Базовые понятия цифровой электроники
Сигнал — это любая физическая величина (например, температура, давление воздуха, интенсивность света, сила тока и т.д.), изменяющаяся со временем. Именно благодаря этому изменению сигнал может нести в себе какую-то информацию.
Электрический сигнал — это электрическая величина (например, напряжение, ток, мощность), изменяющаяся со временем. Вся электроника в основном работает с электрическими сигналами, хотя сейчас все больше используются световые сигналы, которые представляют собой изменяющуюся во времени интенсивность света.
Аналоговый сигнал — это сигнал, который может принимать любые значения в определенных пределах (например, напряжение может плавно изменяться в пределах от нуля до десяти вольт). Устройства, работающие только с аналоговыми сигналами, называются аналоговыми устройствами. Название «аналоговый» подразумевает, что сигнал изменяется аналогично физической величине, то есть непрерывно.
Цифровой сигнал — это сигнал, который может принимать только два (иногда — три) значения, причем разрешены некоторые отклонения от этих значений. Например, напряжение может принимать два значения: от 0 до 0,5 В (уровень нуля) или от 2,5 до 5 В (уровень единицы). Устройства, работающие исключительно с цифровыми сигналами, называются цифровыми устройствами.
Электрические сигналы: аналоговый (слева) и цифровой (справа)
Можно сказать, что в природе практически все сигналы — аналоговые, то есть они изменяются непрерывно в каких-то пределах. Именно поэтому первые электронные устройства были аналоговыми. Они преобразовывали физические величины в пропорциональные им напряжение или ток, производили над ними какие-то операции и затем выполняли обратные преобразования в физические величины. Например, голос человека (колебания воздуха) с помощью микрофона преобразуется в электрические колебания, затем эти электрические сигналы усиливаются электронным усилителем и с помощью акустической системы снова преобразуются в колебания воздуха — в более сильный звук.
Однако аналоговые сигналы и работающая с ними аналоговая электроника имеют большие недостатки, связанные именно с природой аналоговых сигналов. Дело в том, что аналоговые сигналы чувствительны к действию всевозможных паразитных сигналов — шумов, наводок, помех. Шум — это внутренние хаотические слабые сигналы любого электронного устройства (микрофона, транзистора, резистора и т.д.). Наводки и помехи — это сигналы, приходящие на электронную систему извне и искажающие полезный сигнал (например, электромагнитные излучения от радиопередатчиков или от трансформаторов).
В отличие от аналоговых, цифровые сигналы, имеющие всего два разрешенных значения, защищены от действия шумов, наводок и помех гораздо лучше. Небольшие отклонения от разрешенных значений никак не искажают цифровой сигнал, так как всегда существуют зоны допустимых отклонений. Именно поэтому цифровые сигналы допускают гораздо более сложную и многоступенчатую обработку, гораздо более длительное хранение без потерь и гораздо более качественную передачу, чем аналоговые. К тому же поведение цифровых устройств всегда можно абсолютно точно рассчитать и предсказать. Цифровые устройства гораздо меньше подвержены старению, так как небольшое изменение их параметров никак не отражается на их функционировании. Кроме того, цифровые устройства проще проектировать и отлаживать. Понятно, что все эти преимущества обеспечивают бурное развитие цифровой электроники.
Однако у цифровых сигналов есть и крупный недостаток. Дело в том, что на каждом из своих разрешенных уровней цифровой сигнал должен оставаться хотя бы в течение какого-то минимального временного интервала, иначе его невозможно будет распознать. А аналоговый сигнал может принимать любое свое значение бесконечно малое время. Можно сказать и иначе: аналоговый сигнал определен в непрерывном времени (то есть в любой момент времени), а цифровой — в дискретном (то есть только в выделенные моменты времени). Поэтому максимально достижимое быстродействие аналоговых устройств всегда принципиально больше, чем цифровых. Аналоговые устройства могут работать с более быстро меняющимися сигналами, чем цифровые. Скорость обработки и передачи информации аналоговым устройством всегда может быть выше, чем скорость обработки и передачи цифровым устройством.
Входы и выходы цифровых микросхем
Наибольшее распространение получили две технологии цифровых микросхем:
— ТТЛ (TTL) и ТТЛШ (TTLS) — биполярная транзисторно-транзисторная логика и ТТЛ с диодами Шоттки;
— КМОП (CMOS) — комплементарные транзисторы со структурой «металл–окисел–полупроводник».
Входной и выходной каскады микросхем ТТЛШ
Входной и выходной каскады микросхем КМОП
Существуют три разновидности выходных каскадов, существенно различающиеся как по своим характеристикам, так и по областям применения: — стандартный выход или выход с двумя состояниями (обозначается 2С, 2S или, реже, ТТЛ, TTL);
— выход с открытым коллектором (обозначается ОК, OC);
— выход с тремя состояниями или (что то же самое) с возможностью отключения (обозначается 3С, 3S).
Стандартный выход 2С имеет всего два состояния: логический нуль и логическая единица, причем оба они активны, то есть выходные токи в обоих этих состояниях могут достигать заметных величин. На первом и втором уровнях представления такой выход можно считать состоящим из двух выключателей, которые замыкаются по очереди, причем замкнутому верхнему выключателю соответствует логическая единица на выходе, а замкнутому нижнему — логический нуль.
Входной и выходной каскады микросхем КМОП
Выход с открытым коллектором ОК тоже имеет два возможных состояния, но только одно из них (состояние логического нуля) активно, то есть обеспечивает большой втекающий ток. Второе состояние сводится, по сути, к тому, что выход полностью отключается от присоединенных к нему входов. Это состояние может использоваться в качестве логической единицы, но для этого между выходом ОК и напряжением питания необходимо подключить нагрузочный резистор R (так называемый pull-up) величиной порядка сотен Ом. На первом и втором уровнях представления такой выход можно считать состоящим из одного выключателя, замкнутому состоянию которого соответствует сигнал логического нуля, а разомкнутому — отключенное, пассивное состояние. Правда, от величины резистора R зависит время переключения выхода из нуля в единицу, что влияет на задержку tLH, но при обычно используемых номиналах резисторов это не слишком важно.
Наконец, выход с тремя состояниями 3С очень похож на стандартный выход, но к двум состояниям добавляется еще и третье — пассивное, в котором выход можно считать отключенным от последующей схемы. На первом и втором уровнях представления такой выход можно считать состоящим из двух переключателей, которые могут замыкаться по очереди, давая логический нуль и логическую единицу, но могут и размыкаться одновременно. Это третье состояние называется также высокоимпедансным или Z- состоянием. Для перевода выхода в третье Z-состояние используется специальный управляющий вход, обозначаемый OE (Output Enable — разрешение выхода) или EZ (Enable Z-state).
Основы передачи данных в беспроводных сетях Сигналы для передачи информации
Если рассматривать сигнал как функцию времени, то он может быть либо аналоговым, либо цифровым.Аналоговым называется сигнал, интенсивность которого во времени изменяется постепенно. Другими словами, в сигнале не бывает пауз или разрывов. Цифровым называется сигнал, интенсивность которого в течение некоторого периода поддерживается на постоянном уровне, а затем также изменяется на постоянную величину (это определение идеализировано). На рис. 1.3 приведены примеры сигналов обоих типов. Аналоговый сигнал может представлять речь, а цифровой — набор двоичных единиц и нулей.
Простейшим типом сигнала является периодический сигнал, в котором некоторая структура периодически повторяется во времени. На рис. 1.4 приведен пример периодического аналогового сигнала (синусоида) и периодического цифрового сигнала (прямоугольный сигнал, или меандр). Математическое определение: сигналs(t) является периодическим тогда и только тогда, когда
где постоянная T является периодом сигнала ( T — наименьшая величина, удовлетворяющая этому уравнению).
Фундаментальным аналоговым сигналом является синусоида. В общем случае такой сигнал можно определить тремя параметрами: максимальной амплитудой А, частотой 
фазой 
. Максимальной амплитудой называется максимальное значение или интенсивность сигнала во времени; измеряется максимальная амплитуда, как правило, в вольтах. Частотой называется темп повторения сигналов (в периодах за секунду, или герцах). Эквивалентным параметром является период сигнала Т, представляющий собой время, за которое происходит повторение сигнала; следовательно, 
. Фаза является мерой относительного сдвига по времени в пределах отдельного периода сигнала (данный термин будет проиллюстрирован ниже).
Рис. 1.3. Аналоговый и цифровой сигналы
В общем случае синусоидальный сигнал можно представить в следующем виде:
Существует соотношение между двумя синусоидальными сигналами, один из которых изменяется во времени, а другой — в пространстве. Определим длину волны сигнала 
как расстояние, занимаемое одним периодом или, иными словами, как расстояние между двумя точками равных фаз двух последовательных циклов. Предположим, что сигнал распространяется со скоростью 
. Тогда длина волны связана с периодом следующим соотношением: 
, что равносильно 
. Особое значение для нашего изложения имеет случай 
, где 
— скорость света в вакууме, приблизительно равная 
.
увеличить изображение Рис. 1.4. Периодические сигналы
Применив анализ Фурье, т.е. сложив вместе достаточное количество синусоидальных сигналов с соответствующими амплитудами, частотами и фазами, можно получить электромагнитный сигнал любой формы. Аналогично, любой электромагнитный сигнал рассматривается как совокупность периодических аналоговых (синусоидальных) сигналов с разными амплитудами, частотами и фазами.
Спектром сигнала называется область частот, составляющих данный сигнал.
Цифровой сигнал можно выразить следующим образом:
Этот сигнал содержит бесконечное число частотных составляющих и, следовательно, имеет бесконечную ширину полосы.
Таким образом, мы можем сделать следующие выводы. В общем случае любой цифровой сигнал имеет бесконечную ширину полосы. Если мы попытаемся передать этот сигнал через какую-то среду, передающая система наложит ограничения на ширину полосы, которую можно передать. Более того, для каждой конкретной среды справедливо следующее: чем больше передаваемая полоса, тем больше стоимость передачи. Поэтому, с одной стороны, по экономическим и практическим соображениям следует аппроксимировать цифровую информацию сигналом с ограниченной шириной полосы. С другой стороны, при ограничении ширины полосы возникают искажения, затрудняющие интерпретацию принимаемого сигнала. Чем больше ограничена полоса, тем сильнее искажение сигнала и тем больше потенциальная возможность возникновения ошибок при приеме.
Понятие информационного сигнала
Материальными носителями информации являются сигналы различной физической природы. В узком смысле сигналами называют колебания электрического тока, напряжения, электромагнитные волны, механические колебания некоторой упругой среды. Информационные сигналы формируются путем изменения тех или иных параметров носителя по определенному закону. Таким образом, информационным сигналом может быть любой физический процесс, параметры которого способны изменяться в зависимости от передаваемой информации. Этот процесс изменения параметров носителя принято называть модуляцией, а сами параметры информационными. В отличие от сообщения, прием сигнала после его генерации не является обязательным.
При прохождении сигнала по физической среде на него воздействуют различные дестабилизирующие факторы, в результате чего возникают шумы и помехи самой различной природы (рис. 1). При регистрации сигнала основной задачей является выделение из общего сигнала полезной составляющей и максимальное подавление шумов и помех.
Рис. 1. Сигнал (слева) и сигнал с помехами (справа)
Чтобы анализировать, исследовать и обрабатывать сигналы необходимо использовать математическую модель сигнала, которая представляет собой математическое описание сигнала. Слово «модель» произошло от латинского modelium, что означает: мера, способ, образ. Назначение модели состоит в том, что она отображает лишь наиболее важные черты сигнала и позволяет абстрагироваться от его физической природы и материальной формы носителя. Как правило, описание сигнала задается функциональной зависимостью его значений от независимой переменной, например, s(t).
Простейшими сигналами являются одномерные сигналы, то есть значение сигнала зависит от одного параметра (например, звуковые сигналы). Пример одномерного сигнала на рисунке 1.
Рис. 2. Двумерный сигнал
В общем случае сигналы являются многомерными функциями пространственных, временных и прочих координат. Пример – интенсивность компьютерного изображения р(x,y) (рис. 2).
По форме представления сигналы бывают двух типов – аналоговые и цифровые (дискретные) (рис. 3). Аналоговый сигнал определен для любого значения независимого параметра, то есть является непрерывной функцией непрерывного аргумента. Источниками аналоговых сигналов, как правило, являются физические процессы и явления, непрерывные в своем развитии (динамике изменения значений определенных свойств) во времени, в пространстве или по любой другой независимой переменной, при этом регистрируемый сигнал подобен (аналогичен) порождающему его процессу.
Рис. 3. Аналоговый и цифровой сигналы
Фундаментальным аналоговым сигналом является синусоида (рис. 4). В общем случае синусоидальный сигнал можно представить так:
Синусоидальный сигнал можно определить тремя параметрами: максимальной амплитудой А, частотой f и фазой . Максимальной амплитудой называется максимальное значение или интенсивность сигнала во времени; измеряется максимальная амплитуда, как правило, в вольтах. Частотой называется темп повторения сигналов (в периодах за секунду, или герцах). Эквивалентным параметром является период сигнала Т, представляющий собой время, за которое происходит повторение сигнала; следовательно, T=1/f . Фаза является мерой относительного сдвига по времени в пределах отдельного периода сигнала.
Рис. 4. Синусоидальный сигнал
Большинство аналоговых сигналов в природе имеют более сложную форму. Периодические, то есть повторяющиеся через определенный интервал времени, сигналы произвольной формы, могут быть представлены в виде суммы гармонических колебаний с помощью преобразования Фурье. Применив преобразование Фурье, т.е. сложив вместе достаточное количество синусоидальных сигналов с соответствующими амплитудами, частотами и фазами, можно получить электромагнитный сигнал любой формы. Аналогично, любой сигнал рассматривается как совокупность периодических аналоговых (синусоидальных) сигналов с разными амплитудами, частотами и фазами.
Аналогично, цифровой сигнал можно выразить следующим образом:
Совокупность спектральных составляющих сигнала образует его спектр. Амплитуда каждой спектральной составляющей характеризует энергию соответствующей гармоники основной частоты сигнала. Чем выше скорость изменения сигнала, тем больше в его спектре высокочастотных гармоник. Разность между максимальной и минимальной частотой в спектре сигнала называется шириной спектра сигнала.
В соответствии с изменением амплитуды аналогового сигнала меняется его мощность или энергия, пропорциональная квадрату амплитуды. В зависимости от времени измерения сигнала различают среднюю и мгновенную мощность. Десятичный логарифм отношения максимальной мгновенной мощности сигнала к минимальной называется динамическим диапазоном сигнала.
Признак защищаемого сигнала, позволяющий обнаруживать и распознавать его среди других сигналов, называется демаскирующим. Признаки сигналов описывают параметры полей и электрических сигналов, генерируемых объектом защиты: мощность, частота, вид сигнала, ширина спектра и т.п.
Аналоговый сигнал описывается набором параметров, являющихся его признаками. К ним относятся параметры, рассмотренные нами ранее:
- частота и диапазон частот;
- амплитуда (и мощность) сигнала;
- фаза сигнала;
- длительность сигнала;
- вид модуляции;
- ширина спектра сигнала;
- динамический диапазон сигнала.
К демаскирующим признакам сигналов можно отнести и время их проявления, в зависимости от которого сигналы делятся на регулярные (получателю известно время появления) и случайные (время появления не известно).
Вид информации, содержащийся в сигнале, изменяет его демаскирующие признаки. Например, сигнал стандартной речи, передаваемой по телефонной линии, имеет ширину спектра 300-3400 Гц, звуковой – 16-20000 Гц, телевизионный – 6-8 МГц и т.д.
У дискретных сигналов амплитуда имеет конечный, заранее определенный набор значений. Наиболее распространенным сигналом, применяемым, в частности, в ЭВМ, является бинарный сигнал. Бинарный сигнал имеет два уровня амплитуды: низкий и высокий.
Дискретный сигнал в общем случае характеризуется следующими параметрами: амплитудой, мощностью, длительностью импульса, периодом, шириной спектра сигнала, скважностью импульсов (отношение периода к длительности одного импульса).
Бинарный периодический сигнал характеризуется следующими параметрами:
- форма огибающей спектра —
- амплитуда гармоник Ск
- постоянная составляющая сигналов А/а, где а — скважность сигнала.
При прохождении дискретных сигналов по проводам их спектр изменяется ввиду различных воздействующих факторов извне и свойств среды передачи. В результате искажается их форма и уменьшается крутизна импульсов, что уменьшает дальность их передачи.
Беспроводные сети Wi-Fi — тест 1
 (1) , где постоянная T является периодом сигнала 
 (2) , где постоянная T является периодом сигнала 
 (3) , где постоянная T является периодом сигнала 
Номер 3
Фундаментальным аналоговым сигналом является:
 (1) синусоида 
 (2) парабола 
 (3) гипербола 
Упражнение 8: Номер 1
Периодический сигнал в общем случае можно определить параметрами:
 (1) скоростью распространения V  
 (2) максимальной амплитудой A  
 (3) частотой f  
 (4) параметрами среды a, b, c  
 (5) фазой  
Номер 2
Аналоговый сигнал представлен на рисунке:
 (1)  
 (2)  
 (3)  
Номер 3
Цифровой сигнал представлен на рисунке:
 (1)  
 (2)  
 (3)  
Упражнение 9: Номер 1
В общем случае синусоидальный сигнал можно представить в виде:
 (1)  
 (2)  
 (3)  
Номер 2
Аналоговые данные:
 (1) принимают любые дискретные значения 
 (2) принимают непрерывные значения из некоторого диапазона 
 (3) могуть принимать значения только 0 или 1 
Номер 3
Цифровые данные:
 (1) принимают только дискретные значения 
 (2) принимают непрерывные значения из некоторого диапазона 
 (3) не могут принимать значений 
Упражнение 10: Номер 1
В беспроводной технологии используются:
 (1) цифровые данные и сигналы 
 (2) аналоговые данные и сигналы 
 (3) цифровые данные и аналоговые сигналы 
Номер 2
В беспроводной технологии существуют основные технологии модуляции:
 (1) скоростная модуляция 
 (2) частотная модуляция 
 (3) фазовая модуляция 
 (4) амплитудная модуляция 
 (5) аналоговая модуляция 
Номер 3
Амплитудная модуляция представлена на рисунке:
 (1)  
 (2)  
 (3)  
Упражнение 11: Номер 1
Фазовая модуляция представлена на рисунке:
 (1)  
 (2)  
 (3)  
Номер 2
Частотная модуляция представлена на рисунке:
 (1)  
 (2)  
 (3)  
Номер 3
QAM определяет: (1) квадратурную амплитудную модуляцию 
 (2) уплотнение с частотным разделением 
 (3) уплотнение с временным разделением 
Упражнение 12: Номер 1
FDM определяет: (1) уплотнение с временным разделением 
 (2) квадратурную амплитудную модуляцию 
 (3) уплотнение с частотным разделением 
Номер 2
TDM определяет: (1) уплотнение с частотным разделением 
 (2) уплотнение с временным разделением 
 (3) квадратурную амплитудную модуляцию 
Номер 3
CDM определяет: