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模拟信号与数字信号

 通信百科 2023-10-23 发布于陕西

我们生活在一个模拟世界中,可以用无限多种颜色来描述物体(即使差异对我们的眼睛来说是看不到的),也可以听到无数种音调,可以闻到无数种气味。这些颜色、音调和气味就是我们要说的模拟信号,所有这些模拟信号的共同点是它们都有无限种可能。

然而数字信号的处理对象是在离散有限范围内处理,这意味着它们只有有限的一组值。比如说可能的值是255、4,294,967,296,或者其他任何值,只要这个值的数量不是∞(无穷大)即可。

在现实世界中,设备可以通过模拟或数字方式收集输入显示数据。如上图(从左到右):时钟,万用表和操纵杆都可以采用两种形式(上面的是模拟,下面的是数字)。

同时,我们在生活中使用电子设备,有时也需要进行模拟和数字信号的转换处理,输入和输出。电子设备必须以某种方式与真实的模拟世界进行交互,但是我们的大多数微处理器,计算机和逻辑单元都是纯数字组件。数字和模拟信号就像是不同的电子语言,有些电子组件是双语的,而有些只能会其中一种语言。

下面我们就来了解模拟信号与数字信号的区别和联系。

模拟信号


模拟信号是平滑的连续曲线,y轴为电压,x轴为时间(通常以秒为单位)。在图6中可以看到一个模拟信号示例。一些最常见的模拟组件是电阻器,电容器,电感器,二极管和晶体管。

查看信号图通常是识别信号是模拟还是数字的最简单方法。由上图可以看出,模拟信号的时间对电压曲线图应是光滑连续的尽管这些信号可能会限制在最大值和最小值范围内,但是在该范围内仍然有无限数量的可能值。例如,从墙上插座发出的模拟电压可能会钳位在-120V和+ 120V之间,但是,随着分辨率越来越高,您会发现信号实际可以达到的无数个值(例如64.4V ,64.42V,64.424V以及无限的,越来越精确的值)。

视频和音频传输通常使用模拟信号进行传输或记录。例如,从RCA插孔输出的视频信号是通常在0到1.073V之间的编码模拟信号。信号的微小变化会对视频的颜色或位置产生巨大影响。

纯音频信号也是模拟的。麦克风发出的信号充满了模拟频率和谐波,两者结合在一起可以制作出优美的音乐。

模拟信号的主要优点是其精确的分辨率,在理想情况下,它具有无穷大的分辨率。与数字信号相比,模拟信号的信息密度更高。由于不存在量化误差,它可以对自然界物理量的真实值进行尽可能逼近的描述。模拟信号的另一个优点是,当达到相同的效果,模拟信号处理比数字信号处理更简单。模拟信号的处理可以直接通过模拟电路组件(例如运算放大器等)实现,而数字信号处理往往涉及复杂的算法,甚至需要专门的数字信号处理器。

数字信号

首先信号必须具有一组有限的可能值。大多数数字信号在两个固定值之间振荡。在图7中可以看到一个模拟信号的示例。集成电路之间的大多数通信都是数字通信,例如串行通信,I 2 C和SPI,我们将在后面详细介绍。

或者说数字信号可能是模拟波形的离散表示。远远望去,模拟波函数可能看起来光滑,但是当你仔细看,这些是离散信号是模拟信号的近似值。

可以看出模拟波与数字波之间的最大差异:模拟波是平滑且连续的,数字波是递进,方波和离散的。当然,并非所有的音频和视频信号都是模拟的。标准化信号(例如用于视频(和音频)的HDMI和用于音频的MIDI2 SAC'97)均以数字方式传输。

串行外围设备接口(SPI)使用许多数字信号在设备之间传输数据。

模拟电路

大多数基本电子元件- 电阻器电容器,电感器,二极管,晶体管和运算放大器-本质上都是模拟的。仅由这些组件组合而成的电路通常是模拟的。

模拟电路可以是带有许多组件的非常优雅的设计,也可以非常简单,例如两个电阻组合在一起构成一个分压器总的来说,完成相同功能,模拟电路要比数字电路难得设计一种模拟无线电接收器或一个模拟电池充电器需要一种特殊的模拟电路向导。而数字电路组件的存在使这些设计可以变得更加简单。

当然,模拟电路通常更容易受到噪声的影响。模拟信号的电压电平的微小变化在处理时可能会产生明显的误差。


数字电路

数字电路使用数字离散信号进行操作。这些电路通常由晶体管和逻辑门以及更高级别的微控制器或其他计算芯片组成。大多数处理器,无论是计算机中强大的大型处理器还是微型微控制器,都在数字电路领域中运行。

数字电路通常使用二进制方案进行数字处理。这些系统将两个不同的电压分配为两个不同的逻辑电平 -高电压(通常为5V,3.3V或1.8V)代表一个值,而低电压(通常为0V)代表另一个值。尽管数字电路通常更易于设计,但它们却比同样功能的模拟电路要一些。


数模转换

在通信中,经常是数字信号与模拟信号的频繁转换以完成信息的传输。

模拟信号转换为数字信号:需要经过信号的采样、信号的量化与信号的编码个基本步骤。

数字信号转换为模拟信号:数字信号转换为模拟信号更为简单易懂。实际上,数模转换可以看成是对数字信号译码,数模转换是将输入的二进制数按其实际权值转换成对应的模拟量,然后将各个位数对应得到的模拟量相加,得到的总模拟量就与输入的数字量成正比,这就实现了数字信号到模拟信号的转换。

具体数模转换的详细技术后面再聊,就不在这细说了,感谢您的阅读。


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