数字电路与模拟电路的关系

“模拟信号与系统”和“数字信号与系统”的区别

一. “模拟信号与系统”和“数字信号与系统”的定义

⑴ 模拟信号与系统 在数值上和时间上均是连续变化的信号称为模拟信号，即连续

时间信号。输入和输出都是模拟信号的系统称为模拟系统。如图所示：

exp(-0.2 x) sin(2 x)3210-1-2-6-4-20x246 ⑵ 数字信号与系统 在数值上或是时间上均是离散的信号称为数字信号或脉冲信号，

数字信号可以用一系列的数表示，而每一个数又是由有限个数码来表示的。输入和输出都是数字信号的系统称为数字系统。如图所示：

54.543.532.521.510.501234567891011 二. “模拟信号与系统”和“数字信号与系统”的联系

在一组离散的时间下表示信号数值的函数称为离散时间信号。因为最常遇到的离散时间信号是模拟信号在时间上以均匀（有时也以非均匀）间隔的采样。而“离散时间”与“数字”也经常用来说明同一信号。离散时间信号的一些理论也适用于数字信号。

三. 信号的处理

信号处理技术已经涉及到几乎所有工程技术领域，信号处理的目的就是对被观测到的信号进行分析、变换、综合、估计和识别等，使之容易为人们所利用。

因为模拟信号在任意时刻取值，而数字信号只在有限的时间点上取值，所以数字信号更适合于计算机处理，是数字信号处理研究的对象。通常，模拟信号处理由一些模拟元器件如晶体管、电容、电阻、电感实现，而数字信号处理（DSP）则是用数值计算的方法来实现，这里“处理”的实质是运算。如果系统增加了A/D（模/数）转换器和D/A（数/模）转换器，数字信号处理系统就可以处理模拟信号，模拟信号处理与系统就可以处理数字信号了。模拟信号的处理过程如图：

xa(t) 抗混叠前置滤波 A/D转换 数字处理 低通平滑滤波 Ya(t)

信号处理的特点

⑴ 数字信号处理

优越性： ① 灵活性

当模拟信号的功能与性能发生变化时，必须重新进行系统设计，然后再进行装配和调试。而数字信号处理则可灵活地通过修改系统中的软件来调整系统参数，从而实现不同的信号处理任务。 ② 高精度、高稳定性和高性能指标

数字系统只有“0”和“1”两个信号，受温度和周围噪声的影响比模拟系统要小得多。数字系统的计算精度可以随运算位数的增加而得到显著的改善，并且可以通过特殊的数字信号处理算法来获得高性能指标。 ③ 可重复再生性好

数字系统本身就具有较好的可重复性，这一点在数字中具有模拟系统所不可比拟的优势。迅速发展的各种的数字纠错编解码技术，能够在极为复杂的噪声环境中，甚至在信号完全被噪声淹没情况下，正确识别和恢复原有的信号。 ④ 强大的非线性信号处理能力

借助于神经网络，目前盲信号处理和各种各样的自适应算法数字信号处理已经具有极为强大的非线性信号处理能力，同时，这也是目前数字信号处理技术发展的主流方向之一。 ⑤ 便于大规模集成

DSP处理器体积小、功能强、功耗小、性能价格比高，从而得到迅速的发展和广泛的应用。

⑥ 对数字信号可以存储、运算，系统可获得高性能指标，且能够进行多维处理。

模拟系统完不成的任务，利用庞大的存储单元，存储数帧图像信号。实现多维信号的处理。

不足：主要是其处理速度不够高，不能处理很高频率的信号；其次是算法复杂、运算量大的数字信号处理系统的硬件设计和结构比较复杂，价格比较昂贵。 ⑵ 模拟信号处理

优越性：

D/A转换 ① 模拟信号从根本上来说是守时的。 ② 射频信号的处理要由模拟系统来完成。 不足：难以处理较复杂信号。

数字技术的发展历程

一．数字电子技术的发展

世界上第一台电子计算机于1946年在美国研制成功，取名ENIAC（Electronic Numerical ENIAC问世以来的短短的四十多年中，电子计算机的发展异常迅速。迄今为止，它的发展大致已经了下列四代。第一代（1946~1957年）是电子计算机，它的基本电子元件是电子管，内存储器采用水银延迟线，外存储器主要采用磁鼓、纸带、卡片、磁带等。 第二代（1958~1970年）是晶体管计算机。1948年，美国贝尔实验室发明了晶体管，10年后晶体管取代了计算机中的电子管，诞生了晶体管计算机。第三代（1963~1970年）是集成电路计算机。随着半导体技术的发展，1958年夏，美国德克萨斯公司制成了第一个半导体集成电路。 第四代（1971年~日前）是大规模集成电路计算机。随着集成了上千甚至上万个电子元件的大规模集成电路和超大规模集成电路的出现，电子计算机发展进入了第四代。 二．数字设计技术的发展 大体上划分为以下三个阶段。

(1) CAx工具的广泛应用。自20世纪50年{BANNED}始，各种CAD/CAM工具开始出现并逐步应用到制造业中。这些工具的应用表明制造业已经开始将利用现代信息技术来改进传统的产品设计过程，标志着数字化设计的开始。

(2) 并行工程思想的提出与推行。20世纪80年代后期提出的并行工程是一种新的指导产品开发的哲理，是在现代信息技术的支持下对传统的产品开发方式的一种根本性改进。PDM（产品数据管理）技术及DFx（如DFM、DFA等）技术是并行工程思想在产品设计阶段的具体体现。

(3) 虚拟样机技术。随着技术的不断进步，仿真在产品设计过程中的应用变得越来越广泛而深刻，由原先的局部应用（单领域、单点）逐步扩展到系统应用（多领域、全生命周期）。虚拟样机技术正是这一发展趋势的典型代表。

虚拟样机技术是一种基于虚拟样机的数字化设计方法，是各领域CAx/DFx技术的发展和延伸。虚拟样机技术进一步融合先进建模/仿真技术、现代信息技术、先进设计制造技术和现代管理技术，将这些技术应用于复杂产品全生命周期、全系统，并对它们进行综合管理。与传统产品设计技术相比，虚拟样机技术强调系统的观点、涉及产品全生命周期、支持对产品的全方位测试、分析与评估、强调不同领域的虚拟化的协同设计。虚拟样机技术充分体现了图1所示的产品设计过程，全面突出了仿真的重要性。虚拟样机技术的实施是一个渐进的过程，其中涉及到许多相关技术，如总体技术、多领域协同建模/仿真/评估技术、数据/过程管理技术、支撑框架技术等等。下面主要提及三个关键技术。虚拟样机管理技术。虚拟样机开发过程中涉及到大量的人员、工具、数据/模型、项目/流程，对这些元素进行合理的组织和管理，使其构成一个高效的系统，实现整个开发过程中的信息集成和过程集成，是优质成功的进行虚拟样机开发的必要条件。协同仿真技术。协同仿真技术将面向不同学科的仿真工具结合起来构成统一的仿真系统，可以充分发挥仿真工具各自的优势，同时还可以加强不同领域开发人员之间的协调与合作。目前HLA规范已经成为协同仿真的重要国际标准。基于HLA的协同仿真技术也将会成为虚拟样机技术的研究热点之一。多学科设计优化技术（MDO）。复杂产品的设计优化问题可能包括多个优化目标和分属不同学科的约束条件。现代的MDO技术为解决学科间的冲突，寻求系统的全局最优解提供了可行的技术途径。目前MDO在国

外已经有了许多成功的案例，并出现了相关的商用软件，典型的如Engineous公司的iSIGHT。国内关于MDO技术的研究和应用也已经展开。纵观数字化设计技术的发展历程可以看出，虽然几十年来各种技术思想层出不穷，但时空两个方向上的协同始终是发展的主流。宏观上看，数字化设计的发展历程正相当于现代信息技术在产品设计领域中的应用由点发展为线，再由线发展为面的过程。仿真的广泛应用正在成为当前数字化设计技术发展的主要趋势。随着虚拟样机概念的提出，使得仿真技术的应用更加趋于协同化和系统化。开展关于虚拟样机及其关键技术的研究，必将提高企业的自主设计开发能力，推动企业的信息化进程。