关于模拟和数字信号的一般问题

电器工程 数字逻辑 模拟 信号
2022-01-07 17:29:39

新手提醒:我不是电气工程师,也没有学过电气工程,请多多包涵。

每当我读到数字和模拟信号之间的区别时,通常会附上这样(或类似)的图形:

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考虑一下底部的插图(数字信号)。据我所知,电流是连续的,所以如果是这样的话,它就不可能在任何介质中以这种方式流动。换句话说:没有“方波”。
那么这究竟描绘了什么?
是否只是解释,每当电压通过某些障碍或低于它时?意思是,当电压高于某个任意选择的阈值时,我们将其视为“高”,否则我们将其视为“低”?

拜托,我知道这并不总是可能的,但请尝试以外行可以理解的方式回答。

4个回答

基本上,从电气的角度来看,每个“数字”信号都如您所说,只是方波的近似值。特别是它将具有有限的上升和下降时间。

在高速下,很难确保它看起来像理论所希望的那样漂亮。为了确保信号仍然被检测为数字信号(即接收器不会被形状可怕的信号完全混淆),所谓的眼图(又名眼图)用于在多个样本上测量其特性。

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许多标准(例如 USB 等)为此图表定义了一些可接受的特性。

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请注意,眼图/图表不仅限于两个 [电压] 电平。当您有任意数量的离散输出电平时,它也适用。例如,双绞线千兆以太网 (1000BASE-T) 使用的不是两个而是 5 个不同的电压电平。

这只是我们对电压何时通过某个障碍或低于该障碍的解释吗?意思是,当电压高于某个任意选择的阈值时,我们将其视为“高”,否则我们将其视为“低”?

基本上,是的,它就是这样工作的,“1”和“0”的一些电压阈值是由某个标准决定的。

数字信号是二进制的。它们只有两种状态——开或关、高或低、上升或下降——随便你怎么称呼它们。正如您所推断的,有一个阈值高于该值被认为是高的,而另一个阈值低于该值被认为是低的。通过将晶体管完全打开或完全关闭,数字化非常简单。

模拟信号类似于它们正在测量的量。例如,称重秤可能会给出与负载成正比的电压——比如对于 0 到 200 kg 的负载,电压为 0 到 10 V。另一个例子是来自麦克风的信号,它随着影响麦克风膜片的声压而变化。在这种情况下,频率将随声音的音高而变化,而幅度将随响度而变化。

不知何故,您感到有些困惑;让我看看我能不能帮忙。

当谈到“数字信号”时,该术语适用于不止一个级别。您似乎了解了模拟信号的概念 - 一个随时间变化的连续值。

数字“模拟”(请原谅双关语)是一系列数值;每个数值对应一个时间点,并且这些点通常以固定的时间间隔隔开。此外,该过程有一系列可用的数值,通常这是 2 的幂 - 例如,如果您表示值的方式是二进制字,则 8 位的 256 个值或 16 位的 65,536 个值。

现在我刚刚描述的是一个抽象;如果有人选择,可以通过挥动信号旗来传达数字信号。但是,如果我们选择通过一组电信号来表示数字信号,每比特一个导体并行排列,那么这些信号中的每一个确实是模拟信号,正如其他人所暗示的那样。然后,电子设备的工作就是生成这些信号并相应地接收/解码它们。

此外,您可以通过顺序发送每个值的每个位来串行而不是并行传输数字信号;您可以在单个导体上执行此操作,而不是使用多少位值得您使用,并且正如这里所说,有些方案比仅使用一个“高”电压或电流来表示“1”或“真”和“低”或零电压或电流表示“0”或“假”。

你是对的 - 模拟信号永远不会发生瞬时变化;造成这种情况的原因很多,我不会在这里全部讨论,除了一个:导体中电流的变化总是会抵抗自己(这直接来自法拉第方程)。但实际上,在设计数字电路时,想法是使状态之间的转换相对于无关紧要的转换之间的最小间隔的长度足够短。例如,当您使用太长的以太网电缆时,这种假设开始失效。

数字信号不想将模拟信号表示为“平方的东西”,因此当您在数字信号中看到 1 时,它不等于模拟信号中的高幅度,但它希望将幅度的高度表示为不同的时间作为数字(但以二进制格式)。如此多的二进制数想要将幅度的高度表示到一个特定的时间。

考虑这张来自 BBC 的图片:

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上图是模拟形式。从此,每秒取一个值(但这可以达到每秒 40mio. 次甚至更多)。该值是模拟信号的幅度高度。

当我们取值时,我们称之为“步骤”。

在每一步中,都会记录振幅的高度。高度是一个数字,可以表示为 0 和 1(例如 10 将是 1010)。

你看,我们每秒测量的值越多,需要保存/传输的数据就越多,这个模拟信号的最终数字格式就越准确。

此外,该值越高,生成的数字格式也越准确。(例如,当我们从 0 到 10 取值时,只有 10 个值 - 不是很准确。当我们将此数字信号重新调制为模拟信号时,曲线不会非常“好”。但是当我们取值时从 0 到 16000,这将更加准确。)每一步还必须在此处保存更多位。

如果你每一步保存 64Bit 并且每一步执行一次,你就节省了 64Bit/s。如果你每步保存 32Bit 并且每步执行两次,你也可以节省 64Bit/s。如果你每步保存 16Bit,并且每步每秒执行 4 次,那么你也有 64Bit/s。

传送数字信号的方法有很多种。例如,通过“改变电压”,这被称为“幅度调制”,它显示在你的图表中(但当然它永远不是一个完美的正方形!)。幅度调制只是意味着您用信号表示高幅度(高电压)为 1,而低幅度(高电压)为 0。

有其他调制技术,例如频率调制(与无线电一起使用的 FM - 您表示 1 表示高频,0 表示低频率)或脉冲幅度调制(用于以太网等等)!