2024-01-15

FPGA零基础学习1:理解数字信号和模拟信号

模拟信号是指用连续变化的物理量表示的信息,其信号的幅度,或频率,或相位随时间作连续变化,或在一段连续的时间间隔内,其代表信息的特征量可以在任意瞬间呈现为任意数值的信号。

模拟信号是指用连续变化的物理量所表达的信息,如温度、湿度、压力、长度、电流、电压等等,我们通常又把模拟信号称为连续信号,它在一定的时间范围内可以有无限多个不同的取值。

实际生产生活中的各种物理量,如录音机录下的声音、车间控制室所记录的压力、流速、转速、湿度等等都是模拟信号。

数字信号是在模拟信号的基础上经过采样、量化和编码而形成的。具体地说,采样就是把输入的模拟信号按.适当的时间间隔得到各个时刻的样本值.量化是把经采样测得的各个时刻的值用二进码制来表示,编码则是把量化生成的二进制数排列在一起形成顺序脉冲序列。

模拟信号转换为数字信号需要经过信号的采样、信号的保持、信号的量化与信号的编码四个基本步骤。

采样是对连续信号在时间上进行离散,即按照特定的时间间隔在原始的模拟信号上逐点采集瞬时值。从效果来看,采样频率越高所得的离散信号就越接近原始的模拟信号,但采样频率过高则对实际电路的要求就更高,也会给带来大量的计算与存储。采样频率过低会导致信息丢失,严重时导致信息失真,无法使用。采取其瞬时值后要在原位置保持一段时间,这样形成的锯齿型波信号提供给后续信号量化。


原始模拟信号


采样后信号

综上所述,现在的电路中,大多数分为两个等级。如果我们用“0”和“1”来表示高电平和低电平,那么对于数字来说,就是二进制。

数字信号在传输时,也会受到噪声的干扰。但是由于我们采用二进制传输,高低电平之间的电压范围比较大,噪声的干扰不会轻易使信息电平反转。

对于模拟信号来说,优点:模拟信号的主要优点是其精确的分辨率,在理想情况下,它具有无穷大的分辨率。与数字信号相比,模拟信号的信息密度更高。由于不存在量化误差,它可以对自然界物理量的真实值进行尽可能逼近的描述。模拟信号的另一个优点是,当达到相同的效果,模拟信号处理比数字信号处理更简单。模拟信号的处理可以直接通过模拟电路组件(例如运算放大器等)实现,而数字信号处理往往涉及复杂的算法,甚至需要专门的数字信号处理器。缺点:模拟信号的主要缺点是它总是受到杂讯(信号中不希望得到的随机变化值)的影响。信号被多次复制,或进行长距离传输之后,这些随机噪声的影响可能会变得十分显著。噪声效应会使信号产生有损。有损后的模拟信号几乎不可能再次被还原,因为对所需信号的放大会同时对噪声信号进行放大。

对于数字信号来说,优点:抗干扰能力强、无噪声积累。在模拟通信中,为了提高信噪比,需要在信号传输过程中及时对衰减的传输信号进行放大,信号在传输过程中不可避免地叠加上的噪声也被同时放大。随着传输距离的增加,噪声累积越来越多,以致使传输质量严重恶化。对于数字通信,由于数字信号的幅值为有限个离散值(通常取两个幅值),在传输过程中虽然也受到噪声的干扰,但当信噪比恶化到一定程度时,即在适当的距离采用判决再生的方法,再生成没有噪声干扰的和原发送端一样的数字信号,所以可实现长距离高质量的传输。便于加密处理:信息传输的安全性和保密性越来越重要,数字通信的加密处理的比模拟通信容易得多,以话音信号为例,经过数字变换后的信号可用简单的数字逻辑运算进行加密、解密处理。便于存储、处理和交换:数字通信的信号形式和计算机所用信号一致,都是二进制代码,因此便于与计算机联网,也便于用计算机对数字信号进行存储、处理和交换,可使通信网的管理、维护实现自动化、智能化。设备便于集成化、微型:数字通信采用时分多路复用,不需要体积较大的滤波器。设备中大部分电路是数字电路,可用大规模和超大规模集成电路实现,因此体积小、功耗低。缺点:算法复杂。

目前,数字电路的应用已极为广泛。在数字通信系统中,在图像及电视信号处理中,都可以用若干个0和1编制成各种代码,分别代表不同的信息含义;在自动控制中,可以利用数字电路的逻辑功能,设计出各种各样的数字控制装置。

在测量仪表中,可以利用数字电路对测量信号进行处理,并将测试结果用十进制数码显示出来;尤其在数字电子计算机中,可以利用数字电路实现各种功能的数字信息的处理。数字电子计算机已渗透到国民经济和人民生活的一切领域,并已带来了许多方面根本性能的变革。

数字电路只能对数字信号进行处理,它的输入和输出均为数字信号,而大量的物理量几乎都是模拟信号。因此,首先必须将模拟信号转换成为数字信号,才可送给数字电路进行处理,而且还要把数字结果再转换成模拟信号。完成将模拟信号转换成相应数字信号的电路称为模/数转换电路;完成将数字信号转换成相应模拟信号的电路称为数/模转换电路。

©著作权归作者所有,转载或内容合作请联系作者
【社区内容提示】社区部分内容疑似由AI辅助生成,浏览时请结合常识与多方信息审慎甄别。
平台声明:文章内容(如有图片或视频亦包括在内)由作者上传并发布,文章内容仅代表作者本人观点,简书系信息发布平台,仅提供信息存储服务。

相关阅读更多精彩内容

友情链接更多精彩内容