模擬信號與數(shù)字信號

一、模擬信號

　　模擬信號是一種不僅再時(shí)間上連續(xù)、數(shù)值上也連續(xù)的物理量，具有無窮多的數(shù)值，其數(shù)學(xué)表達(dá)是必較復(fù)雜，比如正弦函數(shù)、指數(shù)函數(shù)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的物理量。
　　圖1.1.1 是幾種常見的模擬信號波形

　　正弦波：例如我們最經(jīng)常接觸到的聲波?？赡苣阌袡C(jī)會用一臺示波器察看一個(gè)真實(shí)的聲音波形，你將發(fā)現(xiàn)所看到的波形可不像這里所示范的這樣清晰的正弦波，而是看起來非常雜亂的一種波形，確實(shí)如此，這只是因?yàn)檎鎸?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(qū)動的鐘擺，將鐘擺的運(yùn)動軌跡延時(shí)間軸展開，得到的連續(xù)波形正好就是一個(gè)正弦波形。
　　調(diào)幅波：自從發(fā)明收音機(jī)以來，普通百姓就開始與調(diào)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(chǔ)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(yùn)動，都可以觀察到這種波形，比如彈簧的自由振動、鐘擺的自由運(yùn)動（不同于由發(fā)條驅(qū)動得鐘擺運(yùn)動）等，如果說這些還有人工的痕跡，那么水波的漣漪則是在自然不過的了。
　　指數(shù)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(dāng)我們將一個(gè)點(diǎn)亮的日光燈的電源切斷時(shí)，可以觀察到日光燈不是一下子就熄滅，而是有一個(gè)短暫的熄滅過程，也就是通常所說的日光燈的余輝。
　　在電子技術(shù)中通常采用一些傳感器將這些信號轉(zhuǎn)換為電流、電壓或電阻等電學(xué)量。這些同樣是模擬量，因?yàn)槿绻捎靡慌_示波器來測量這些電學(xué)量的波形的話，將觀察到與圖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(shù)是不可能的，其值的個(gè)數(shù)有無窮多個(gè)。
　　正如我們在模擬電路中所學(xué)習(xí)的，周期性模擬信號的基本參數(shù)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(shù)，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(shù)為無窮大。
　　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(diào)幅波的射頻信號在 530Hz～1600kHz之間。調(diào)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(shù)字信號

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

1.二值數(shù)字邏輯和邏輯電平

　　二進(jìn)制數(shù)正好是利用二值數(shù)字邏輯中的０和１來表示的。二值數(shù)字邏輯是Binary Digital Logic的譯稱。
　　與模擬信號相反，數(shù)字?jǐn)?shù)字信號在時(shí)間上和數(shù)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(shù)中的０和１來表示。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之為二值數(shù)字邏輯或簡稱為數(shù)字邏輯。
　　二值數(shù)字的產(chǎn)生，是基于客觀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)來描述的事物，比如人的性別，不是男的就是女的，開關(guān)的開與關(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關(guān)特性來表示。比如，利用晶體管的非線性特性制作成的開關(guān)二極管，工作時(shí)僅有兩種狀態(tài)，不是導(dǎo)通就是關(guān)斷，也是一個(gè)二值特性，因此可以用其來表示人的性別等。
　　當(dāng)開關(guān)器件起作用時(shí)，電路中只可能出現(xiàn)兩種電壓值，當(dāng)開關(guān)器件導(dǎo)通時(shí)，開關(guān)后的電路中將有電流流過（比如串聯(lián)于三極管發(fā)射極的負(fù)載），因而將可得到一個(gè)較高的電壓值，而當(dāng)開關(guān)器件關(guān)斷時(shí)，開關(guān)后的電路中將沒有電流流過，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(shù)字電壓，通常稱之為邏輯電平。
　　應(yīng)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(dāng)使用示波器測量一個(gè)音響設(shè)備的輸出時(shí)，你可觀察到一個(gè)輸出電壓幅值連續(xù)變化的波形，但是將該輸出信號量化成二值信號后，你觀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該音響設(shè)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來表示，就看你使用的是正邏輯還是負(fù)邏輯。在邏輯電平中則使用高電平來表示。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(shù)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位長數(shù)據(jù)的圖形表示。

2.數(shù)字波形

　　數(shù)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)離散值的波形稱之為脈沖波形，在這一點(diǎn)上脈沖波形與數(shù)字波形是一致的，只不過數(shù)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(shù)字波形也有周期性和非周期性之分。圖1.1.4表示了這兩類數(shù)字波形：

　　周期性數(shù)字波形同樣用周期T或頻率f來描述；而脈沖波形的頻率常稱為脈沖重復(fù)率PRR--Pulse Repetition Rate。
　　脈沖波形的參數(shù)：
　　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?jǐn)?shù)，常用下式來表示：
　　占空比是一個(gè)重要參數(shù)，其定義同樣適用于數(shù)字波形。
　　圖1.1.5表示兩種數(shù)字波形及其周期、頻率、脈沖寬度和占空比：