Bit/s. Si ahorras 32Bit en cada paso y el paso se hace dos veces por segundo, también ahorras 64Bit/s. Si ahorras 16Bit cada paso y el paso se hace 4 veces por segundo, tienes también 64Bit/s.

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

Existen otras técnicas de modulación, como la modulación de frecuencia (FM, que se utiliza en las radios: se indica un 1 con una frecuencia alta y un 0 con una baja) o la modulación de amplitud de pulsos, que se utiliza en Ethernet, y muchas más.