【導(dǎo)讀】信號是將數(shù)據(jù)從一個系統(tǒng)或網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)搅硪幌到y(tǒng)或網(wǎng)絡(luò)的電磁或電流。在電子設(shè)備中，信號通常是隨時間變化的電壓，也是攜帶信息的電磁波，當(dāng)然也可以是電流等其他形式。電子設(shè)備中使用的信號主要有兩種類型：模擬信號和數(shù)字信號。本文將討論模擬信號與數(shù)字信號的特性、用途、優(yōu)缺點(diǎn)以及典型應(yīng)用。
模擬信號
模擬信號會隨時間變化，而且通常被限制在一個范圍內(nèi)（例如+ 12V至-12V）。但在這個連續(xù)的范圍內(nèi)，它會有無限多個值。模擬信號使用介質(zhì)的給定屬性來傳遞信號信息，例如通過電線來傳遞電。在電信號中，用信號的不同電壓、電流或頻率來表達(dá)信息。模擬信號通常用于反應(yīng)光線、聲音、溫度、位置、壓力或其他物理現(xiàn)象的變化。
繪制電壓與時間的關(guān)系圖，我們會發(fā)現(xiàn)模擬信號會產(chǎn)生平滑而連續(xù)的曲線，不會產(chǎn)生任何離散變化（請參見圖1）。
圖1: 模擬信號
數(shù)字信號
數(shù)字信號則將數(shù)據(jù)表示為一連串離散的值。在給定時間內(nèi)，數(shù)字信號只能從有限的一組可能值中選取一個值。采用數(shù)字信號，物理量表達(dá)的信息可能有很多種：
?可變電流或電壓
?電磁場的相位或極化
?聲壓
?磁存儲介質(zhì)的磁化
數(shù)字信號用于所有的數(shù)字電子設(shè)備中，包括計算設(shè)備和數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備。在電壓與時間的關(guān)系圖中，數(shù)字信號通常為0或VCC（如1.8V、3.3V或5V））兩值之一（見圖2）。
模擬電子設(shè)備
大多數(shù)基本電子元件（電阻、電容、電感、二極管、晶體管和運(yùn)算放大器）本質(zhì)上都是模擬組件。由這些元件組合而成的電路為模擬電路（參見圖3）。
圖3: 模擬電路
模擬電路可以是多個組件的復(fù)雜設(shè)計，也可以很簡單，例如兩個電阻就可以構(gòu)成一個分壓器。通常，與實(shí)現(xiàn)相同任務(wù)的數(shù)字電路相比，模擬電路的設(shè)計難度更大。
模擬電路通常更容易產(chǎn)生噪聲，無論“噪聲”有多小，都會對電壓產(chǎn)生影響。而電壓水平的微小變化在后續(xù)處理中都會產(chǎn)生明顯的誤差。
模擬信號常用于使用連續(xù)信號傳遞語音、數(shù)據(jù)、圖像、信號或視頻信息的通信系統(tǒng)中。根據(jù)如何適應(yīng)數(shù)據(jù)以將輸入信號與載波信號組合在一起的技術(shù)，模擬傳輸分為兩種基本類型：幅度調(diào)制（AM）和頻率調(diào)制（FM）。 幅度調(diào)制調(diào)整載波信號的幅度；頻率調(diào)制調(diào)整載波信號的頻率。模擬傳輸?shù)膶?shí)現(xiàn)方式有很多種：
1.通過雙絞線或同軸電纜
2.通過光纜
3.通過無線電
4.通過水
就像人體使用眼睛和耳朵來捕捉感官信息一樣，模擬電路也使用這些方法與現(xiàn)實(shí)世界進(jìn)行交互，并以電子方式準(zhǔn)確地捕捉和處理這些信號。
MPS提供了多種模擬IC和組件，例如采用超小尺寸1.5mmx2mm QFN封裝的低靜態(tài)電流同步降壓變換器MP2322。
數(shù)字電子設(shè)備
數(shù)字電路可以實(shí)現(xiàn)邏輯門或更復(fù)雜的數(shù)字集成電路。這類集成電路在電路圖中表示為帶延伸引腳的矩形（請參見圖4）。
圖4: 數(shù)字電路
數(shù)字電路通常采用二進(jìn)制方案。所有數(shù)據(jù)值僅由兩個狀態(tài)（0和1）來表示，較大的數(shù)值可以由二進(jìn)制比特組來表示。例如，在1比特系統(tǒng)中，0表示數(shù)據(jù)值0，而1表示數(shù)據(jù)值1；但在2比特系統(tǒng)中，00表示0，01表示1，10表示2，11表示3；在16比特系統(tǒng)中可以表示的最大數(shù)字為216，即65,536。這些比特組可以被捕獲為一連串的連續(xù)比特位或一條并行總線，從而輕松處理大量數(shù)據(jù)流。
與模擬電路不同，最有用的數(shù)字電路是同步的，這意味著它需要一個參考時鐘來協(xié)調(diào)多個電路模塊的操作，也因此，電路模塊是以可預(yù)測的方式運(yùn)行的。模擬電子設(shè)備則為異步運(yùn)行，這意味著它們會在信號到達(dá)輸入時再對其進(jìn)行處理。
大多數(shù)數(shù)字電路使用數(shù)字處理器來處理數(shù)據(jù)。數(shù)字處理器可以是簡單的微控制器（MCU）或更加復(fù)雜的數(shù)字信號處理器（DSP）。DSP可以濾波和處理大數(shù)據(jù)流，例如視頻。
數(shù)字信號在通信系統(tǒng)中很常見。在通信系統(tǒng)中，數(shù)字信號通過點(diǎn)對點(diǎn)或點(diǎn)對多點(diǎn)傳輸通道（例如銅線、光纖、無線通信介質(zhì)、存儲介質(zhì)或計算機(jī)總線）來傳輸數(shù)據(jù)。傳輸?shù)臄?shù)據(jù)被表示為電磁信號，如微波、無線電波、電壓或紅外信號。
通常情況下，數(shù)字電路更易于設(shè)計，但與實(shí)現(xiàn)相同任務(wù)的模擬電路相比，其成本也更高。
MPS提供的數(shù)字設(shè)備包括MP2886A，這是一款數(shù)字多相PWM控制器，其PWM-VID接口與英偉達(dá)Open VReg規(guī)范兼容。
模數(shù)（ADC）和數(shù)模（DAC）信號轉(zhuǎn)換
很多系統(tǒng)都必須同時處理模擬信號和數(shù)字信號。在通信系統(tǒng)中使用模擬信號很常見，模擬信號充當(dāng)著傳輸介質(zhì)發(fā)送和接收信息的接口。這些模擬信號被轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，以對信息進(jìn)行濾波、處理和存儲。
圖5顯示了通信系統(tǒng)的通用架構(gòu)，其中RF模擬前端（AFE）全部由模擬模塊組成，用來放大、濾波和增益模擬信號。而數(shù)字信號處理器（DSP）負(fù)責(zé)信息的濾波和處理。為了將信號從模擬子系統(tǒng)轉(zhuǎn)換為接收路徑（RX）中的數(shù)字子系統(tǒng)，這里用到了一個模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）；而將信號從數(shù)字子系統(tǒng)轉(zhuǎn)換為傳輸路徑（TX）中的模擬子系統(tǒng)，又用到了數(shù)模轉(zhuǎn)換器（DAC）。
圖5: 模擬子系統(tǒng)和數(shù)字子系統(tǒng)組成的通信系統(tǒng)
數(shù)字信號處理器（DSP）是專門用于執(zhí)行數(shù)字信號處理操作的微處理器芯片。它采用MOSFET集成電路芯片制成，廣泛應(yīng)用于音頻信號處理、電信、數(shù)字圖像處理、高清電視產(chǎn)品、移動電話等常見的消費(fèi)電子設(shè)備，以及很多其他重要的應(yīng)用。
DSP用于測量、濾波或壓縮真實(shí)的連續(xù)模擬信號。專用DSP通常具有較高的功率效率，因此非常適合功耗要求苛刻的便攜式設(shè)備。大多數(shù)通用微處理器都能夠執(zhí)行數(shù)字信號處理算法。
ADC操作
模數(shù)轉(zhuǎn)換（ADC）的過程如圖6所示。其輸入為模擬信號，通過采樣保持（S / H）電路對其進(jìn)行處理，創(chuàng)建該信號的近似數(shù)字表示。信號幅度不再是無限值，而是根據(jù)ADC分辨率“量化”而成的離散值。具有較高分辨率的ADC將具有更精細(xì)的步長，并且能更準(zhǔn)確地表達(dá)輸入模擬信號。ADC的最后一級將數(shù)字化信號編碼為代表模擬信號幅度的二進(jìn)制比特流。現(xiàn)在，數(shù)字輸出就可以在數(shù)字域中進(jìn)行處理了。
圖6: 完成模擬-數(shù)字信號轉(zhuǎn)換的ADC典型結(jié)構(gòu)
DAC操作
DAC提供反向操作。DAC的輸入是來自數(shù)字子系統(tǒng)的二進(jìn)制數(shù)據(jù)流，它輸出的離散值可近似為模擬信號。DAC分辨率越高，輸出信號也會更加接近真實(shí)的、平滑連續(xù)的模擬信號（見圖7）。在模擬信號鏈中通常還有一個后置濾波器，用于進(jìn)一步平滑波形。
圖7: 完成數(shù)字-模擬信號轉(zhuǎn)換的6位DAC
如上所述，當(dāng)前的很多系統(tǒng)都使用“混合信號”，這意味著它們同時依賴模擬子系統(tǒng)和數(shù)字子系統(tǒng)。這些解決方案將需要ADC和DAC來完成兩個域之間的信息轉(zhuǎn)換。
數(shù)字信號與模擬信號的優(yōu)缺點(diǎn)
與大多數(shù)工程話題一樣，模擬信號和數(shù)字信號也各有利弊。特定應(yīng)用、性能要求、傳輸介質(zhì)和操作環(huán)境決定了應(yīng)采用模擬信令還是數(shù)字信令，或二者都用。
數(shù)字信號的優(yōu)缺點(diǎn)
使用數(shù)字信號（包括數(shù)字信號處理DSP和通信系統(tǒng)）的優(yōu)勢如下：
?數(shù)字信號能夠以更小的噪聲、失真和干擾傳遞信息。
?數(shù)字電路能夠以較低成本更容易地大量復(fù)制。
?數(shù)字信號處理更加靈活，因?yàn)橥ㄟ^數(shù)字可編程系統(tǒng)可以改動DSP的操作。
?數(shù)字信號處理更加安全，因?yàn)閿?shù)字信息可以被輕松加密和壓縮。
?數(shù)字系統(tǒng)更加精確，而且通過錯誤檢測和校正代碼可以降低錯誤發(fā)生的幾率。
?數(shù)字信號可以通過半導(dǎo)體芯片輕松存儲在任何磁性介質(zhì)或光學(xué)介質(zhì)上。
?數(shù)字信號可以遠(yuǎn)距離傳輸。
使用數(shù)字信號（包括數(shù)字信號處理DSP和通信系統(tǒng)）的缺點(diǎn)如下：
?與傳輸相同信息的模擬通信相比，數(shù)字通信需要更高的帶寬。
?DSP以更高速率處理信號，而且包含更多上層內(nèi)部硬件資源，這將導(dǎo)致更高的功耗；而模擬信號處理因?yàn)榘母倌芰康臒o源組件，所以功耗相對較低。
?數(shù)字系統(tǒng)和處理通常更為復(fù)雜。
模擬信號的優(yōu)缺點(diǎn)
使用模擬信號（包括模擬信號處理ASP和通信系統(tǒng)）的優(yōu)勢如下所述：
?模擬信號更易于處理。
?模擬信號最適合音頻和視頻傳輸。
?模擬信號具有更高的密度，并且可以提供更精細(xì)的信息。
?模擬信號需要的帶寬比數(shù)字信號少。
?模擬信號可以更準(zhǔn)確地表達(dá)物理現(xiàn)象的變化，例如聲音、光線、溫度、位置或壓力。
?模擬通信系統(tǒng)的電氣容差敏感度較低。
使用模擬信號（包括模擬信號處理ASP和通信系統(tǒng)）的缺點(diǎn)如下：
?長距離數(shù)據(jù)傳輸時可能會產(chǎn)生意外信號干擾。
?模擬信號易產(chǎn)生損耗。
?與抗擾性較高的數(shù)字信號相比，模擬信號更易受噪聲和失真的影響。
?相比數(shù)字信號，模擬信號的信號質(zhì)量較低。
模擬信號和數(shù)字信號的系統(tǒng)與應(yīng)用
傳統(tǒng)的音頻和通信系統(tǒng)均使用模擬信號。但是，除了帶寬效率不斷提高，芯片工藝技術(shù)、數(shù)字信號處理能力、編碼算法和加密要求也不斷進(jìn)步，傳統(tǒng)音頻和通信系統(tǒng)也開始數(shù)字化。在很多應(yīng)用中，模擬信號仍具有傳統(tǒng)的用途或優(yōu)勢。與現(xiàn)實(shí)信號（例如聲音、光、溫度和壓力）有關(guān)聯(lián)的大多數(shù)系統(tǒng)都使用模擬接口來捕獲或傳輸信息。下面列出了部分模擬信號應(yīng)用：
?錄音和復(fù)制
?溫度傳感器
?圖像傳感器
?無線電信號
?電話
?控制系統(tǒng)
MPS提供了廣泛的模擬器件組合，包括MP2322, MP8714, MP2145,和MP8712.
盡管許多原始的通信系統(tǒng)仍使用模擬信號（如電話），但因?yàn)閿?shù)字信號所具有的抗噪性、加密能力、帶寬效率以及利用中繼器實(shí)現(xiàn)長距離傳輸?shù)哪芰?，最新的技術(shù)都采用了數(shù)字信號。下面列出了一些數(shù)字信號應(yīng)用：
?通信系統(tǒng)（寬帶、蜂窩）
?網(wǎng)絡(luò)和數(shù)據(jù)通信
?用于實(shí)現(xiàn)可編程性的數(shù)字接口
要了解MPS數(shù)字器件的更多信息，請?jiān)L問 MP2886A, MP8847, MP8868, MP8869S, and MP5416，
結(jié)論
本文介紹了模擬信號和數(shù)字信號的一些基本概念，以及它們在電子設(shè)備中的用途。顯然，每種技術(shù)都有其優(yōu)缺點(diǎn)，了解應(yīng)用需求和性能需求將幫助您做出最佳選擇。
來源：MPS
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