模拟和数字

首先，您需要了解什么是“模拟”信号，什么是“数字”信号，它们有何不同，以及它们有何相似之处。

术语“模拟”来自“模拟”和“数字”计算机之间的旧区别。一台“数字计算机”，即使是几十年前非常原始的计算机，也一直或多或少是我们现在所知道的——一个操纵“位”（或者，在非常古老的系统中是十进制数字）的盒子，信息在哪里由编码在位中的数字表示。

另一方面，“模拟计算机”使用计算机中的电压值来表示数字量。即，在数字计算机可以将值“6”表示为二进制位110的情况下，模拟计算机可以将值“6”表示为6伏的电压。

（我可以在这里继续解释更多关于模拟计算机如何工作的段落，但可以说，除了在非常有限的应用中，不再使用模拟计算机——在需要的地方，它们的功能可以用数字计算机来模拟更多便宜又准确。）

但关键是之所以称为“模拟信号”，是因为信号中的电压电平是某些“现实生活”现象的类比（“模拟”）。例如，在模拟音频信号中，电压电平是产生声音的声压的模拟值——更高的电压电平意味着更大的声压，等等。此外（稍后会很重要），“X 轴"——时间维​​度——也是“模拟的”。也就是说，在大多数情况下（除了记录已经加速或减速的情况），模拟信号中的一秒时间对应于“现实生活”中的一秒。

在下图中，信号中的峰值代表较高的气压（谷值代表较低的气压）。

另一方面，数字信号的起伏与“现实生活”没有直接关系。相反，它们以数字代码表示二进制数字（因此是“数字”），用于表示信号对应的任何“现实生活”现象。在下图中，位（每行代表一个单独的位流）可能代表 ASCII 文本的字符，或者它们可能代表来自心率监测器的读数。查看数据，您甚至无法判断它是悦耳的声音（如吉他）还是不和谐的声音（如钹）。

另请注意，X 维度不是任何东西的模拟——整个交响乐可能会在十秒内以数字信号的形式传输，或者可以逐位传输瞬间拍摄的高分辨率照片，在几秒钟或几分钟的时间内。（旧的 Mariner 太空探测器需要几个小时才能传输一张高分辨率图像，因为在那个距离上比特率太慢了。）

但请注意，这两种类型的信号都可以通过电线上的波动电压来表示，事实上，您可以将数字信号（如果数据速率足够慢）直接连接到（“模拟”）音频放大器和听这个。（它会发出嘈杂的尖叫声）。 所以在这个基本水平——一个随时间波动的电压——模拟和数字信号基本上是相同的。

（还需要注意的是，从“信息论”的角度来看，无论是数字的还是模拟的，无论是数字的还是模拟的，或者如何它可能是多路复用的。然而，虽然人们可能会花几天时间讨论信息论和熵，但我不会再深入探讨它，因为它是为理论家准备的，而且想想它会让我头疼。）

多路复用

接下来我们需要了解“复用”。至少在美国，“影院多厅”是在一栋建筑中的一组电影院。同样，当您“多路复用”信号时，您会将多个信号组合成一个包罗万象的信号。但是就像你不想去电影院看 6 部电影同时投影到一个屏幕上一样，当我们多路复用信号时，我们这样做的方式是接收站可以将组合信号分离回单个屏幕那些。

信号复用（*）的最早形式是普通无线电。同一地区的几个无线电台都可以将它们的信号广播到同一个“以太”中，但每个都使用不同的分配频率，因此，通过将您的无线电接收器调谐到特定频率（实际上是一个频段），您可以接收到“ hard rock”电台是您想听的，而不必同时收听您父母收听的“easy thinking”电台。

这实质上是频分复用（FDM） ——可用频谱被划分为多个频段，每个信号与一个“载波”频率组合以占据适当的频段。（原始信号，在复用之前，被称为“基带”信号，因为它没有与载波组合。这种与“宽带”形成对比，其中多个信号已被复用，但不幸的是术语“宽带” " 有多个令人困惑的定义。）

FDM 曾经广泛用于电话系统中，用于长途线路。一对电线（和相关的放大器）可能具有从 20Hz 到 100KHz 的频率响应，携带十几个音频信号，每个信号都在一个指定的频率上，就像广播电台或电视一样。后来使用了同轴电缆，将可用带宽增加到几兆赫兹，每根电缆允许数百个音频信号。

（这个方案的一个显着缺点是需要许多放大器——至少每十英里一个，有些方案每英里一个。）

现在，应该清楚的是，鉴于模拟信号和数字信号之间（电气上）没有根本区别，数字信号确实可以使用 FDM 进行广播。事实上，如果你有一个有线调制解调器，那么这个拥有一百多个模拟频道的电缆就是频率多路复用的（就像无线电视一样）。您的电缆调制解调器信号占用（与您的邻居共享）这些“模拟”频道之一。所以你的电缆调制解调器信号是通过 FDM 传输的（尽管有几个额外的扭曲）。

现在介绍时分复用 (TDM)。

时分复用涉及到它的名字含义——组合信号的时间轴被分成离散的段，不同的单个信号在不同的段中传输。

TDM 实际上可以追溯到常规数字数据之前。美国的贝尔电话公司在 50 年代进行了实验，将模拟信号分成许多薄片，然后将多个不同模拟信号的薄片交错在一起，从而使多个信号可以通过一对电线发送，而无需求助于FDM。所以在这种情况下，模拟信号是通过 TDM 传输的。

但这样做非常复杂。模拟信号需要足够快地“采样”，以使采样之间的信号变化不大。对于最大频率约为 3.5KHz（普通电话线的范围）的音频信号，必须至少以该频率的两倍（因此每秒大约 7000 个“切片”）进行采样，然后这些切片必须与其他切片交错（可能五个或十个）。（这被称为“脉冲幅度调制”。）在另一端，需要分离切片，通过“平滑”信号来填充切片之间的缺失空间。所有这些都需要在不严重改变各个切片的幅度（音量）的情况下完成。

当然，上述方案很难做到正确，并且相对于 FDM 在相同的电线上并没有真正提供太多优势，所以当真正的数字功能出现时，他们像一块热石一样放弃了它。

为什么数字不同

到目前为止，我一直在展示模拟和数字之间实际上没有区别。现在我将改变方向——数字在一些非常重要的方面确实不同。

首先，数字信号不会像模拟信号那样退化。旧的模拟电话网络在跨国传输和多次放大（每英里一次）时，会在声音中引入大量失真。数字信号确实会在传输过程中产生失真，但由于它是数字信号，因此可以在每一跳结束时“重新生成”。仅这一点就使 TDM 对数字更加实用，因为不再需要保持准确的信号幅度，并且电缆和放大器变得更简单、更便宜（而且相距更远）。

但这还不是全部。

例如，考虑一下，如果您使用 Skype 与 Internet 上的某人交谈。您的声音首先由计算机中的麦克风转换为模拟信号。但是它会立即被数字化，并且数字化的比特被“缓冲”——存储起来等待传输。Skype 中的算法将检查数字化的声音并丢弃静音期（因为不需要传输静音），否则它们将处理声音以最小化表示它所需的位数。

最终（在看似永恒的计算机指令之后，但从您的耳朵的角度来看是瞬间）一组声音位将形成一个块，将适当的互联网标题附加到前面，并排队等待通过您的网络连接。但是，由于您碰巧同时使用您的网络浏览器，因此声音数据可能需要再等待几毫秒才能传输您的网络请求。

在接收端，Skype 从接收计算机的 Internet 连接接收传输的数据包，并将其放入队列中，注意根据数据包中的“时间戳”以正确的顺序将其插入队列中。（这种额外的小心是必要的，因为在某些情况下数据包可能会乱序传递。）然后 Skype 程序的另一部分从队列的前面删除数据包并“安排”它们在适当的时间播放录制的声音基于时间戳。所以接收到的数据不会立即播放，而是等待（可能多几毫秒）直到“时间合适”才能播放，因此原始数据的时间维度（以及因此连续语音传输的虚构）是保持。

那么这里发生了什么？来自 Skype 的语音数据与您的 Web 浏览器请求进行时分复用，并且一旦通过 Internet 中继线，两者都与数千条其他消息进行时分复用。但是，关键的是，多路复用不是基于固定的时间表（例如，将时间维度划分为 10 毫秒的片，并将信道“专用”用于传输每个信号 10 毫秒），而是使用“自适应”算法，其中每个信号只占用信道，只要它需要。即使这种技术要求每个数据包都包含一个地址来标识它的目的地（而使用固定多路复用方案，目的地将由切片位置定义），但它仍然比依赖固定切片的方案高效得多，

概括

现在注意 TDM（用于网络系统）和 FDM 之间的区别。FDM 具有相对简单的优点（见证标准 AM 收音机）。它可以同样好地传输模拟或数字信号，但是，因为它同样好，它没有为数字提供很大的优势。

TDM 对（未数字化的）模拟信号的实用性很小——信号质量的复杂性和潜在损失是主要的负面因素。但数字化似乎是“为”TDM“制作”的——数据已经“切片”，不需要准确地保持幅度或时间参考。由于“死气”是指完全没有数据包，而不是电话线上的简单静默，“自适应”多路复用，即只传输“有用”数据，而不是按固定时间表传输，更实用. 由于这些原因，可以使用（自适应）TDM 与 FDM 在给定带宽内传输更多数字数据。

因此，并不是说数字不能使用 FDM 传输，而模拟不能使用 TDM 传输，而是有实际原因说明这样做会更昂贵、效率更低、可靠性更低。

（我需要补充一点，即使上述所有 FDM 在某些情况下都用于数字数据。例如，往返通信卫星的链路非常“宽带”，没有单个数据流可以实际使用整个带宽。所以整个信道宽度被分割成多个频段，每个频段被一个单独的数据流占用。在这种情况下，由于数字数据流已经被时分复用并且几乎没有“死空气”，进一步 TDM 的优势在于轻一点。）

(*) 早在 1850 年代就有一些用于电报信号的粗略 TDM 方案，但这些方案大多已消失在历史的迷雾中。

回答“为什么我们不（通常，至少）使用.... TDM 来复用模拟信号？

如果你有$N$模拟（意味着连续时间）信号通过公共信道传输，然后使用 TDM，每个信号传输$(1/N)$- 时间，例如$1000$在一个不重叠的时隙中，每个信号传输一毫秒$1$- 秒间隔。所以最终在接收器是$1$-毫秒剪辑，间隔$1$第二个分开，每个$1000$信号。这可能不是任何信号所需要的，而是 YMMV。

回答“为什么我们不（通常，至少）不使用 FDM 来复用数字信号......？

使用称为数字调制的过程使用模拟（意味着连续时间）信号传输数字信号。例如，模拟频率调制 (FM) 用于语音和音乐信号的商业广播。数字信号输入会产生更通常称为频移键控 (FSK) 的信号，通过 FDM 传输这些 FSK 信号非常容易，即使不常见。

基带数字流的频谱可以是非常宽带的（例如，频谱可以覆盖很大范围的“频率”，具体取决于边缘速率和 1 和 0 的分布，一直到 DC，而不仅仅是比特率） .

FDM 系统通常具有各种频谱限制（FCC 规定、传感器或传输电缆的特性、干扰等），因此通常对信号进行调制以将宽带频谱转换为更适合所选传输环境的频谱。此外，将频谱聚焦到更窄的频带可以提高信噪比。

在盒子内部，传输介质（门/芯片之间的走线等）通常具有更宽的带宽，有时可以低至直流，并且可以屏蔽噪声和产生 RFI。