模擬信號和數(shù)字信號，傻傻分不清楚？

時(shí)間：2021-10-26 14:11:04

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[導(dǎo)讀]大家好，我是記得誠。信號是將數(shù)據(jù)從一個(gè)系統(tǒng)或網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)搅硪幌到y(tǒng)或網(wǎng)絡(luò)的電磁或電流。在電子設(shè)備中，信號通常是隨時(shí)間變化的電壓，也是攜帶信息的電磁波，當(dāng)然也可以是電流等其他形式。電子設(shè)備中使用的信號主要有兩種類型：模擬信號和數(shù)字信號。本文將討論模擬信號與數(shù)字信號的特性、用途、優(yōu)缺點(diǎn)以...

大家好，我是記得誠。

信號是將數(shù)據(jù)從一個(gè)系統(tǒng)或網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)搅硪幌到y(tǒng)或網(wǎng)絡(luò)的電磁或電流。

在電子設(shè)備中，信號通常是隨時(shí)間變化的電壓，也是攜帶信息的電磁波，當(dāng)然也可以是電流等其他形式。

電子設(shè)備中使用的信號主要有兩種類型：模擬信號和數(shù)字信號。本文將討論模擬信號與數(shù)字信號的特性、用途、優(yōu)缺點(diǎn)以及典型應(yīng)用。

1、模擬信號

模擬信號會隨時(shí)間變化，而且通常被限制在一個(gè)范圍內(nèi)（例如 12V至-12V）。但在這個(gè)連續(xù)的范圍內(nèi)，它會有無限多個(gè)值。模擬信號使用介質(zhì)的給定屬性來傳遞信號信息，例如通過電線來傳遞電。在電信號中，用信號的不同電壓、電流或頻率來表達(dá)信息。模擬信號通常用于反應(yīng)光線、聲音、溫度、位置、壓力或其他物理現(xiàn)象的變化。

繪制電壓與時(shí)間的關(guān)系圖，我們會發(fā)現(xiàn)模擬信號會產(chǎn)生平滑而連續(xù)的曲線，不會產(chǎn)生任何離散變化（請參見圖1）。

圖1：模擬信號

2、數(shù)字信號

數(shù)字信號則將數(shù)據(jù)表示為一連串離散的值。在給定時(shí)間內(nèi)，數(shù)字信號只能從有限的一組可能值中選取一個(gè)值。采用數(shù)字信號，物理量表達(dá)的信息可能有很多種：

可變電流和電壓
電磁場的相位或極化
聲壓
磁存儲介質(zhì)的磁化

數(shù)字信號用于所有的數(shù)字電子設(shè)備中，包括計(jì)算設(shè)備和數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備。在電壓與時(shí)間的關(guān)系圖中，數(shù)字信號通常為0或VCC（如1.8V、3.3V或5V）兩值之一（見圖2）。

3、模擬電子設(shè)備
大多數(shù)基本電子元件（電阻、電容、電感、二極管、晶體管和運(yùn)算放大器）本質(zhì)上都是模擬組件。由這些元件組合而成的電路為模擬電路（參見圖3）。
圖3：模擬電路

模擬電路可以是多個(gè)組件的復(fù)雜設(shè)計(jì)，也可以很簡單，例如兩個(gè)電阻就可以構(gòu)成一個(gè)分壓器。通常，與實(shí)現(xiàn)相同任務(wù)的數(shù)字電路相比，模擬電路的設(shè)計(jì)難度更大。
模擬電路通常更容易產(chǎn)生噪聲，無論“噪聲”有多小，都會對電壓產(chǎn)生影響。而電壓水平的微小變化在后續(xù)處理中都會產(chǎn)生明顯的誤差。
模擬信號常用于使用連續(xù)信號傳遞語音、數(shù)據(jù)、圖像、信號或視頻信息的通信系統(tǒng)中。根據(jù)如何適應(yīng)數(shù)據(jù)以將輸入信號與載波信號組合在一起的技術(shù)，模擬傳輸分為兩種基本類型：幅度調(diào)制（AM）和頻率調(diào)制（FM）。幅度調(diào)制調(diào)整載波信號的幅度；頻率調(diào)制調(diào)整載波信號的頻率。模擬傳輸?shù)膶?shí)現(xiàn)方式有很多種：

通過雙絞線或同軸電纜
通過光纜
通過無線電
通過水

就像人體使用眼睛和耳朵來捕捉感官信息一樣，模擬電路也使用這些方法與現(xiàn)實(shí)世界進(jìn)行交互，并以電子方式準(zhǔn)確地捕捉和處理這些信號。
4、數(shù)字電子設(shè)備
數(shù)字電路可以實(shí)現(xiàn)邏輯門或更復(fù)雜的數(shù)字集成電路。這類集成電路在電路圖中表示為帶延伸引腳的矩形（請參見圖4）。
圖4：數(shù)字電路

數(shù)字電路通常采用二進(jìn)制方案。所有數(shù)據(jù)值僅由兩個(gè)狀態(tài)（0和1）來表示，較大的數(shù)值可以由二進(jìn)制比特組來表示。例如，在1比特系統(tǒng)中，0表示數(shù)據(jù)值0，而1表示數(shù)據(jù)值1；但在2比特系統(tǒng)中，00表示0，01表示1，10表示2，11表示3；在16比特系統(tǒng)中可以表示的最大數(shù)字為216，即65536。這些比特組可以被捕獲為一連串的連續(xù)比特位或一條并行總線，從而輕松處理大量數(shù)據(jù)流。
與模擬電路不同，最有用的數(shù)字電路是同步的，這意味著它需要一個(gè)參考時(shí)鐘來協(xié)調(diào)多個(gè)電路模塊的操作，也因此，電路模塊是以可預(yù)測的方式運(yùn)行的。模擬電子設(shè)備則為異步運(yùn)行，這意味著它們會在信號到達(dá)輸入時(shí)再對其進(jìn)行處理。
大多數(shù)數(shù)字電路使用數(shù)字處理器來處理數(shù)據(jù)。數(shù)字處理器可以是簡單的微控制器（MCU）或更加復(fù)雜的數(shù)字信號處理器（DSP）。DSP可以濾波和處理大數(shù)據(jù)流，例如視頻。
數(shù)字信號在通信系統(tǒng)中很常見。在通信系統(tǒng)中，數(shù)字信號通過點(diǎn)對點(diǎn)或點(diǎn)對多點(diǎn)傳輸通道（例如銅線、光纖、無線通信介質(zhì)、存儲介質(zhì)或計(jì)算機(jī)總線）來傳輸數(shù)據(jù)。傳輸?shù)臄?shù)據(jù)被表示為電磁信號，如微波、無線電波、電壓或紅外信號。
通常情況下，數(shù)字電路更易于設(shè)計(jì)，但與實(shí)現(xiàn)相同任務(wù)的模擬電路相比，其成本也更高。
5、模數(shù)（ADC）和數(shù)模（DAC）信號轉(zhuǎn)換
很多系統(tǒng)都必須同時(shí)處理模擬信號和數(shù)字信號。在通信系統(tǒng)中使用模擬信號很常見，模擬信號充當(dāng)著傳輸介質(zhì)發(fā)送和接收信息的接口。這些模擬信號被轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，以對信息進(jìn)行濾波、處理和存儲。
圖5顯示了通信系統(tǒng)的通用架構(gòu)，其中RF模擬前端（AFE）全部由模擬模塊組成，用來放大、濾波和增益模擬信號。而數(shù)字信號處理器（DSP）負(fù)責(zé)信息的濾波和處理。為了將信號從模擬子系統(tǒng)轉(zhuǎn)換為接收路徑（RX）中的數(shù)字子系統(tǒng)，這里用到了一個(gè)模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）；而將信號從數(shù)字子系統(tǒng)轉(zhuǎn)換為傳輸路徑（TX）中的模擬子系統(tǒng)，又用到了數(shù)模轉(zhuǎn)換器（DAC）。
圖5：模擬子系統(tǒng)和數(shù)字子系統(tǒng)組成的通信系統(tǒng)

數(shù)字信號處理器（DSP）是專門用于執(zhí)行數(shù)字信號處理操作的微處理器芯片。它采用MOSFET集成電路芯片制成，廣泛應(yīng)用于音頻信號處理、電信、數(shù)字圖像處理、高清電視產(chǎn)品、移動電話等常見的消費(fèi)電子設(shè)備，以及很多其他重要的應(yīng)用。
DSP用于測量、濾波或壓縮真實(shí)的連續(xù)模擬信號。專用DSP通常具有較高的功率效率，因此非常適合功耗要求苛刻的便攜式設(shè)備。大多數(shù)通用微處理器都能夠執(zhí)行數(shù)字信號處理算法。
6、ADC操作
模數(shù)轉(zhuǎn)換（ADC）的過程如圖6所示。其輸入為模擬信號，通過采樣保持（S / H）電路對其進(jìn)行處理，創(chuàng)建該信號的近似數(shù)字表示。信號幅度不再是無限值，而是根據(jù)ADC分辨率“量化”而成的離散值。具有較高分辨率的ADC將具有更精細(xì)的步長，并且能更準(zhǔn)確地表達(dá)輸入模擬信號。ADC的最后一級將數(shù)字化信號編碼為代表模擬信號幅度的二進(jìn)制比特流。現(xiàn)在，數(shù)字輸出就可以在數(shù)字域中進(jìn)行處理了。
圖6：完成模擬-數(shù)字信號轉(zhuǎn)換的ADC典型結(jié)構(gòu)
7、DAC操作
DAC提供反向操作。DAC的輸入是來自數(shù)字子系統(tǒng)的二進(jìn)制數(shù)據(jù)流，它輸出的離散值可近似為模擬信號。DAC分辨率越高，輸出信號也會更加接近真實(shí)的、平滑連續(xù)的模擬信號（見圖7）。在模擬信號鏈中通常還有一個(gè)后置濾波器，用于進(jìn)一步平滑波形。
圖7：完成數(shù)字-模擬信號轉(zhuǎn)換的6位DAC
如上所述，當(dāng)前的很多系統(tǒng)都使用“混合信號”，這意味著它們同時(shí)依賴模擬子系統(tǒng)和數(shù)字子系統(tǒng)。這些解決方案將需要ADC和DAC來完成兩個(gè)域之間的信息轉(zhuǎn)換。
8、優(yōu)缺點(diǎn)

與大多數(shù)工程話題一樣，模擬信號和數(shù)字信號也各有利弊。特定應(yīng)用、性能要求、傳輸介質(zhì)和操作環(huán)境決定了應(yīng)采用模擬信令還是數(shù)字信令，或二者都用。
9、數(shù)字信號的優(yōu)缺點(diǎn)
使用數(shù)字信號（包括數(shù)字信號處理DSP和通信系統(tǒng)）的優(yōu)勢如下：

數(shù)字信號能夠以更小的噪聲、失真和干擾傳遞信息。
數(shù)字電路能夠以較低成本更容易地大量復(fù)制。
數(shù)字信號處理更加靈活，因?yàn)橥ㄟ^數(shù)字可編程系統(tǒng)可以改動DSP的操作。
數(shù)字系統(tǒng)更加安全，因?yàn)閿?shù)字信息可以被輕松加密和壓縮。
數(shù)字系統(tǒng)更加精確，而且通過錯(cuò)誤檢測和校正代碼可以降低錯(cuò)誤發(fā)生的幾率。
數(shù)字信號可以通過半導(dǎo)體芯片輕松存儲在任何磁性介質(zhì)或光學(xué)介質(zhì)上。
數(shù)字信號可以遠(yuǎn)距離傳輸。

使用數(shù)字信號（包括數(shù)字信號處理DSP和通信系統(tǒng)）的缺點(diǎn)如下：

與傳輸相同的模擬通信相比，數(shù)字通信需要更高的帶寬。
DSP以更高速率處理信號，而且包含更多上層內(nèi)部硬件資源，這將導(dǎo)致更高的功耗；而模擬信號處理因?yàn)榘母倌芰康臒o源器件，所以功耗相對更低。
數(shù)字系統(tǒng)和處理通常更為復(fù)雜。

10、模擬信號的優(yōu)缺點(diǎn)

使用模擬信號（包括模擬信號處理ASP和通信系統(tǒng)）的優(yōu)勢如下所述：

模擬信號更易于處理。
模擬信號最適合音頻和視頻傳輸。
模擬信號具有更高的密度，并且可以提供更精細(xì)的信息。
模擬信號需要的帶寬比數(shù)字信號少。
模擬信號可以更準(zhǔn)確地表達(dá)物理現(xiàn)象的變化，例如聲音、光線、溫度、位置或壓力。
模擬通信系統(tǒng)的電氣容差敏感度較低。

使用模擬信號（包括模擬信號處理ASP和通信系統(tǒng)）的缺點(diǎn)如下：

長距離數(shù)據(jù)傳輸時(shí)可能會產(chǎn)生意外信號干擾。
模擬信號易產(chǎn)生損耗。
與抗擾性較高的數(shù)字信號相比，模擬信號更易受噪聲和失真的影響。
相比數(shù)字信號，模擬信號的信號質(zhì)量較低。

11、模擬信號和數(shù)字信號系統(tǒng)和應(yīng)用

傳統(tǒng)的音頻和通信系統(tǒng)均使用模擬信號。但是，除了帶寬效率不斷提高，芯片工藝技術(shù)、數(shù)字信號處理能力、編碼算法和加密要求也不斷進(jìn)步，傳統(tǒng)音頻和通信系統(tǒng)也開始數(shù)字化。在很多應(yīng)用中，模擬信號仍具有傳統(tǒng)的用途或優(yōu)勢。與現(xiàn)實(shí)信號（例如聲音、光、溫度和壓力）有關(guān)聯(lián)的大多數(shù)系統(tǒng)都使用模擬接口來捕獲或傳輸信息。下面列出了部分模擬信號應(yīng)用：