Tín Hiệu điện Tử Là Gì | Tín Hiệu Analog | Tín Hiệu Digital - Van Bướm

Trước tiên chúng ta cùng tìm hiểu tín hiệu điện là gì?

Trong điện tử thì tín hiệu là một dòng điện hoặc dòng từ trường được sử dụng để truyền dữ liệu từ thiết bị này sang thiết bị khác. Dòng tín hiệu đơn giản nhất là tín hiệu dòng điện một chiều DC được bật hoặc tắt. Các tín hiệu phức tạp hơn là song mang dòng điện xoay chiều AC hoặc sóng mang điện từ có chứa dữ liệu.

Về cơ bản có hai dạng tín hiệu chính là tín hiệu Analog và tín hiệu Digital

Tín hiệu Analog

Tín hiệu Analog hay tín hiệu tương tự, tín hiệu liên tục là tên gọi của dòng tín hiệu mà các sóng sẽ tương tự nhau về bản chất, nhưng sẽ khác nhau về cường độ tín hiệu. Tín hiệu Analog biểu thị là một đường liên tục (ví dụ sin, cos hoặc đường cong lên xuống bất kỳ). Biên độ , tần số hoặc pha của tín hiệu thay đổi liên tục theo thời gian hoặc trong một khoảng thời gian liên tục.

Để đơn giản hơn chúng ta có ví dụ ở một đài phát thanh các sóng tín hiệu sẽ đi lên và đi xuống tùy vào âm thanh gốc. Chúng ta nói to thì tín hiệu đi lên, nhỏ thì tín hiệu đi xuống.

Trong quá trình truyền tín hiệu tương tự, tín hiệu thông tin trước tiên được chuyển đổi thành tín hiệu điện dao động gần như "giống hệt" (do đó có tên là "analog"), sau đó được truyền qua các phương tiện có dây hoặc không dây. Sau khi nhận được tín hiệu điện, chúng sẽ khôi phục lại tín hiệu thông tin.

Cho dù đó là điện thoại có dây hay truyền hình phát sóng không dây, tín hiệu tương tự đã được sử dụng để truyền tín hiệu trong một thời gian dài. Có thể nói rằng tín hiệu tương tự gần như "giống hệt" tín hiệu gốc và dường như nó sẽ đạt được hiệu ứng truyền tốt. Tuy nhiên, thực tế lại ngược lại. Trước đây, chúng ta thường gặp phải những tiếng ồn khó hiểu và ồn ào khi gọi; So với việc nghe màn trình diễn của ban nhạc trong bản giao hưởng trực tiếp, bản giao hưởng qua loa đài luôn thiếu nhiều hơn, đôi khi có những bông tuyết trên hình ảnh TV. Điều này là do tín hiệu phải trải qua quá trình xử lý và truyền, trong quá trình truyền và các thiết bị này chắc chắn sẽ tạo ra một số nhiễu.

Tín hiệu Digital

Tín hiệu Digital còn được gọi là tín hiệu số là dạng tín hiệu dùng để chỉ một tập hợp các trạng thái đặc biệt để mô tả tín hiệu, điển hình là tín hiệu được biểu thị bằng các chữ số nhị phân phổ biến nhất hiện nay. Lý do cơ bản tại sao các chữ số nhị phân được sử dụng để biểu thị tín hiệu là mạch chỉ có thể đại diện cho hai trạng thái, cụ thể là Việc bật và tắt mạch. Trong truyền tín hiệu số thực tế, một phạm vi thay đổi thông tin nhất định thường được phân loại là trạng thái 0 hoặc trạng thái 1. Cài đặt trạng thái này cải thiện đáng kể khả năng chống nhiễu của tín hiệu số. Không chỉ vậy, về tính bảo mật, chống nhiễu và chất lượng truyền dẫn, tín hiệu số tốt hơn tín hiệu tương tự.

Sự khác nhau giữa tín hiệu Analog và tín hiệu Digital

Số lượng dữ liệu kỹ thuật số sử dụng của tín hiệu Digital thay đổi không liên tục, chẳng hạn như một loạt các thay đổi không liên tục vôn xung ( khi chúng ta đo áp suất không đổi dương cho thấy số nhị phân 1, với điện áp âm không đổi đại diện cho nhị phân 0).

Dữ liệu tương tự thường được biểu thị bằng các tín hiệu Analog, chẳng hạn như một loạt các sóng điện từ thay đổi liên tục (như sóng điện từ trong phát thanh và truyền hình) hoặc tín hiệu điện áp (như tín hiệu điện áp âm thanh trong truyền qua điện thoại).

Khi tín hiệu số được biểu thị bằng các xung điện áp hoặc xung ánh sáng thay đổi liên tục, thông thường cần kết nối hai bên truyền thông với một dây, cáp hoặc sợi quang để truyền tín hiệu từ nút này sang nút khác.

Khi tín hiệu Analog được biểu diễn bằng sóng điện từ thay đổi liên tục, chính sóng điện từ là sóng mang tín hiệu và đồng thời với môi trường truyền, khi tín hiệu tương tự được biểu thị bằng điện áp tín hiệu thay đổi liên tục, nó thường đi qua đường truyền tín hiệu tương tự truyền thống (như Mạng điện thoại, mạng truyền hình cáp) để truyền tải.

Tín hiệu Digital từ phương tiện biến là rời rạc, biến phụ thuộc là số kênh rời rạc , Biến độc lập của tín hiệu này được biểu thị bằng một số nguyên và biến phụ thuộc được biểu thị bằng một trong các số hữu hạn. Trong máy tính, kích thước của tín hiệu số thường được biểu thị bằng số nhị phân hữu hạn.

Tín hiệu tương tự đề cập đến tín hiệu liên tục trong đó tham số thông tin xuất hiện trong một phạm vi nhất định. Hoặc trong một khoảng thời gian liên tục, đại lượng đặc trưng của thông tin đại diện của nó có thể được trình bày dưới dạng tín hiệu của bất kỳ giá trị nào tại bất kỳ thời điểm nào.

Ưu nhược điểm của tín hiệu Analog và tín hiệu Digital

Tín hiệu Analog

Ưu điểm

Ưu điểm chính của tín hiệu tương tự là độ phân giải chính xác. Trong điều kiện lý tưởng, nó có độ phân giải vô hạn. So với tín hiệu số , tín hiệu tương tự có mật độ thông tin cao hơn. Vì không có lỗi lượng tử hóa, nó có thể mô tả giá trị thực của đại lượng vật lý trong tự nhiên càng gần càng tốt.

Một ưu điểm khác của tín hiệu tương tự là khi đạt được hiệu ứng tương tự, xử lý tín hiệu analog đơn giản hơn xử lý tín hiệu số. Việc xử lý tín hiệu tương tự có thể được thực hiện trực tiếp thông qua các thành phần mạch tương tự (như bộ khuếch đại hoạt động, v.v.), trong khi xử lý tín hiệu số thường liên quan đến các thuật toán phức tạp và thậm chí yêu cầu bộ xử lý tín hiệu số chuyên dụng.

Nhược điểm tín hiệu Analog

Nhược điểm chính của tín hiệu tương tự là nó luôn bị ảnh hưởng bởi nhiễu (thay đổi ngẫu nhiên không mong muốn trong tín hiệu). Sau khi tín hiệu được sao chép nhiều lần hoặc truyền qua khoảng cách xa, ảnh hưởng của những tiếng ồn ngẫu nhiên này có thể trở nên rất đáng kể.

Hiệu ứng nhiễu có thể gây mất tín hiệu. Gần như không thể khôi phục lại tín hiệu tương tự bị hỏng, bởi vì sự khuếch đại của tín hiệu mong muốn cũng sẽ khuếch đại tín hiệu nhiễu. Nếu có một khoảng cách lớn giữa tần số nhiễu và tần số của tín hiệu mong muốn, một bộ lọc điện tử có thể được lọc nhiễu của một tần số cụ thể, nhưng giải pháp này chỉ có thể làm giảm tác động của nhiễu.

Tín hiệu Digital

Ưu điểm

Trước hết, khả năng chống nhiễu của nó đặc biệt mạnh mẽ. Nó không chỉ được sử dụng cho công nghệ truyền thông mà còn cho công nghệ xử lý thông tin. Âm thanh độ trung thực cao, TV độ nét cao, VCD , máy laser DVD là tất cả Sử dụng công nghệ xử lý tín hiệu số . Thứ hai, các máy tính điện tử chúng ta sử dụng đều là kỹ thuật số và các tín hiệu chúng xử lý ban đầu là tín hiệu số. Với việc sử dụng tín hiệu số trong truyền thông, máy tính có thể dễ dàng kết hợp với truyền thông và lợi thế của máy tính trong xử lý thông tin có thể được sử dụng trong giao tiếp.

Do tín hiệu số sử dụng hai trạng thái vật lý để biểu thị 0 và 1, nên khả năng chống nhiễu của chính vật liệu và nhiễu môi trường mạnh hơn nhiều so với tín hiệu tương tự; trong xử lý tín hiệu của công nghệ hiện đại, tín hiệu số đóng vai trò ngày càng quan trọng Xử lý tín hiệu lớn, gần như phức tạp không thể tách rời với tín hiệu số, nói cách khác, miễn là phương pháp giải quyết vấn đề có thể được biểu thị trong các công thức toán học, máy tính có thể được sử dụng để xử lý tín hiệu số đại diện cho đại lượng vật lý.

Trong các mạch kỹ thuật số, tín hiệu số chỉ có hai trạng thái: 0 và 1. Giá trị của nó được đánh giá bằng giá trị trung tâm. Bên dưới giá trị trung tâm được định nghĩa là 0 và ở trên được định nghĩa là 1. Do đó, ngay cả khi tín hiệu nhiễu trộn lẫn, miễn là tín hiệu nhiễu có giá trị không vượt quá phạm vi ngưỡng thì tín hiệu gốc có thể được sao chép. Ngay cả khi xảy ra lỗi do tín hiệu nhiễu vượt quá phạm vi ngưỡng , vẫn dễ dàng phát hiện và sửa tín hiệu lỗi miễn là một công nghệ mã hóa nhất định được áp dụng. Do đó, so với tín hiệu tương tự, tín hiệu kỹ thuật số có Khả năng chống nhiễu cao hơn, khoảng cách truyền dài hơn và ít biến dạng hơn.

Tín hiệu số không chỉ có hiệu suất chống nhiễu cao hơn trong quá trình truyền mà còn có thể được nén để chiếm ít băng thông hơn, đạt được hiệu quả truyền nhiều âm thanh, video và các tín hiệu số khác trong cùng băng thông. Ngoài ra, tín hiệu số cũng có thể được lưu trữ trong bộ nhớ bán dẫn và được sử dụng trực tiếp để xử lý máy tính.

Nhược điểm

Độ phức tạp của tín hiệu số cao hơn tín hiệu tương tự.

Xử lý tín hiệu số tốn nhiều tài nguyên hơn.

Rất khó để lập trình thiết bị, chỉ những kỹ sư có tay nghề cao mới có thể lập trình thiết bị.

Băng thông cao hơn.

Chuyển đổi tín hiệu Analog sang tín hiệu Digital

Việc chuyển đổi tín hiệu tương tự thành tín hiệu số đòi hỏi bốn bước cơ bản: lấy mẫu tín hiệu, giữ tín hiệu, lượng tử hóa tín hiệu và mã hóa tín hiệu.

Lấy mẫu tín hiệu là để rời rạc tín hiệu liên tục theo thời gian. Tần số lấy mẫu càng cao, tín hiệu rời rạc thu được càng gần với tín hiệu tương tự gốc, nhưng tần số lấy mẫu càng cao, yêu cầu đối với mạch thực tế càng cao, cũng sẽ mang lại nhiều tính toán và lưu trữ. Nếu tần số lấy mẫu quá thấp, thông tin sẽ bị mất và thông tin sẽ bị biến dạng.

Sau khi lấy giá trị tức thời của nó, nó phải được giữ ở vị trí ban đầu trong một khoảng thời gian, để tín hiệu sóng răng cưa hình thành được cung cấp cho lượng tử hóa tín hiệu tiếp theo.

Định lượng tín hiệu là chuyển đổi tín hiệu có biên độ cụ thể thành bội số nguyên của đơn vị nhỏ nhất. Đơn vị nhỏ nhất này còn được gọi là đơn vị lượng tử hóa của bộ biến đổi tương tự sang số. Mỗi giá trị được lấy mẫu đại diện cho biên độ tức thời của tín hiệu tương tự thu được bởi một mẫu. Thông thường đơn vị lượng tử hóa là bội số của 2. Các bit lượng tử hóa càng nhiều, sai số lượng tử hóa càng nhỏ và kết quả của lượng tử hóa càng tốt. Trong quá trình lượng tử hóa thực tế, cần phải xử lý gần đúng, do đó phải có lỗi lượng tử hóa. Lỗi này sẽ được sao chép trong chuyển đổi kỹ thuật số sang tương tự cuối cùng. Lỗi này thường được gọi là nhiễu lượng tử hóa. Lỗi lượng tử hóa thường có thể được giảm bằng cách tăng số lượng bit lượng tử hóa, nhưng khi biên độ tín hiệu giảm xuống một giá trị nhất định, mối tương quan giữa nhiễu lượng tử hóa và tín hiệu tương tự gốc trở nên rõ ràng hơn.

Mã hóa tín hiệu rời rạc được lượng tử hóa là bước cuối cùng để chuyển đổi tín hiệu tương tự thành tín hiệu số. Nó thường được thực hiện bằng cách so sánh song song và các mạch xấp xỉ liên tiếp để chuyển đổi tín hiệu rời rạc lượng tử thành tín hiệu số tương ứng.

Chuyển đổi tín hiệu số sang tín hiệu tương tự

Việc chuyển đổi tín hiệu số sang tín hiệu tương tự dễ hiểu hơn. Trong thực tế, chuyển đổi kỹ thuật số sang tương tự có thể được coi là giải mã tín hiệu số. Chuyển đổi kỹ thuật số sang tương tự chuyển đổi số nhị phân đầu vào thành đại lượng tương ứng theo trọng lượng thực tế của nó, sau đó thêm số lượng tương tự tương ứng với mỗi chữ số. Tổng đại lượng tương tự thu được tỷ lệ thuận với đại lượng kỹ thuật số đầu vào, thực hiện chuyển đổi tín hiệu số sang tín hiệu tương tự.

Xem thêm bài Ứng dụng của tín hiệu của ứng dụng tín hiệu 4 - 20mA trong công nghiệp van