模拟信号与数字信号

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)。

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)。

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。
MPS提供了多种模拟IC和组件,例如采用超小尺寸1.5mmx2mm QFN封装的低静态电流同步降压变换器MP2322。
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)。

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。
MPS提供的数字设备包括MP2886A,这是一款数字多相PWM控制器,其PWM-VID接口与英伟达Open VReg规范兼容。
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)。
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