信號是將數據從一個系統或網絡傳輸到另一系統或網絡的電磁或電流。在電子設備中，信號通常是隨時間變化的電壓，也是攜帶信息的電磁波，當然也可以是電流等其他形式。電子設備中使用的信號主要有兩種類型：模擬信號和數字信號。本文將討論模擬信號與數字信號的特性、用途、優缺點以及典型應用。

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（例如+ 12V至-12V）。但在這個連續的范圍內，它會有無限多個值。模擬信號使用介質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、電流或頻率來表達信息。模擬信號通常用于反應光線、聲音、溫度、位置、壓力或其他物理現象的變化。

繪制電壓與時間的關系圖，我們會發現模擬信號會產生平滑而連續的曲線，不會產生任何離散變化（請參見圖1）。

圖1: 模擬信號

數字信號

數字信號則將數據表示為一連串離散的值。在給定時間內，數字信號只能從有限的一組可能值中選取一個值。采用數字信號，物理量表達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

磁存儲介質的磁化

數字信號用于所有的數字電子設備中，包括計算設備和數據傳輸設備。在電壓與時間的關系圖中，數字信號通常為0或VCC（如1.8V、3.3V或5V））兩值之一（見圖2）。

模擬電子設備

大多數基本電子元件（電阻、電容、電感、二極管、晶體管和運算放大器）本質上都是模擬組件。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雜設計，也可以很簡單，例如兩個電阻就可以構成一個分壓器。通常，與實現相同任務的數字電路相比，模擬電路的設計難度更大。

模擬電路通常更容易產生噪聲，無論“噪聲”有多小，都會對電壓產生影響。而電壓水平的微小變化在后續處理中都會產生明顯的誤差。

模擬信號常用于使用連續信號傳遞語音、數據、圖像、信號或視頻信息的通信系統中。根據如何適應數據以將輸入信號與載波信號組合在一起的技術，模擬傳輸分為兩種基本類型：幅度調制（AM）和頻率調制（FM）。幅度調制調整載波信號的幅度；頻率調制調整載波信號的頻率。模擬傳輸的實現方式有很多種：

通過雙絞線或同軸電纜

通過光纜

通過無線電

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實世界進行交互，并以電子方式準確地捕捉和處理這些信號。

數字電子設備

數字電路可以實現邏輯門或更復雜的數字集成電路。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: 數字電路

數字電路通常采用二進制方案。所有數據值僅由兩個狀態（0和1）來表示，較大的數值可以由二進制比特組來表示。例如，在1比特系統中，0表示數據值0，而1表示數據值1；但在2比特系統中，00表示0，01表示1，10表示2，11表示3；在16比特系統中可以表示的最大數字為216，即65,536。這些比特組可以被捕獲為一連串的連續比特位或一條并行總線，從而輕松處理大量數據流。

與模擬電路不同，最有用的數字電路是同步的，這意味著它需要一個參考時鐘來協調多個電路模塊的操作，也因此，電路模塊是以可預測的方式運行的。模擬電子設備則為異步運行，這意味著它們會在信號到達輸入時再對其進行處理。

大多數數字電路使用數字處理器來處理數據。數字處理器可以是簡單的微控制器（MCU）或更加復雜的數字信號處理器（DSP）。DSP可以濾波和處理大數據流，例如視頻。

數字信號在通信系統中很常見。在通信系統中，數字信號通過點對點或點對多點傳輸通道（例如銅線、光纖、無線通信介質、存儲介質或計算機總線）來傳輸數據。傳輸的數據被表示為電磁信號，如微波、無線電波、電壓或紅外信號。

通常情況下，數字電路更易于設計，但與實現相同任務的模擬電路相比，其成本也更高。

模數（ADC）和數模（DAC）信號轉換

很多系統都必須同時處理模擬信號和數字信號。在通信系統中使用模擬信號很常見，模擬信號充當著傳輸介質發送和接收信息的接口。這些模擬信號被轉換為數字信號，以對信息進行濾波、處理和存儲。

圖5顯示了通信系統的通用架構，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。而數字信號處理器（DSP）負責信息的濾波和處理。為了將信號從模擬子系統轉換為接收路徑（RX）中的數字子系統，這里用到了一個模數轉換器（ADC）；而將信號從數字子系統轉換為傳輸路徑（TX）中的模擬子系統，又用到了數模轉換器（DAC）。

圖5: 模擬子系統和數字子系統組成的通信系統

數字信號處理器（DSP）是專門用于執行數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，廣泛應用于音頻信號處理、電信、數字圖像處理、高清電視產品、移動電話等常見的消費電子設備，以及很多其他重要的應用。

DSP用于測量、濾波或壓縮真實的連續模擬信號。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備。大多數通用微處理器都能夠執行數字信號處理算法。

ADC操作

模數轉換（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）電路對其進行處理，創建該信號的近似數字表示。信號幅度不再是無限值，而是根據ADC分辨率“量化”而成的離散值。具有較高分辨率的ADC將具有更精細的步長，并且能更準確地表達輸入模擬信號。ADC的最后一級將數字化信號編碼為代表模擬信號幅度的二進制比特流。現在，數字輸出就可以在數字域中進行處理了。

圖6: 完成模擬-數字信號轉換的ADC典型結構

DAC操作

DAC提供反向操作。DAC的輸入是來自數字子系統的二進制數據流，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的、平滑連續的模擬信號（見圖7）。在模擬信號鏈中通常還有一個后置濾波器，用于進一步平滑波形。

圖7: 完成數字-模擬信號轉換的6位DAC

如上所述，當前的很多系統都使用“混合信號”，這意味著它們同時依賴模擬子系統和數字子系統。這些解決方案將需要ADC和DAC來完成兩個域之間的信息轉換。

數字信號與模擬信號的優缺點

與大多數工程話題一樣，模擬信號和數字信號也各有利弊。特定應用、性能要求、傳輸介質和操作環境決定了應采用模擬信令還是數字信令，或二者都用。

數字信號的優缺點

使用數字信號（包括數字信號處理DSP和通信系統）的優勢如下：

數字信號能夠以更小的噪聲、失真和干擾傳遞信息。

數字電路能夠以較低成本更容易地大量復制。

數字信號處理更加靈活，因為通過數字可編程系統可以改動DSP的操作。

數字信號處理更加安全，因為數字信息可以被輕松加密和壓縮。

數字系統更加精確，而且通過錯誤檢測和校正代碼可以降低錯誤發生的幾率。

數字信號可以通過半導體芯片輕松存儲在任何磁性介質或光學介質上。

數字信號可以遠距離傳輸。

?使用數字信號（包括數字信號處理DSP和通信系統）的缺點如下：

與傳輸相同信息的模擬通信相比，數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部硬件資源，這將導致更高的功耗；而模擬信號處理因為包含消耗更少能量的無源組件，所以功耗相對較低。

數字系統和處理通常更為復雜。

?模擬信號的優缺點

使用模擬信號（包括模擬信號處理ASP和通信系統）的優勢如下所述：

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的信息。

模擬信號需要的帶寬比數字信號少。

模擬信號可以更準確地表達物理現象的變化，例如聲音、光線、溫度、位置或壓力。

模擬通信系統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）的缺點如下：

長距離數據傳輸時可能會產生意外信號干擾。

模擬信號易產生損耗。

與抗擾性較高的數字信號相比，模擬信號更易受噪聲和失真的影響。

相比數字信號，模擬信號的信號質量較低。

模擬信號和數字信號的系統與應用

傳統的音頻和通信系統均使用模擬信號。但是，除了帶寬效率不斷提高，芯片工藝技術、數字信號處理能力、編碼算法和加密要求也不斷進步，傳統音頻和通信系統也開始數字化。在很多應用中，模擬信號仍具有傳統的用途或優勢。與現實信號（例如聲音、光、溫度和壓力）有關聯的大多數系統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用：

錄音和復制

溫度傳感器

圖像傳感器

無線電信號

電話

控制系統?

盡管許多原始的通信系統仍使用模擬信號（如電話），但因為數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現長距離傳輸的能力，最新的技術都采用了數字信號。下面列出了一些數字信號應用：

通信系統（寬帶、蜂窩）

網絡和數據通信

用于實現可編程性的數字接口

結論?

本文介紹了模擬信號和數字信號的一些基本概念，以及它們在電子設備中的用途。顯然，每種技術都有其優缺點，了解應用需求和性能需求將幫助您做出最佳選擇。