分析模擬電子技術與數字電子技術的優劣與應用

文/邱雨

在電子電路中，信號分為兩種，一種是模擬信號，另一種是數字信號。模擬信號一般是連續有限信號源，模擬信號圖形模型一般為折線、曲線或者連續的直線，保證中間連續不間斷。而數字信號一般為離散信號，中間不帶有連續重構，數字信號帶有加密技術，采用加密方式包括：十進制及十六進制編碼，每種編碼都具有一定的邏輯性。信號的處理離不開電子技術的支持，根據信號處理方式的不同，可以將人們所掌握的電子技術分為兩種：模擬電子技術和數字電子技術。

1 電子系統信號處理

所有的電子技術，都離不開信號的發生和接收處理兩個過程。信號某種形式存在于一定的介質（如磁帶、CD光盤、硬盤等）上或電子電路中。通常，為了提高信號處理過程中的準確性，人們會采用一定的技術手段對過程中的信號進行降噪、濾波、糾錯、檢查，同時，為了加快信號轉換效率，會對信號進行壓縮、編碼等處理。

模擬信號由于是在連續時間范圍內出現，因此其處理采樣過程還會涉及到平滑采樣，加以濾波。數字信號由于是在離散的時間點上出現的數值序列，因此采樣時關鍵在于采樣周期的把握。數字邏輯電路的基本單元是邏輯門處理單元，存儲器一般是借助數字電路以二進制方法對數據進行存儲。

數字信號采用數字代碼方式進行電壓及電流變化記錄，數字0代表流經電流值的變化情況，數字1代表流經電壓值的變化情況。當流經的幅度不超過允許的最大值時，數字信號記錄器便會計量數字1；當流經的幅度超過允許的最小值時，數字信號記錄器便會計量數字0；在同一電路中，假設流經的數值在最大值與最小值之間，則不會影響整個數據終端數值的精確性。另外數字信號抗干擾能力比模擬信號強很多，主要是因為數字信號在傳輸過程中，采用串行或者并行編碼方式，這種方式會根據傳輸鏈路數據量的不同，進行自動切換，保證傳輸的信號不會失真。但是模擬信號采用傳統信道傳輸方式，當信號收到外界電流及電壓變化時，會對傳輸信號產生失真現象，造成信號片段的丟失。

2 模擬電子技術與數字電子技術對比

在電子系統的信號處理過程中，模擬信號和數字信號相互轉換。轉換處理方式不同，系統的應用效果也不相同。所有的邏輯運算，從根本上分析，依然是二進制的數學邏輯運算。通過二進制數據的與、或、非、判斷、比較、處理等工作，進一步發展出更為復雜的推理、預測、存儲、傳輸等。在進行系統級設計時，清晰的邏輯能夠給軟件的編制工作帶來極大的便利。人們更傾向于采用數學方法和熟知的電路定律來處理電子元件或整個系統問題。

2.1 模擬電子技術

以音頻處理系統為例，在模擬電子技術中：通過傳聲器從外界得到的音頻信號在時間和幅度上都是連續變化的，我們稱之為模擬信號。記錄和重放信號的音源就是模擬音源，在聲音的錄放系統中所產生、傳輸的電流、電壓信號也是模擬信號。聲音信號本身就是模擬信號，因此，模擬信號處理在電子技術工作過程有著自身的優勢——系統原理簡單、無需復雜的算法處理。這一優點使得電子技術在在發展的早期，模擬系統迅速發展，誕生了眾多革命性的產品例如磁帶、錄音座、LP電唱機等。在模擬電子系統中，系統各個功能部件的工作原理更加接近現實系統的工作方式，無需經過A/D轉換、編碼、調制、解調等一系列處理，信號更不容易失真，相對而言，系統的維護也更加簡單，往往是根據故障狀態針對電路當中的相應元器件進行性能測試檢查即可找出系統故障所在，問題的排查更加直觀。

模擬電子技術的劣勢主要包括以下幾個方面：

（1）模擬電子技術的精度等級低。模擬信號在處理過程中的精度主要是由系統中所采用的硬件電路所決定，電子元件的性能直接影響著整個電子技術的效果。在如今越來越追求信號無損的當下，模擬信號處理受限于硬件電路的制約，精度等級始終無法達到0.001級。在對精度要求比較高的系統中，模擬電路因其精度限制表現出巨大的局限性。

（2）模擬電子技術的抗干擾能力差。在模擬電路中，晶體管一般工作在放大狀態。在容易產生機械振動的環境下，模擬電路非常容易產生信號干擾，進而影響信號的準確性，產生失真。尤其是在遠距離傳輸時，線路比較繁雜，加上各種周邊設備較多時，受環境影響因素較多。這一點，在現代通信系統（如GPRS、Wi-Fi、4G、5G通信）中表現尤其明顯。

（3）無法保存過去的場景，尤其是對于系統中已經出現過的部分模擬信號，不能夠有效的對信號以及信號發生過程進行復原重現。

2.2 數字電子技術

數字電子技術包含2種綜合性技術應用，一種是數字電路，數字電路連接整個電路運行處理程序，保證信號在傳輸過程中，不被外界信號干擾。而另一種是數字信號，數字信號的運行處理速度直接關系到數字電路的工作運行效率。數字電路包括組合邏輯電路，該電路在運行過程中，沒有對前端數字信號的記憶功能，只與傳輸過程中最開始的傳輸信號有關，開始時傳輸信號的狀態決定著最后輸出狀態的數字信號。而另一種是時序邏輯電路，該電路具有一定的記憶功能，能對不同數字信號進行不同邏輯運算，其中涉及“與、或、非”三者的相關運算，在“與”邏輯運算過程中，只有2個邏輯門全部為1時，才能保證輸出信號為1；在“或”運算過程中，保證其中1個邏輯門為1，則輸出信號為1；而“非”門側重于否定關系，輸入邏輯為1，則輸出為0，輸入邏輯為0，則輸出為1。邏輯表達式越簡單，實現它的電路越簡單，電路工作越穩定可靠。

在工作時，首先是以數字化形式對模擬信號進行處理，將在時間和幅度上都是連續的模擬源信號轉換成離散的數字信號。然后，借助硬件電路以及算法的處理，將數字信號進行壓縮、編碼、存儲、傳輸，最后將其解壓、再次轉換成模擬信號。

在數字電路中，系統信號處理器的工作方式多種多樣，既可以是微處理器通過軟件編程對輸入信號進行預期的處理，即軟件實現方法。也可以是由數字硬件組成的專用處理器即硬件實現方法。很多情況下，這兩種方法并不是完全獨立的，而是相互補充，共同存在的。尤其是在處理數字高頻信號時，憑借單一的軟件實現方法很難對高頻信號在時間延遲較大的情況下做到及時的響應，因此需要在硬件方面提高處理器的并行工作能力，以此來應對高速數據的處理任務。這兩種工作方式也使得數字電子電路的應用范圍比模擬電子電路更加廣泛。

3 總結

從整體上看，數字電子技術的實現往往并非全部依靠數字元件完成，而是還要依靠部分的模擬電路作為補充。在電子設計之初，往往需要考慮多種因素，尤其是穩定性要求較高的系統，例如航空航天飛行控制器、精密醫療器械控制電路等，系統必須具有極高的抗電磁干擾能力，這是數字電路中模擬部分所要解決的重要問題之一。數字電路技術相較于模擬電子技術，工作更加靈活、可靠、經濟，因此在應用中也更加的普及。但綜合而言，兩者各有優劣，相互補充，在不同的應用場景下兩者各自發揮出不同的優勢。相信在未來，大數據以及人工智能等更多新興技術蓬勃發展趨勢的下，數字電子技術將會在應用層起到更加主要的作用，而模擬電子技術將會在底層硬件電路以及驅動方面起到關鍵作用。