为什么数字设备比模拟设备有更多的延迟?

电器工程 模拟 软件 硬件 合成 合成器
2022-01-21 03:52:14

是数字设备传播时间较长的解释吗?例如,与硬件合成相比,软件合成非常慢。

3个回答

我假设您不是在暗示有关信息、权力和熵的更深入的哲学讨论,但您只是对实际方面感兴趣。

简单地说,数字电路需要测量输入,将其数字化,通过某种处理运行,然后再次将输出转换为电信号。数字电路不能直接操纵模拟电信号。由于信号转换,您天生就有额外的延迟。

如果这回答了您的问题,您可以在此处停止阅读。

从更哲学/物理的角度来看,在几乎所有电路中,您实际上并不是在尝试操纵电能(这就是电力电子所做的),而是在尝试操纵信息。在这种情况下,从技术上讲,模拟比数字更快是完全不正确的。为什么?好吧,模拟信号路径是非正交信息处理器:没有完美的运算放大器或完美的缓冲器,一切都有寄生效应,你需要过滤或以其他方式摆脱。尤其是在非常高的速度下,即使构建可靠传输电压的电线也成为一个真正的问题。数字处理将电气方面与信息分离:在将其输入数字化后,信号以非常纯粹的信息形式存在。

即使您受到两个转换阶段的惩罚,但在您的 ADC 和 DAC 之间,您可以使用许多处理技巧来加快处理速度,并且通常大大超过任何纯模拟信号处理器的性能。一个很好的例子是手机中数字调制解调器的革命,它现在在非常接近信息处理的理论极限(数十 pJ/bit 能量需求)下运行,而不久前纯模拟 GSM 调制解调器需要数量级更多的硅面积,我认为处理能量增加了 5 或 6 个数量级。

数字过程本质上会增加一定量的延迟,因为在两个时钟周期之间发生的事件要等到下一个时钟周期才能处理,并且为了避免在非常接近时钟周期边界发生的事件出现问题,通常设计的东西是事件要到它们之后的第二个时钟周期才会生效(尝试快速确定事件是在时钟周期边界之前还是之后发生通常非常困难,即使可以安全地决定关闭呼叫;能够推迟额外时钟周期的决定使事情变得更容易)。然而,这通常只是在许多数字系统中观察到的延迟的一小部分。

数字系统延迟的一个更大因素围绕着这样一个事实,即由于各种原因,许多系统能够比小系统更有效地处理大块数据。例如,虽然可以通过每秒 88,200 次中断处理器来记录 44KHz 立体声音频数据流,但这将要求处理器以每秒 88,200 次的速度停止它正在执行的任何操作,保存所有寄存器,切换到中断上下文,抓取样本,切换回来等。即使中断进入和退出每个只需要一微秒,系统将花费 22% 的时间进入和退出中断,而不是做任何有用的事情。如果系统改为使用硬件来缓冲 512 个样本组(每个通道 256 个样本)并在每个组准备好时通知处理器,

请注意,每个通道采集 256 个样本组听起来可能不会有太大的延迟(大约为 6 毫秒),如果信号通过多个设备并且每个设备都会产生这样的延迟,则延迟可能会累加。此外,如果信号通过的任何阶段使用任何类型的可变时间共享,则延迟可能是可变的。通过有时延迟比其他时间更长的通道传递实时音频数据会在每次延迟更改时导致明显的“颤音”或“乱码”。为了防止这种情况,一些系统用时间戳标记音频数据块,指示它们何时被捕获,并让数字数据的最终接收者将其转换回模拟形式,直到它被捕获后经过一定时间. 如果最终接收者将其延迟到捕获后一秒,那么旅程不同部分的延迟变化不会影响输出,除非它们总计超过一秒。如果有人认为传输中的随机短暂延迟会很频繁,但很少会出现较长的延迟,那么在最终接收者输出音频之前增加延迟会降低可听中断的频率,但也意味着声音不会尽快发出因为它本来可以。

此外,数字系统倾向于计时 - 实际上是量化时间,这意味着数字事件直到下一个时钟时间才会传播。