模擬信號與數字信號

一、模擬信號

　　模擬信號是一種不僅再時(shí)間上連續、數值上也連續的物理量，具有無(wú)窮多的數值，其數學(xué)表達是必較復雜，比如正弦函數、指數函數等。
　　從自然界感知的大部分物理量都是模擬性質(zhì)的，如速度、壓力、溫度、聲音、重量以及位置等都是最常見(jiàn)的物理量。
　　圖1.1.1 是幾種常見(jiàn)的模擬信號波形

　　正弦波：例如我們最經(jīng)常接觸到的聲波?？赡苣阌袡C會(huì )用一臺示波器察看一個(gè)真實(shí)的聲音波形，你將發(fā)現所看到的波形可不像這里所示范的這樣清晰的正弦波，而是看起來(lái)非常雜亂的一種波形，確實(shí)如此，這只是因為真實(shí)的聲音波形中包含了多種頻率的正弦波。另一個(gè)例子由發(fā)條驅動(dòng)的鐘擺，將鐘擺的運動(dòng)軌跡延時(shí)間軸展開(kāi)，得到的連續波形正好就是一個(gè)正弦波形。
　　調幅波：自從發(fā)明收音機以來(lái)，普通百姓就開(kāi)始與調幅波打交道了，這種波形是以一種頻率很高的正弦波作為載波，在此基礎上疊加一個(gè)頻率較低的信號波就形成了入圖所示得波形。
阻尼振蕩波：凡是自然界中可以看到的振蕩運動(dòng)，都可以觀(guān)察到這種波形，比如彈簧的自由振動(dòng)、鐘擺的自由運動(dòng)（不同于由發(fā)條驅動(dòng)得鐘擺運動(dòng)）等，如果說(shuō)這些還有人工的痕跡，那么水波的漣漪則是在自然不過(guò)的了。
　　指數衰減波：許多發(fā)光物質(zhì)都具有這種波形，也就是熒光壽命。我們平時(shí)使用的日光燈就是一個(gè)例子，當我們將一個(gè)點(diǎn)亮的日光燈的電源切斷時(shí)，可以觀(guān)察到日光燈不是一下子就熄滅，而是有一個(gè)短暫的熄滅過(guò)程，也就是通常所說(shuō)的日光燈的余輝。
　　在電子技術(shù)中通常采用一些傳感器將這些信號轉換為電流、電壓或電阻等電學(xué)量。這些同樣是模擬量，因為如果采用一臺示波器來(lái)測量這些電學(xué)量的波形的話(huà)，將觀(guān)察到與圖1.1.2圖示波形一樣的波形。
　　實(shí)際使用中電流和電壓常用圖形來(lái)表示。
　　下面我們看到的就是一個(gè)幅值為0～5V、周期為100ms的電壓波形：

圖1.1.2 周期性電壓波形

　　圖中電壓的幅值按照正弦波形周期性地變化，圖中顯示了兩個(gè)完整的波形，起始相位為零，如果想確定其中值的個(gè)數是不可能的，其值的個(gè)數有無(wú)窮多個(gè)。
　　正如我們在模擬電路中所學(xué)習的，周期性模擬信號的基本參數之一是頻率，也可以用周期表示。通常頻率用f表示，單位為赫茲（Hz）
；周期用T表示，單位為秒（s）。二者之間的關(guān)系是互為倒數，即有。圖1.1.2中已知電壓波形的周期Ｔ＝100ms，則頻率為10Hz，該電壓的幅值介于0～5V之間，值的個(gè)數為無(wú)窮大。
　　典型的模擬信號包括工頻信號、射頻信號、視頻信號等。我國和歐洲的工頻信號的頻率為50Hz ，美國為60Hz 。調幅波的射頻信號在 530Hz～1600kHz之間。調頻波的射頻信號在880MHz～108MHz之間。甚高頻（VHF）和超高頻（UHF）視頻信號在6GHz以上。

二、數字信號

　　電子系統中一般含有模擬和數字兩種構件，通常使用的收音機等
，其中的電路結構主要是模擬電路，比如功率放大器，不過(guò)現在有許多音響系統中不僅包含模擬電路，而且已經(jīng)有了數字模塊，比如CD機
，其中主要的部件就是數字模塊；而像電腦這樣一類(lèi)的電子系統，則主要就是建立在數字技術(shù)上的，但即使是所謂的純數字系統，仍然離不開(kāi)模擬電路，因為數字電路實(shí)事上可以說(shuō)是模擬電路的一種特例，比如說(shuō)在模擬電路中我們采用晶體管的線(xiàn)性工作區間，而數字電路則采用晶體管的非線(xiàn)性工作區間，因此說(shuō)模擬電路是電子系統中必須的組成部分。
　　人們發(fā)現在對信號的存儲、分析和傳輸中，數字電路更具優(yōu)越性
。為了能夠處理存儲連續變化的模擬信號，數字電路采用二進(jìn)制數首先對其進(jìn)行量化處理后，再使用復雜的數字系統來(lái)實(shí)現信號的存儲、分析和量化。

1.二值數字邏輯和邏輯電平

　　二進(jìn)制數正好是利用二值數字邏輯中的０和１來(lái)表示的。二值數字邏輯是Binary Digital Logic的譯稱(chēng)。
　　與模擬信號相反，數字數字信號在時(shí)間上和數值上均是離散的，而離散信號的值只有真或假，是與不是，因此可以使用二進(jìn)制數中的０和１來(lái)表示。需要注意的是這里的０和１并非通常意義上的０和１
，也就是說(shuō)并不像在十進(jìn)制中０和１有大小之分，這里的０和１指的是邏輯０和邏輯１。
　　因此我們可以將其稱(chēng)之為二值數字邏輯或簡(jiǎn)稱(chēng)為數字邏輯。
　　二值數字的產(chǎn)生，是基于客觀(guān)世界中存在許多可以用彼此相關(guān)又互相對立的兩種狀態(tài)來(lái)描述的事物，比如人的性別，不是男的就是女的，開(kāi)關(guān)的開(kāi)與關(guān)等，就是這樣一種關(guān)系。很顯然，這些都具有明顯的二值特性，因此完全可以用電子器件的開(kāi)關(guān)特性來(lái)表示。比如，利用晶體管的非線(xiàn)性特性制作成的開(kāi)關(guān)二極管，工作時(shí)僅有兩種狀態(tài)，不是導通就是關(guān)斷，也是一個(gè)二值特性，因此可以用其來(lái)表示人的性別等。
　　當開(kāi)關(guān)器件起作用時(shí)，電路中只可能出現兩種電壓值，當開(kāi)關(guān)器件導通時(shí)，開(kāi)關(guān)后的電路中將有電流流過(guò)（比如串聯(lián)于三極管發(fā)射極的負載），因而將可得到一個(gè)較高的電壓值，而當開(kāi)關(guān)器件關(guān)斷時(shí)，開(kāi)關(guān)后的電路中將沒(méi)有電流流過(guò)，因而將只能得到一個(gè)較低的電壓值
，從而在電路中將形成離散的電壓信號，也叫數字電壓，通常稱(chēng)之為邏輯電平。
　　應該注意的是邏輯電平不是一個(gè)具體的物理量，而是物理量的相對表示。比如，當使用示波器測量一個(gè)音響設備的輸出時(shí)，你可觀(guān)察到一個(gè)輸出電壓幅值連續變化的波形，但是將該輸出信號量化成二值信號后，你觀(guān)察到的只是一系列電壓值不是５Ｖ就是０Ｖ的離散電壓值，很顯然我們不能因此就說(shuō)該音響設備的輸出就是５Ｖ。

表1.1.1 邏輯電平與電壓值的關(guān)系

　　從表中可以看到，+5V的電壓值可以用二值邏輯中的1或0來(lái)表示，就看你使用的是正邏輯還是負邏輯。在邏輯電平中則使用高電平來(lái)表示。事實(shí)上高電平并非就只等于+5V，可以是3V，還可以是其它任何值。
　　圖1.1.3表示用邏輯電平描述的數字波形，其中圖1.1.3a的邏輯0表示0V，邏輯1表示5V；圖1.1.3b的邏輯0表示5V，邏輯1表示0V；圖1.1.3c 則是一個(gè)16位長(cháng)數據的圖形表示。

2.數字波形

　　數字波形是邏輯電平對時(shí)間的圖形表示。通常，我們將只有兩個(gè)離散值的波形稱(chēng)之為脈沖波形，在這一點(diǎn)上脈沖波形與數字波形是一致的，只不過(guò)數字波形用邏輯電平表示，而脈沖波形用電壓值表示而已。
　　與模擬波形的定義相同，數字波形也有周期性和非周期性之分。圖1.1.4表示了這兩類(lèi)數字波形：

　　周期性數字波形同樣用周期T或頻率f來(lái)描述；而脈沖波形的頻率常稱(chēng)為脈沖重復率PRR--Pulse Repetition Rate。
　　脈沖波形的參數：
　　脈沖寬度：t_w表示，表示脈沖作用的時(shí)間；
　　占空比：q，表示脈沖寬度t_w占整個(gè)周期T的百分數，常用下式來(lái)表示：
　　占空比是一個(gè)重要參數，其定義同樣適用于數字波形。
　　圖1.1.5表示兩種數字波形及其周期、頻率、脈沖寬度和占空比：