Tín hiệu số là gì?

Tín hiệu số (Digital signal) là loại tín hiệu biểu diễn dữ liệu dưới dạng chuỗi các giá trị rời rạc; tại một thời điểm bất kỳ, tín hiệu này chỉ có thể nhận một trong số hữu hạn giá trị xác định trước.

Điều này trái ngược với tín hiệu tương tự (analog signal), vốn biểu diễn các giá trị liên tục tại một thời điểm bất kỳ, tín hiệu tương tự có thể mang giá trị là một số thực bất kỳ trong một tập vô hạn các giá trị khả dĩ.

Tín hiệu số đơn giản (Simple digital signals) biểu diễn thông tin bằng các dải mức rời rạc. Mọi giá trị nằm trong cùng một dải đều tượng trưng cho cùng một trạng thái thông tin.

Trong hầu hết các mạch điện tử số, tín hiệu chỉ có hai giá trị hợp lệ, được gọi là tín hiệu nhị phân (binary signal) hay tín hiệu logic (logic signal). Hai mức điện áp thường được biểu diễn như sau:

• Một mức gần giá trị tham chiếu (thường là mass hoặc 0 volt)
• Mức còn lại gần điện áp nguồn cấp

Hai mức này tương ứng với hai giá trị “0” và “1” (hoặc “false” và “true”) trong hệ logic Boolean. Do đó, tại một thời điểm bất kỳ, tín hiệu nhị phân thể hiện một bit thông tin.

Nhờ đặc tính rời rạc này, những thay đổi nhỏ về mức điện áp thường không làm tín hiệu vượt khỏi dải giá trị xác định, nên mạch nhận tín hiệu sẽ bỏ qua các nhiễu nhỏ. Chính vì vậy, tín hiệu số có khả năng chống nhiễu cao — tức là, nếu nhiễu không quá mạnh, nó sẽ không ảnh hưởng đến hoạt động của mạch số, trong khi tín hiệu tương tự (analog) lại luôn bị suy giảm chất lượng do nhiễu ở một mức độ nào đó.

Ngoài ra, tín hiệu số có nhiều hơn hai trạng thái cũng được sử dụng trong một số trường hợp, gọi là logic đa trị. Ví dụ, nếu tín hiệu có ba mức giá trị có thể có, nó được gọi là logic ba trị.

Trong tín hiệu số, đại lượng vật lý mang thông tin có thể là dòng điện, điện áp, cường độ, pha hoặc phân cực của trường điện từ, áp suất âm thanh, hay độ từ hóa của thiết bị lưu trữ từ tính, v.v.

Tín hiệu số được sử dụng trong mọi hệ thống điện tử kỹ thuật số, đặc biệt là thiết bị máy tính và truyền dẫn dữ liệu.

Định nghĩa liên quan đến tín hiệu số (Digital signal)

Thuật ngữ tín hiệu số có các định nghĩa liên quan trong các bối cảnh khác nhau.

Trong điện tử kỹ thuật số

Trong điện tử kỹ thuật số, tín hiệu số là tín hiệu được điều chế biên độ xung, tức là một chuỗi các xung điện hoặc xung ánh sáng có độ rộng cố định, mỗi xung chiếm một trong số các mức biên độ rời rạc. Một trường hợp đặc biệt là tín hiệu logic hoặc tín hiệu nhị phân, dao động giữa mức tín hiệu thấp và cao.

Các chuỗi xung trong mạch kỹ thuật số thường được tạo ra bởi các linh kiện transistor hiệu ứng trường kim loại-ôxít-bán dẫn (MOSFET), nhờ tốc độ đóng ngắt điện tử nhanh và khả năng tích hợp quy mô lớn (LSI). Ngược lại, transistor tiếp giáp lưỡng cực tạo ra tín hiệu giống sóng sin chậm hơn.

Trong xử lý tín hiệu

Trong xử lý tín hiệu số, tín hiệu số là dạng biểu diễn của tín hiệu vật lý sau khi đã được lấy mẫu và lượng tử hóa.

Tín hiệu số là dạng trừu tượng có tính rời rạc cả về thời gian lẫn biên độ tức là, giá trị của tín hiệu chỉ tồn tại tại những khoảng thời gian cố định, tương ứng với các thời điểm lấy mẫu của tín hiệu gốc. Chỉ những giá trị tại các thời điểm này mới được sử dụng trong quá trình xử lý tín hiệu số tiếp theo.

Tín hiệu số thực chất là một chuỗi các mã được lấy từ một tập hữu hạn các giá trị rời rạc.

Tín hiệu này có thể được lưu trữ, xử lý hoặc truyền đi dưới dạng tín hiệu điều chế mã xung, là phương pháp phổ biến nhất để mã hóa và truyền tải tín hiệu số trong các hệ thống điện tử và viễn thông.

Trong truyền thông

Trong truyền thông số, tín hiệu số là tín hiệu vật lý liên tục theo thời gian, nhưng luân phiên giữa một số hữu hạn các dạng sóng khác nhau, để biểu diễn một chuỗi bit.

Hình dạng của dạng sóng phụ thuộc vào phương thức truyền dẫn, có thể là:

• Mã đường truyền cho phép truyền tín hiệu ở dải tần cơ sở, thường dùng trong mạng nội bộ hoặc truyền dẫn ngắn qua dây.
• Điều chế số cho phép truyền tín hiệu ở dải thông , phù hợp cho truyền xa qua cáp dài hoặc qua băng tần vô tuyến giới hạn.

Một sóng sin được điều chế bằng tín hiệu mang cũng được xem là tín hiệu số trong các tài liệu về truyền thông và truyền dữ liệu số. Tuy nhiên, trong một số trường hợp đặc biệt, khi chuỗi bit được chuyển đổi thành dạng sóng tương tự để truyền qua hệ thống thiết kế cho tín hiệu analog, thì tín hiệu này được xem là tín hiệu tương tự hóa của chuỗi số liệu.

Mức điện áp logic

Một dạng sóng dao động giữa hai trạng thái của giá trị logic Boolean (0 và 1, hoặc thấp và cao, hoặc sai và đúng) được gọi là tín hiệu số hay tín hiệu logic, tín hiệu nhị phân, khi nó được hiểu theo nghĩa chỉ có hai giá trị có thể xảy ra.

Hai trạng thái này thường được biểu diễn bằng một đại lượng điện nào đó — phổ biến nhất là điện áp, nhưng trong một số họ mạch logic khác nhau, dòng điện cũng có thể được sử dụng. Mỗi họ logic thường định nghĩa hai dải điện áp riêng biệt, và các dải này thường không liền kề nhau. Tín hiệu được xem là mức thấp khi nằm trong dải điện áp thấp, và mức cao khi nằm trong dải điện áp cao. Trong vùng giữa hai dải, hành vi của tín hiệu có thể thay đổi tùy theo loại cổng logic được sử dụng.

Cách tạo ra tín hiệu số (Digital signal)

Để tạo ra một tín hiệu số, một tín hiệu phải được tạo ra bằng một tín hiệu điều khiển để sinh ra nó. Kiểu sáng tạo ra tín hiệu số đơn giản nhất  một dạng mã hóa unipolar chỉ đơn giản là bật và tắt tín hiệu DC, trong đó điện áp cao biểu thị cho ‘1’, còn điện áp thấp biểu thị cho ‘0’.

Trong các hệ thống vô tuyến số, một hoặc nhiều sóng mang sẽ được điều chế biên độ, tần số hoặc pha (phase) bởi tín hiệu điều khiển để tạo ra tín hiệu số thích hợp cho việc truyền dẫn.

Công nghệ đường truyền thuê bao số không đối xứng (ADSL) qua dây điện thoại không chủ yếu sử dụng logic nhị phân; thay vào đó, các tín hiệu số trên từng sóng mang riêng biệt được điều chế bằng các giá trị logic khác nhau, tùy theo dung lượng Shannon của từng kênh truyền.

Đồng hồđo xung

Tín hiệu số có thể được lấy mẫu tại các khoảng thời gian đều đặn bằng đồng hồ đo xung thông qua mạch chốt. Khi thực hiện điều này, giá trị đầu vào được đo tại cạnh đồng hồ đo xung và giữ nguyên cho đến khi đồng hồ đo xung tiếp theo xuất hiện. Quá trình này là nền tảng của logic đồng bộ .

Ngoài ra còn có logic bất đồng bộ, không sử dụng một đồng hồ chung, thường hoạt động nhanh hơn và tiêu thụ ít năng lượng hơn, nhưng thiết kế phức tạp hơn đáng kể.