模拟信号与数字信号的基础知识

信号是将数据从一个系统或网络传输到另一系统或网络的电磁或电流。在电子设备中，信号通常是随时间变化的电压，也是携带信息的电磁波，当然也可以是电流等其他形式。电子设备中使用的信号主要有两种类型：模拟信号和数字信号。本文将讨论模拟信号与数字信号的特性、用途、优缺点以及典型应用。

模拟信号

模拟信号会随时间变化，而且通常被限制在一个范围内（例如+ 12V至-12V）。但在这个连续的范围内，它会有无限多个值。模拟信号使用介质的给定属性来传递信号信息，例如通过电线来传递电。在电信号中，用信号的不同电压、电流或频率来表达信息。模拟信号通常用于反应光线、声音、温度、位置、压力或其他物理现象的变化。

绘制电压与时间的关系图，我们会发现模拟信号会产生平滑而连续的曲线，不会产生任何离散变化（请参见图1）。

图1: 模拟信号

数字信号

数字信号则将数据表示为一连串离散的值。在给定时间内，数字信号只能从有限的一组可能值中选取一个值。采用数字信号，物理量表达的信息可能有很多种：

可变电流或电压

电磁场的相位或极化

声压

磁存储介质的磁化

数字信号用于所有的数字电子设备中，包括计算设备和数据传输设备。在电压与时间的关系图中，数字信号通常为0或VCC（如1.8V、3.3V或5V））两值之一（见图2）。

模拟电子设备

大多数基本电子元件（电阻、电容、电感、二极管、晶体管和运算放大器）本质上都是模拟组件。由这些元件组合而成的电路为模拟电路（参见图3）。

图3: 模拟电路

模拟电路可以是多个组件的复杂设计，也可以很简单，例如两个电阻就可以构成一个分压器。通常，与实现相同任务的数字电路相比，模拟电路的设计难度更大。

模拟电路通常更容易产生噪声，无论“噪声”有多小，都会对电压产生影响。而电压水平的微小变化在后续处理中都会产生明显的误差。

模拟信号常用于使用连续信号传递语音、数据、图像、信号或视频信息的通信系统中。根据如何适应数据以将输入信号与载波信号组合在一起的技术，模拟传输分为两种基本类型：幅度调制（AM）和频率调制（FM）。幅度调制调整载波信号的幅度；频率调制调整载波信号的频率。模拟传输的实现方式有很多种：

通过双绞线或同轴电缆

通过光缆

通过无线电

通过水

就像人体使用眼睛和耳朵来捕捉感官信息一样，模拟电路也使用这些方法与现实世界进行交互，并以电子方式准确地捕捉和处理这些信号。

数字电子设备

数字电路可以实现逻辑门或更复杂的数字集成电路。这类集成电路在电路图中表示为带延伸引脚的矩形（请参见图4）。

图4: 数字电路

数字电路通常采用二进制方案。所有数据值仅由两个状态（0和1）来表示，较大的数值可以由二进制比特组来表示。例如，在1比特系统中，0表示数据值0，而1表示数据值1；但在2比特系统中，00表示0，01表示1，10表示2，11表示3；在16比特系统中可以表示的最大数字为216，即65,536。这些比特组可以被捕获为一连串的连续比特位或一条并行总线，从而轻松处理大量数据流。

与模拟电路不同，最有用的数字电路是同步的，这意味着它需要一个参考时钟来协调多个电路模块的操作，也因此，电路模块是以可预测的方式运行的。模拟电子设备则为异步运行，这意味着它们会在信号到达输入时再对其进行处理。

大多数数字电路使用数字处理器来处理数据。数字处理器可以是简单的微控制器（MCU）或更加复杂的数字信号处理器（DSP）。DSP可以滤波和处理大数据流，例如视频。

数字信号在通信系统中很常见。在通信系统中，数字信号通过点对点或点对多点传输通道（例如铜线、光纤、无线通信介质、存储介质或计算机总线）来传输数据。传输的数据被表示为电磁信号，如微波、无线电波、电压或红外信号。

通常情况下，数字电路更易于设计，但与实现相同任务的模拟电路相比，其成本也更高。

模数（ADC）和数模（DAC）信号转换

很多系统都必须同时处理模拟信号和数字信号。在通信系统中使用模拟信号很常见，模拟信号充当着传输介质发送和接收信息的接口。这些模拟信号被转换为数字信号，以对信息进行滤波、处理和存储。

图5显示了通信系统的通用架构，其中RF模拟前端（AFE）全部由模拟模块组成，用来放大、滤波和增益模拟信号。而数字信号处理器（DSP）负责信息的滤波和处理。为了将信号从模拟子系统转换为接收路径（RX）中的数字子系统，这里用到了一个模数转换器（ADC）；而将信号从数字子系统转换为传输路径（TX）中的模拟子系统，又用到了数模转换器（DAC）。

图5: 模拟子系统和数字子系统组成的通信系统

数字信号处理器（DSP）是专门用于执行数字信号处理操作的微处理器芯片。它采用MOSFET集成电路芯片制成，广泛应用于音频信号处理、电信、数字图像处理、高清电视产品、移动电话等常见的消费电子设备，以及很多其他重要的应用。

DSP用于测量、滤波或压缩真实的连续模拟信号。专用DSP通常具有较高的功率效率，因此非常适合功耗要求苛刻的便携式设备。大多数通用微处理器都能够执行数字信号处理算法。

ADC操作

模数转换（ADC）的过程如图6所示。其输入为模拟信号，通过采样保持（S / H）电路对其进行处理，创建该信号的近似数字表示。信号幅度不再是无限值，而是根据ADC分辨率“量化”而成的离散值。具有较高分辨率的ADC将具有更精细的步长，并且能更准确地表达输入模拟信号。ADC的最后一级将数字化信号编码为代表模拟信号幅度的二进制比特流。现在，数字输出就可以在数字域中进行处理了。

图6: 完成模拟-数字信号转换的ADC典型结构

DAC操作

DAC提供反向操作。DAC的输入是来自数字子系统的二进制数据流，它输出的离散值可近似为模拟信号。DAC分辨率越高，输出信号也会更加接近真实的、平滑连续的模拟信号（见图7）。在模拟信号链中通常还有一个后置滤波器，用于进一步平滑波形。

图7: 完成数字-模拟信号转换的6位DAC

如上所述，当前的很多系统都使用“混合信号”，这意味着它们同时依赖模拟子系统和数字子系统。这些解决方案将需要ADC和DAC来完成两个域之间的信息转换。

数字信号与模拟信号的优缺点

与大多数工程话题一样，模拟信号和数字信号也各有利弊。特定应用、性能要求、传输介质和操作环境决定了应采用模拟信令还是数字信令，或二者都用。

数字信号的优缺点

使用数字信号（包括数字信号处理DSP和通信系统）的优势如下：

数字信号能够以更小的噪声、失真和干扰传递信息。

数字电路能够以较低成本更容易地大量复制。

数字信号处理更加灵活，因为通过数字可编程系统可以改动DSP的操作。

数字信号处理更加安全，因为数字信息可以被轻松加密和压缩。

数字系统更加精确，而且通过错误检测和校正代码可以降低错误发生的几率。

数字信号可以通过半导体芯片轻松存储在任何磁性介质或光学介质上。

数字信号可以远距离传输。

 使用数字信号（包括数字信号处理DSP和通信系统）的缺点如下：

与传输相同信息的模拟通信相比，数字通信需要更高的带宽。

DSP以更高速率处理信号，而且包含更多上层内部硬件资源，这将导致更高的功耗；而模拟信号处理因为包含消耗更少能量的无源组件，所以功耗相对较低。

数字系统和处理通常更为复杂。

 模拟信号的优缺点

使用模拟信号（包括模拟信号处理ASP和通信系统）的优势如下所述：

模拟信号更易于处理。

模拟信号最适合音频和视频传输。

模拟信号具有更高的密度，并且可以提供更精细的信息。

模拟信号需要的带宽比数字信号少。

模拟信号可以更准确地表达物理现象的变化，例如声音、光线、温度、位置或压力。

模拟通信系统的电气容差敏感度较低。

使用模拟信号（包括模拟信号处理ASP和通信系统）的缺点如下：

长距离数据传输时可能会产生意外信号干扰。

模拟信号易产生损耗。

与抗扰性较高的数字信号相比，模拟信号更易受噪声和失真的影响。

相比数字信号，模拟信号的信号质量较低。

模拟信号和数字信号的系统与应用

传统的音频和通信系统均使用模拟信号。但是，除了带宽效率不断提高，芯片工艺技术、数字信号处理能力、编码算法和加密要求也不断进步，传统音频和通信系统也开始数字化。在很多应用中，模拟信号仍具有传统的用途或优势。与现实信号（例如声音、光、温度和压力）有关联的大多数系统都使用模拟接口来捕获或传输信息。下面列出了部分模拟信号应用：

录音和复制

温度传感器

图像传感器

无线电信号

电话

控制系统 

尽管许多原始的通信系统仍使用模拟信号（如电话），但因为数字信号所具有的抗噪性、加密能力、带宽效率以及利用中继器实现长距离传输的能力，最新的技术都采用了数字信号。下面列出了一些数字信号应用：

通信系统（宽带、蜂窝）

网络和数据通信

用于实现可编程性的数字接口

结论 

本文介绍了模拟信号和数字信号的一些基本概念，以及它们在电子设备中的用途。显然，每种技术都有其优缺点，了解应用需求和性能需求将帮助您做出最佳选择。

　　审核编辑：汤梓红