(一)信号及脉冲电信号

#电磁波回顾
#信号
- 分类
- 按照幅值是否连续分类
  - 模拟信号
  - 数字信号
- 按信号载体分类(用什么来表述信号的信息)
  - 电信号
    - 电压信号
    - 电流信号(直流电、交流电、脉冲电)
    - 电磁波中的无线电信号
  - 波信号(机械波、电磁波)
- 按传输介质分类(传输的都是电磁波)
  - 有线信号(电线传输的电信号、光缆传输的光信号)
  - 无线信号(自由空间传输的无线电、微波等）
- 按是否调制分类
  - 基带信号
  - 频带信号(电力载波、光载波)
#脉冲电信号
- 相关概念
- 脉冲形状
- 应用——时钟信号

# 电磁波回顾

电磁波，又称电磁辐射，是指同相振荡，且互相垂直的电场与磁场，在空间中以波的形式传递能量和动量。其是横波，传播方向垂直于电场与磁场的振荡方向。
电磁辐射的量子形式是光子。电磁波 不需要依靠介质进行传播，在真空中其传播速度为光速。

产生

一个振荡中的电场会产生振荡的磁场，而一个振荡中的磁场又会产生振荡的电场，这样子，这些连续不断同相振荡的电场和磁场共同地形成了电磁波

参数

波是由很多前后相继的波峰和波谷所组成，两个相邻的波峰或波谷之间的距离称为波长，每秒钟振荡的次数是频率

电磁波的频谱和应用

在这里插入图片描述
从上图可以看出，人们现在已经能使用好几个波段进行通信，紫外线以及更高的波段目前还不能用于通信

# 信号

在通讯系统、信号处理或者电子工程等技术领域中，信号是“传递有关一些现象的行为或属性的信息的函数。” —— 维基百科
信号是信息的载体，通常是以某种物理量表现出来的。通信技术不同，采用的传输信号形式就不同。信号的特性：信号必须是可变化、可观测和可实现的某种物理量

分类

对信号的分类方法很多，下表只是一部分

分类标准	内容	附加说明
按照幅值是否连续	`模拟信号和数字信号`	模拟信号和数字信号都是基带信号
按信号载体分类	电信号、机械波信号和电磁波信号	电信号是指以电压、电流、电磁波(无线电)等为载体的信号。光信号是指利用光线的强弱变化和有光无光作为载体的信号
按传输介质分类	`有线信号和无线信号`	是在有线信道还是无线信道上传输，通常由于采用的传输信道不同，对信号的处理和转换方法也就不同。
按是否调制分类	`基带信号和频带信号`	基带信号：信号频谱未经搬移的基本频带信号，即直接携带信息、能够直接传输的信号。频带信号：信号频谱经过搬移的信号，即经过调制的信号。也就是说，将有用信号调制到另一载波上的信号。基带信号由于信号未经调制，可以直接发送和接收；而频带信号在发送端将基带信号调制到载波上，使得载波的某一参量随传输信号的变化而变化，接收端则要对其接收的信号进行解调，以便从载波信号中恢复出原始信号。
按信号是否有周期性分类	周期信号和非周期信号	周期信号：按照一定周期重复出现的信号。可用f(t)=f(t+nT)表示周期为了的信号，如正弦信号。非周期信号：不满足周期信号特征的所有信号称为非周期信号
按信号变化是否有规律分类	确定信号和随机信号	确定信号：信号某些参量具有一定规律性，按照其规律可以预测信号的变化，如正弦信号。随机信号：信号变化是随机的，没有任何规律，如语音信号。

## 模拟信号和数字信号

模拟量和数字量

当我们观察自然界中各种物理量时不难发现，就其变化规律的特点而言，不外乎有两大类。
一类是物理量的变化在时间上或数量上是连续的，把这一类物理量称为模拟量。模拟信号在连续变化过程中的任何一个取值都有具体的物理意义，表示一个瞬时值。
一类是物理量的变化在时间上和数量上都是离散的，即它们的变化在时间上是不连续的，总是发生在一系列离散的瞬间。而且它们的数值的大小和每次的增减变化都是某一个最小数量单位的整数倍，我们把这一类物理量称为数字量。

模拟信号和数字信号

当我们把模拟量和数字量转换成电压(或电流)信号时，得到的电压(或电流)信号也分为模拟信号和数字信号两大类。工作在模拟信号下的电子电路称为模拟电子电路(简称模拟电路)，而工作在数字信号下的电子电路称为数学电子电路(简称数字电路)，数字信号在电路中常表现为突变的电压或电流.

## 电信号、机械波信号和电磁波信号

电信号：
电是静止或移动的电荷所产生的物理现象。电信号是指随着时间而变化的电压或电流，通常以电压、电流、电磁波(无线电)等为载体
- 电压信号
- 电流信号(电流信号传输比电压信号传输的抗干扰能力强很多，而且线路压降的影响也小很多)
  - 直流电：大小和方向都不随时间变化的电流
  - 交流电：大小和方向随时间作周期性变化(可以产生电磁波)
  - 脉冲电：波形是脉冲的电压或电流(会产生电磁波)
- 电磁波无线电信号
波信号：
根据波的产生机理，可以分为两种：机械波、电磁波
- 机械波是机械振动引起的振动在介质中的传播，电磁波是电磁振荡产生的变化电磁场向空间的传播。
- 机械波需要介质传播，而电磁波不需要介质传播(前者不能在真空中传播，后者可以)
- 机械波的波速由介质决定，电磁波的波速在真空中等于光速，在空气中近似真空中。
- 机械波比如水波、声波、地震波等，电磁波就包括很多了，频谱中很多现在都已经可以用来通信了，目前广泛使用的是光信号：利用光线的强弱变化和有光无光作为载体的信号

电信号与波信号是有交集的，比如无线电信号

### 电信号

电信号是指随着时间而变化的电压或电流，根据生成方式可以分为两种：

经由感应器将自然参数转换而成的电信号。比如：麦克风、温度计、压力计等
使用各式元件设计而成的各种电信号。比如：基本元件、离散式电子电路、集成电路产生的电信号等
一般经由自然参数转换产生的电信号为类比信号，经由元件设计产生的电信号可为类比信号亦可为数位信号

### 电磁波信号

从上图可以看出，人们现在已经能使用好几个波段进行通信，紫外线以及更高的波段目前还不能用于通信。常用的是：无线电信号(无线电通信)、微波信号(微波通信)、光信号(光纤通信)

#### 光信号(光纤通信)

光纤通信就是利用光导纤维（以下简称为光纤）传递光脉波来进行通信。有光脉波相当于1，而没有光脉波相当于0。由于可见光的频率非常高，约为10^14HZ的量级，因此一个光纤通信系统的传输带宽远远大于目前其他各种传输媒体的带宽。
光纤是光纤通信的传输媒体。在发送端有光源，可以采用发光二极管或半导体激光器，他们在电脉波的作用下能产生光脉波。在接收端利用光电二极管做成光检测器，在检测到光脉波时可还原出电脉波。

当通讯系统的设备中不使用接收器时，也可以是借由人眼观察来解释讯号，简单的讯号如烽火、复杂的讯号则如光编译的色码或闪光摩斯密码等。

#### 微波信号(无线通信)

微波通讯是指一种综合技术，将信号以频率在0.3 GHz 至300 GHz的微波作为载体传输。部分被称作毫米波的微波辐射非常容易被大气层（特别是潮湿的天气）衰减。
可用于作为与通讯卫星通信的方式、用作电视信号，携带电话等无线通信设备的通讯等

#### 无线电信号(无线电技术)

无线电技术是通过无线电波传播信号的技术，其原理在于，导体中电流强弱的改变会产生无线电波。利用这一现象，通过调制可将信息加载于无线电波之上。当电波通过空间传播到达收信端，电波引起的电磁场变化又会在导体中产生电流。通过解调将讯息从电流变化中提取出来，就达到了资讯传递的目的。

无线电的最早应用于航海中，使用摩尔斯电报在船与陆地间传递信息。现在，无线电有着多种应用形式，包括无线数据网，各种移动通信以及无线电广播等。具体比如：

通信（无线电报、调幅广播、调频广播、一些军用电台、蜂窝电话和移动电话、电视、数据传输如蓝牙）
导航(卫星)
雷达
遥控
等等

## 有线信号和无线信号

传输介质

传输介质也称传输介质或传输媒介，它就是数据传输系统中在发送器和接收器之间的物理通路。可分为两大类，即导引型传输媒体(导向传输媒体)和非导引型传输媒体。在导引型传输媒体中，电磁波被导引沿着固体媒体（铜线或光纤）传播，而非导引型传输媒体就是指自由空间，在非导引型传输媒体中电磁波的传输常称为无线传播。

光缆(以石英为介质，传输的是光信号)
电缆(一般以金属作为介质，比如电话线、同轴电缆、双绞线，传输的是电信号)
- 双绞线过去主要是用来传输模拟信号的，但现在同样适用于数字信号的传输
- 在局域网发展初期广泛使用同轴电缆，后来被双绞线替代。目前主要用于有线电视网的居民小区中
自由空间(不需要介质的(或者说人类现在还无法认识的介质))
- 传输的是电磁波信号(无线电、微波、红外线等)(其实光也是电磁波)

## 基带信号和频带信号

基带传输

传输信息有两种方式：基带传输和调制传输。由信源直接生成的信号，无论是模拟信号还是数字信号，都是基带信号，其频率比较低。所谓基带传输就是把信源生成的数字信号直接送入线路进行传输，如音频市话、计算机间的数据传输等。载波传输则是用原信号去改变载波的某一参数实现频谱的搬移，如果载波是正弦波，则称为正弦波或连续波调制。把二进制信号调制在正弦波上进行传输，其目的除了进行频率匹配外，也可以通过频分、时分、波分复用的方法使信源和信道的容量进行匹配。

为什么要进行调制

首先，由于频率资源的有限性，限制了我们无法用开路信道传输信息。再者，通信的最终目的是远距离传递信息。由于传输失真、传输损耗以及保证带内特性的原因，基带信号是无法在无线信道或光纤信道上进行长距离传输的。
为了进行长途传输，必须对数字信号进行调制。最后，较小的倍频程也保证了良好的带内特性。
所以调制就是将基带信号搬移到信道损耗较小的指定的高频处进行传输（即载波传输）。数字信号的载波传输与基带传输的主要区别就是增加了调制与解调的环节，是在复接器后增加了一个调制器，在分接器前增加一个解调器而已。

基带

频率范围非常窄的信号，也就是说幅度谱仅在原点附近（f=0）才是非零的，其他频率几乎可以忽略。

载波

是指被进行频率、幅度、相位间隔调制以携带信息/信号的波形，一般为正弦波。一般要求正弦载波的频率远远高于调制信号的带宽，否则会发生混叠，使传输信号有损。有电力载波、光载波技术

基带信号

信源（信息源，也称发终端）发出的没有经过调制（进行频谱搬移和变换）的原始电信号，其特点是频率较低，信号频谱从零频附近开始，具有低通形式。根据原始电信号的特征，基带信号可分为数字基带信号和模拟基带信号（相应地，信源也分为数字信源和模拟信源。）其由信源决定。说的通俗一点，基带信号就是发出的直接表达了要传输的信息的信号.
　　由于在近距离范围内基带信号的衰减不大，从而信号内容不会发生变化。因此在传输距离较近时，计算机网络都采用基带传输方式。如从计算机到监视器、打印机等外设的信号就是基带传输的。大多数的局域网使用基带传输，如以太网、令牌环网。常见的网络设计标准10BaseT使用的就是基带信号。计算机内部并行总线上的信号全部都是基带信号，由于基带信号中交流分量极其丰富，所以不适合长距离传输。

频带信号

频带信号(即是带通信号)：在通信中，由于基带信号具有频率很低的频谱分量,出于抗干扰和提高传输率考虑一般不宜直接传输，我们可以使用载波传输，将数据的信号加载到载波的信号上，把基带信号变换成其频带适合在信道中传输的信号，变换后的信号就是频带信号

接收方按照载波的频率来接收数据信号，有意义的信号波的波幅与无意义的信号的波幅是不同的，将这些信号提取出来就是我们需要的数据信号

不管是光信号、电信号还是电磁波信号，都可以选择性的用来承载模拟或数字信号。

比如电磁波，现在用手机通信的时候，电磁波承载的是数字信号；以前用大哥大通信的时候，电磁波承载的是模拟信号。
比如双绞线，把它接到普通电话上使用，那它就传输模拟信号；把它接到电脑网卡上使用，那它传输的就是数字信号了。

# 脉冲电信号

## 相关概念

脉冲(一种波形)

在信号处理中，脉冲（pulse）有以下两种意义：
1. 信号幅度的快速暂态变化，由基准值变为较高或较低的值，之后又快速的回到基准值。
2. 信号特性（如相位、频率）的快速暂态变化，由基准值变为较高或较低的值，之后又快速的回到基准值
还有个说法：脉冲就是电压或电流的波形像心电图上的脉搏跳动(短暂起伏)的波形

电脉冲

脉冲电流其中的一个周期过程就可以看成一个电脉冲，可以当成信号的一次发出

脉冲电

波形是脉冲的电压或电流，通常就把一切既非直流又非正弦交流的电压或电流统称为脉冲电

脉冲信号

相对于连续信号在整个信号周期内短时间发生的信号，大部分信号周期内没有信号。就象人的脉搏一样。现在一般指数字信号，它已经是一个周期内有一半时间（甚至更长时间）有信号。计算机内的信号就是脉冲信号，又叫数字信号

同步脉波信号
为确保接收和发送扫描能同步的一种制约信号
复合同步脉波信号
为了使收、发两端扫描完全同步，发送端要给接收端提供同步脉冲信号。它由行同步脉冲和场同步脉冲组合而成的。

脉冲电路

脉冲电路是专门用来产生电脉冲和对电脉冲进行放大、变换和整形的电路

## 脉冲形状

利用脉冲整形的程序可以产生不同的脉冲形状，根据应用的不同，最佳的脉冲形状也随之不同。

方波
方波脉冲包括方波、Boxcar函数及矩形函数等。在数字信号中，由低准位变到高准位的转态称为上升缘，而由高准位变到低准位的转态称为下降缘。若数字系统中会侦测上升缘或下降缘，或在此情形下才动作，称为 边缘触发。数字时序图就是由许多方波组成的例子。
Nyquist脉冲
Nyquist脉冲是符合Nyquist码间干扰标准的脉冲，在资料传输有其重要性
高斯脉冲
高斯脉冲是成形为高斯函数的脉冲，是由高斯滤波器产生，它是在没有过冲及最小群延时条件下，暂态最快的脉冲

## 应用——时钟信号

又称时间脉冲信号(简称时脉?)，计算机科学及相关领域用语，此信号在 同步电路当中，扮演 计时器的角色，并组成电路的电子组件。只有当同步信号到达时，相关的触发器才按输入信号改变输出状态，因此使得相关的电子组件得以同步运作。

在数字电路(计算机)中分别以高电平和低电平表示1状态和0状态。此时电信号的波形是非正弦波，为脉冲信号，又叫数字信号
在计算机的同步时序电路中，作为时钟信号的矩形脉冲控制和协调着整个系统的工作，因此，时钟脉冲的特性直接关系到系统能否正常地工作。

要解决的问题？

在内部循环周期小于最坏情况下的内部传播延迟时，大多数足够复杂集成电路使用时钟信号同步电路的不同部分
引用知乎上的一个解释：
CPU里可以粗略的认为是很多很多很多小电容（充满电了算1，没充电算0），每次计算就是这些小电容翻来覆去的充电放电。
很多小电容组成一个个基本的模块，比如输入到输出。输入到输出是有延迟的，因为前面说了，电容要充电放电，这个需要时间。
基本小模块各种连接，组成复杂的功能，也就是前面小模块的输出会被后面模块当成输入。

模块连接行成功能，那么后面的模块要如何知道前面的模块到底是已经完成充电/放电了呢，还是正在充电放电呢？另一方面，路径越长从最开始输入到最终的输出的时间就越长，也就是路径长度不同延迟就不同，所以你很难保证每个针脚上的数据严格的同时到达。

所以就引入了时钟机制：用一个统一的时钟脉冲来同步各个小模块。脉冲没来，小模块抓紧时间充电放电，脉冲来了，模块一起动。可以简单的认为时钟脉冲来一下，CPU就动一下。下个时钟脉冲一直不来，CPU就一直不动
(保证运算时，数据的读-写-计算必须要严格的按照顺序依次进行)

时钟边沿触发

时钟边沿触发信号意味着所有的状态变化都发生在时钟边沿到来时刻。只有当同步信号到达时，相关的触发器才会按输入信号改变输出状态，使得相关的电子组件得以同步运作。控制逻辑单元状态量变化的是时钟信号的上升沿还是下降沿，取决于具体的逻辑设计
时钟不是作用在ALU（逻辑控制单元）上而是寄存器上，这种特殊的寄存器叫：时钟寄存器。只有在时钟信号的上升沿（比如说5V高位）才能往里写入。其他时候，输入只能在外面等着

时钟频率

时钟频率（又译：时脉速度，英语：clock rate），是指同步电路中时钟的基础频率，它以“若干次周期每秒”来度量，量度单位采用SI单位-赫兹（Hz）。它是评定CPU性能的重要指标。
例如，来自晶振的基准频率通常等于一个固定的正弦波形，则时钟频率就是这个基准频率，电子电路会为数字电子设备将它转化成对应的脉冲方波。