覃天宇

摘 要：因?yàn)閿?shù)字電路是以數(shù)字為基礎(chǔ)的一種電路，數(shù)字電路所用到的數(shù)字是“0”和“1”，所以采用數(shù)字電路較為簡單，只有“0”和“1”這兩個(gè)數(shù)字，其它的信號都是由“0”和“1”組合而成的。我們都知道世界上各種物理現(xiàn)象都是模擬的，這種模擬信號在實(shí)際生活中不易控制，另外，不同的物體所發(fā)出的信號也是不一樣的，如果采用模擬信號來處理，就會顯得較為困難?？茖W(xué)家們把模擬信號捕獲到，采用一定的手段把模擬信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號。轉(zhuǎn)化成的數(shù)字信號就很方便對其修改利用，為人類生活帶來方便。模擬信號到數(shù)字信號的轉(zhuǎn)化是需要一定的邏輯電路設(shè)計(jì)的，模擬信號是生活中實(shí)際的信號，而數(shù)字信號則是找到模擬信號關(guān)鍵的一系列點(diǎn)，最后把這些點(diǎn)連接起來，就可以得出數(shù)字信號，數(shù)字信號與模擬信號相比較，沒有模擬信號準(zhǔn)確但在一定的范圍內(nèi)與真實(shí)的信號相差不大，可以認(rèn)為就是實(shí)際物體所發(fā)出的信號。

關(guān)鍵詞：數(shù)字電路；模擬信號；信號轉(zhuǎn)化

1 引言

我們已經(jīng)知道了世界上各種物體發(fā)出的信號，都是模擬的信號。人們一般對模擬信號不易控制變量，使得人們對模擬信號不好應(yīng)用。為了能夠?qū)δM信號進(jìn)行實(shí)際的應(yīng)用，就得把模擬信號進(jìn)行轉(zhuǎn)化，后來科學(xué)家們找到了一種比較好的方法，那就是把模擬信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號。數(shù)字信號為人們處理信號帶來了方便，在實(shí)際生活中也應(yīng)用較為廣泛，是處理模擬信號的一種目前最好的辦法。

數(shù)字信號在人們實(shí)際生活中，運(yùn)用方便快捷，而且信號非常的穩(wěn)定，非常的好用。譬如數(shù)字電視，數(shù)字電視就是采用數(shù)字轉(zhuǎn)化的，把模擬信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號。那到底是怎樣把模擬信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號的呢，那就是把模擬信號通過數(shù)字電路，數(shù)字電路對模擬信號進(jìn)行轉(zhuǎn)化，從數(shù)字電路中輸出的就是數(shù)字信號，這樣就達(dá)到了模擬信號數(shù)字化。

信號一般都是連續(xù)不斷的，我們看一下用不連續(xù)的物理量來處理連續(xù)的物理量時(shí)看會發(fā)生什么現(xiàn)象。就空氣中的聲音而言，聲音中聲壓是連續(xù)不斷變化的信號，我們?nèi)∧骋凰查g的聲音信號，將其表示成為一個(gè)電壓。以此時(shí)的電壓值為基礎(chǔ)，使用邏輯電路改變信號。如果將連續(xù)變化的聲壓每隔一定的時(shí)間間隔進(jìn)行采樣并將其連接。我們可以發(fā)現(xiàn)原來光滑的曲線，現(xiàn)在變成了有小鋸齒的波了。通過這樣的取樣模擬信號，可在數(shù)字電路中處理模擬信號（嚴(yán)格地說是不能完全再現(xiàn)原始的波形，但是由于人所具有的感覺是有限度的，所以在考慮其限度后，以微小間隔取樣其電壓，則在數(shù)字電路中也能夠處理模擬信號）。

在上述中，數(shù)字電路對模擬信號的處理，最后把模擬信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號，在取樣時(shí)如果取樣的數(shù)據(jù)少或者是取樣時(shí)，模擬波的采樣電壓小于2倍電壓時(shí)，可以發(fā)現(xiàn)，用數(shù)字電路處理的模擬信號是不光滑的，也就是數(shù)字波形圖有一定的鋸齒陰影。簡單的說“以所處理頻率的2倍以上頻率采樣其電壓，可以再現(xiàn)原頻率”，這就是基本的采樣定理。

2 模擬放大器

我們都知道，人耳所能聽見聲音的頻率是有限的，在初中物理教材中就有具體的人耳聽力范圍，一般以20kHz為上限，如果頻率超過20kHz人的耳朵就不可能聽到了，當(dāng)然如果頻率過低，同樣的人耳也不可能聽到。頻率高于20kHz的聲音叫超聲波，如果頻率太低就叫次聲波。

在實(shí)際生活中，人們常常都能見到CD音樂，然而CD音樂唱片基本是使用40kHz以上的頻率進(jìn)行采樣的，作為數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)來處理音樂，就可以再現(xiàn)幾乎接近于原始聲音的音樂。如果反復(fù)進(jìn)行時(shí)，用模擬電路來放大模擬信號，就必須使用專用的電路，電路如圖1所示。

圖1中，顯示的是模擬放大器把電壓變化為直接設(shè)定的2倍率的電壓值。可以從圖1中明顯的看到電壓變?yōu)樵瓉淼?倍，圖形中波形的振幅描述的物理量就是電壓。

使用被人們常稱為OP放大器的IC，這樣就可以簡單的實(shí)現(xiàn)電壓放大電路。使用模擬電路實(shí)現(xiàn)模擬信號固然效率達(dá)到很高，但是這需要相當(dāng)?shù)募夹g(shù)經(jīng)驗(yàn)，成本也比較高，所以我們認(rèn)識到設(shè)計(jì)模擬電路是非常困難的。哪有沒有一種簡單的電路，就能對模擬電路中的電壓實(shí)現(xiàn)放大呢？答案是肯定的，是有辦法的，那就是數(shù)字電路的設(shè)計(jì)。用數(shù)字電路就可以放大模擬信號，數(shù)字電路放大模擬信號的具體過程如下文所述。

3 數(shù)字電路放大模擬信號

上文中已經(jīng)提到用數(shù)字電路來放大模擬信號，那么數(shù)字電路是怎樣放大模擬信號的呢？當(dāng)人們認(rèn)識到處理的信號頻率與采樣頻率之間存在一定的關(guān)系時(shí)，我們就采用數(shù)字電路把模擬信號數(shù)字化，下面將從數(shù)字電路處理的根源進(jìn)行說明。

數(shù)字電路就是人們常說的邏輯電路，就是“0”和“1”的數(shù)字組合領(lǐng)域。在這里沒有電壓的說法，只有“0”和“1”的組合，怎樣找到“0”和“1”與電壓的聯(lián)系是邏輯電路的精髓所在，這也是設(shè)計(jì)數(shù)字電路最重要的一點(diǎn)。利用數(shù)字電路來處理“0”和“1”的值，來表達(dá)出數(shù)字電路的動作，從而得出人們想要的東西。

利用數(shù)字電路來處理模擬信號的基本原理，其實(shí)理解起來并不難，就是把模擬信號進(jìn)行A/D變換，即是模擬信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號，輸入到數(shù)字電路中。當(dāng)模擬信號轉(zhuǎn)化為數(shù)值時(shí)，之后輸出的就是數(shù)字電路了。

在人們獲取頻率的時(shí)候，有時(shí)會遇到抽樣頻率的變換問題。當(dāng)電路系統(tǒng)工作在一個(gè)“多抽樣率”的情況下，就會遇到抽樣頻率的變換，不進(jìn)行頻率的變換是達(dá)不到人們希望的效果，只有對抽樣頻率進(jìn)行變換，才能完成人們的意愿。譬如多媒體，在使用多媒體時(shí)既有語音、視頻、圖像、數(shù)據(jù)等的傳輸，這些語音、視頻、圖像、數(shù)據(jù)都有各自對應(yīng)的頻率，當(dāng)它們組合在一起時(shí)就完成了人們想要完成的工作。顯然對不同頻率的抽樣，是不同的必須實(shí)行抽樣率的變換，使得達(dá)到人們的意愿。又如，為了減小對抽樣頻率過高而導(dǎo)致數(shù)據(jù)過多使用不匹配，這時(shí)人們希望降低抽樣頻率。再如兩個(gè)系統(tǒng)的時(shí)間頻率不同，信號要在這兩個(gè)系統(tǒng)中傳輸時(shí)，為了方便信號的處理、編碼、傳輸和儲存，這時(shí)就要根據(jù)時(shí)鐘的頻率對信號的抽樣頻率進(jìn)行轉(zhuǎn)換，經(jīng)過人們不斷的研究，抽樣頻率的變換已經(jīng)越來越被電子電路注重。

實(shí)現(xiàn)抽樣頻率轉(zhuǎn)化的一種方法，那就是先把離散的時(shí)間信號x（n）經(jīng)過D/A變換器進(jìn)行操作處理，最終變換為模擬信號xα（t），再經(jīng)過A/D變換器對xα（t）以另一個(gè)抽樣頻率抽樣。在這個(gè)過程當(dāng)中經(jīng)過D/A變換器和A/D變換器后，會引入信號失真和量入誤差，導(dǎo)致結(jié)果的精確度不高。然而另一種方法，則是人們最喜愛的方法，也是邏輯電路設(shè)計(jì)常用的方法，那就是直接在數(shù)字領(lǐng)域?qū)σ殉闃有盘栴l率x（n）做抽樣變換[2]。

我們用數(shù)字電路處理模擬信號時(shí)，雖然運(yùn)算的精度受到限制，但利用“0”和“1”的數(shù)字組合能實(shí)現(xiàn)各種各樣的操作。基本上是通過將模擬電壓變換成數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)，接著在數(shù)字電路中運(yùn)算數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)，最后將其變換結(jié)果變換為模擬數(shù)據(jù)這樣的操作步驟，來實(shí)現(xiàn)各種各樣的操作。

4 數(shù)字信號在生活中的應(yīng)用

用數(shù)字信號處理模擬信號，是用數(shù)字方法對信號進(jìn)行分析、變換、濾波、檢測、調(diào)制、解調(diào)，是一種快速算法的技術(shù)學(xué)科。在生活中，有很多人都認(rèn)為，用數(shù)字信號處理模擬信號，主要是對數(shù)字濾波技術(shù)、離散變換快速算法和譜分析方法等進(jìn)行研究。隨著數(shù)字電路和電路系統(tǒng)的發(fā)展以及計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅速的發(fā)展，最終使得數(shù)字信號處理技術(shù)得到了空前的發(fā)展，人們生活在數(shù)字信號的海洋世界里，顯然對這門技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域也是十分的廣泛。

數(shù)字信號處理技術(shù)可以制成數(shù)字濾波器，數(shù)字濾波器在生活中運(yùn)用方式有很多，大致可分為有限沖激響應(yīng)和無限沖激響應(yīng)兩大類型，這兩種類型可用硬件和軟件兩種方式分別來實(shí)現(xiàn)。在用硬件方式來實(shí)現(xiàn)中，它是由加法器、乘法器等單元所組成的，這與電阻器、電感器和電容器所構(gòu)成的模擬濾波器是大不相同的。數(shù)字信號處理系統(tǒng)，用數(shù)字集成電路設(shè)計(jì)很容易制成，而且制作出的數(shù)字處理系統(tǒng)體積小、穩(wěn)定性高、可程控等許多的優(yōu)點(diǎn)。另外，數(shù)字濾波器也可以用軟件來實(shí)現(xiàn)。用軟件來實(shí)現(xiàn)就是借助數(shù)字計(jì)算機(jī)，按濾波器的設(shè)計(jì)算法，對其編程進(jìn)行數(shù)字濾波計(jì)算。

數(shù)字信號處理技術(shù)在譜分析中也有較大的應(yīng)用，就是指在一定頻率范圍中對變換信號特性的一種分析方法。一方面可用來確定信號，另一方面也可用來確定隨機(jī)信號。這里的確定信號，是指與一定的時(shí)間函數(shù)有關(guān)的數(shù)學(xué)式子，這樣它在任何時(shí)刻的數(shù)值都是一個(gè)確定的值。隨機(jī)信號是指，不具有上述的特性它在具體某一時(shí)刻的值，是隨機(jī)的是不確定的。在對隨機(jī)信號進(jìn)行處理時(shí)，是采用隨機(jī)過程理論、利用統(tǒng)計(jì)方法綜合進(jìn)行分析處理，譬如經(jīng)常利用到均值、均方值、相關(guān)函數(shù)、功率譜密度函數(shù)等來統(tǒng)計(jì)，描述隨機(jī)過程的特征或隨機(jī)信號的特性。在生活中人們經(jīng)常遇到的隨機(jī)過程，大多數(shù)是指比較平穩(wěn)隨機(jī)過程，由它的樣本函數(shù)來決定，可以根據(jù)某一個(gè)樣本函數(shù)的時(shí)間來確定。平穩(wěn)隨機(jī)信號本身就具有不確定性，但它的相關(guān)函數(shù)卻是確定的。特別是在均值為零時(shí)，它的相關(guān)函數(shù)的傅里葉變換或Z變換恰恰可以表示為隨機(jī)信號的功率譜密度函數(shù)，一般簡稱為功率譜。這一特性十分重要，這樣就可以利用快速變換算法，進(jìn)行計(jì)算和處理。在實(shí)際中觀測到的數(shù)據(jù)是有限的，這就需要利用一些估計(jì)的方法，根據(jù)有限的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，估算出整個(gè)信號的功率譜。

數(shù)字信號處理技術(shù)可以制成數(shù)字信號處理系統(tǒng)，經(jīng)過信息的獲取或數(shù)據(jù)的采集過程，得到原始信號，如果原始信號是連續(xù)信號還須通過抽樣過程，使之成為離散信號，再經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換得到能為數(shù)字計(jì)算機(jī)或處理器所接受的二進(jìn)制數(shù)字信號。如果所收集到的數(shù)據(jù)已是離散數(shù)據(jù)，則只須經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換即可得到二進(jìn)制數(shù)碼[3]。數(shù)字信號處理器的功能是將從原始信號抽樣轉(zhuǎn)換得來的數(shù)字信號，按照一定的要求進(jìn)行轉(zhuǎn)換，例如濾波的要求，加以適當(dāng)?shù)奶幚?，即得到所需的?shù)字輸出信號。經(jīng)過數(shù)模轉(zhuǎn)換先將數(shù)字輸出信號轉(zhuǎn)換為離散信號，再經(jīng)過保持電路將離散信號連接起來成為模擬輸出信號，這樣的處理系統(tǒng)適用于各種數(shù)字信號處理的應(yīng)用，只不過專用處理器或所用軟件有所不同而已。

5 結(jié)語

在人們生活中實(shí)際的電路是多種多樣的，如果放大倍數(shù)被固定為2倍，則只需要通過移位寄存器對數(shù)據(jù)進(jìn)行移位就可以簡單的實(shí)現(xiàn)了，就不需要數(shù)字電路的處理也能實(shí)現(xiàn)。但是當(dāng)在倍數(shù)可以自由改變的情況下，就不得不使用數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)的乘法電路了，也就是邏輯電路。

聲音、圖像等各種各樣的信號被數(shù)字化，這是因?yàn)閿?shù)據(jù)的存儲、傳送等與以往的模擬數(shù)據(jù)相比具有更容易處理的優(yōu)點(diǎn)。用“0”和“1”的組合，可同時(shí)處理聲音數(shù)據(jù)和圖像數(shù)據(jù)，作為混合數(shù)據(jù)進(jìn)行處理在這點(diǎn)上，是劃時(shí)代的。

我們正在向數(shù)字化時(shí)代邁進(jìn)，復(fù)雜的系統(tǒng)可容納在小型的硅芯片上，使得我們更多的夢想得以實(shí)現(xiàn)，其根本原因都在于數(shù)字IC。數(shù)字化時(shí)代是大數(shù)據(jù)時(shí)代，各種各樣復(fù)雜的信號，都可以轉(zhuǎn)化為“0”和“1”的世界，是古代人們難以完成的信息處理?，F(xiàn)在越來越多的使用云數(shù)據(jù)處理，也就是人們常說的云計(jì)算，云計(jì)算是對大數(shù)據(jù)進(jìn)行分塊處理，不是一兩個(gè)人能完成的，是許多的人對其數(shù)據(jù)進(jìn)行操作處理，最后共同完成一項(xiàng)任務(wù)。

[參考文獻(xiàn)]

[1]湯山俊夫.數(shù)字電路設(shè)計(jì)[M].北京：科學(xué)出版社，2006.

[2]程佩青.數(shù)字信號處理教程[M].北京：清華大學(xué)出版社，2007.

[3]喬石瓊.電子測量與計(jì)量[M].北京：中國大百科全書出版社，1991.