信号

问：我为应用选择的放大器的数据手册同时规定了小信号带宽和大信号带宽，它们是相当不同的规格。我如何确定信号是小信号还是大信号？

当谈到放大器的带宽时，我们讨论的其实是使用小信号模型的放大器频率响应。该模型的导出前提是电路在偏置点周围是线性的；换言之，其增益保持恒定，与施加的信号无关。如果信号足够小，该模型会非常有效，其与实际情况的偏差几乎难以检测。

所有人都喜欢使用这个模型，因为它简化了设计和分析过程。如果使用大信号模型——即包括所有非线性方程——电路将变得复杂无比，至少对我这样的凡人是如此。因此，小信号模型和正弦信号将复杂性降低到一个可处理的水平。

但严格说来，即便最小的实际信号也会稍稍改变晶体管电路（例如运算放大器）的偏置点。信号越大，就越难以忽略非线性效应，其最明显的表现是失真。在某一点，由于信号过快且过大，使得放大器达到其压摆率限值——相当于放大器输出的最大变化率，通常用V/µs表示。压摆率达到限值之后，放大器就会落后，当信号开始斜坡下降时，放大器尚未达到信号峰值，最后的结果便是信号幅度比预期要小。在该点时，放大器大致达到了大信号带宽。一般来说，这发生在低于小信号带宽的频率，信号确定无疑地发生了最大的失真。但信号不会突然发生彻底失真，而是逐渐增加失真的幅度和频率。当失真超过系统的容限时，我们可以说信号过大。

时钟信号衰减会增加抖动，因此对驱动器输出的端接很重要。为了避免抖动和时钟质量降低的不利影响，需要使用恰当的信号端接方法。这里和大家分享4种端接方法。

● Z₀是传输线的阻抗；
● Z_OUT是驱动器的输出阻抗，
● Z_IN是接收器的输入阻抗。

PS：这里仅显示CMOS和PECL/LVPECL电路。

<strong><font color="#004a85">串行端接</font> </strong>

实际上，因为阻抗会随频率动态变化，难以达到阻抗匹配，所以缓冲器输出端可以省去电阻（R）。

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无线电信号能发射到月球上并且反射回来吗？如果把时间拨回1946年，人们一定会觉得这简直不可思议，然而正是在这一年，美国陆军信号部队的科学家们重启了一项二战期间停摆的项目：尝试利用电磁能穿透地球大气的电离层，代号“戴安娜”（Diana），也就是希腊神话中的月亮女神。这在当年是一个鲜为人知的项目，时至今日依然有不少人不知道它的存在（图1）。作为一项铲除了空间旅行最大障碍之一的伟大项目，落得这样的结局不免令人唏嘘。

第一课什么是卷积？卷积有什么用？什么是傅利叶变换？什么是拉普拉斯变换？

<strong>引子</strong>

很多朋友和我一样，工科电子类专业，学了一堆信号方面的课，什么都没学懂，背了公式考了试，然后毕业了。

先说"卷积有什么用"这个问题。(有人抢答，"卷积"是为了学习"信号与系统"这门课的后续章节而存在的。我大吼一声，把他拖出去枪毙！)

<strong>讲一个故事:</strong>

张三刚刚应聘到了一个电子产品公司做测试人员，他没有学过"信号与系统"这门课程。一天，他拿到了一个产品，开发人员告诉他，产品有一个输入端，有一个输出端，有限的输入信号只会产生有限的输出。

然后，经理让张三测试当输入sin(t)(t&lt;1秒)信号的时候(有信号发生器)，该产品输出什么样的波形。张三照做了，花了一个波形图。

"很好！"经理说。然后经理给了张三一叠A4纸:"这里有几千种信号，都用公式说明了，输入信号的持续时间也是确定的。你分别测试以下我们产品的输出波形是什么吧！"

先来想象一下，您的家里配备了各种各样的的传感器，它们时刻测量着空气质量、温度、噪声、光照、气压……并可以根据您的健康设备上的个人健康信息，调整相关环境参数实时优化您的家居环境，这就是，未来的美好生活！

当所有健康信息都被传感器远程记录和监测时，其中心率（HR）监测是许多现有可穿戴产品和临床设备的关键特性。这些设备一般测量光电容积脉搏波(PPG)信号，为获得该信号，须利用 LED 照射人体皮肤，然后用光电二极管测量血流引起的反射光强度变化。

<strong>什么是 PPG</strong>

PPG 信号形态与动脉血压(ABP)波形相似，这使得该信号成为受科学界欢迎的非侵入性心率监测工具。PPG信号的周期性与心脏节律相对应。因此，可以根据PPG信号估算心率。然而，受血液灌流不良、环境光线以及最重要的运动伪像(MA)的影响，心率估算性能会降低。

业界已提出许多信号处理技术来消除MA噪声，包括 ADI 的运动抑制和频率跟踪算法——通过使用一个靠近PPG传感器放置的三轴加速度传感器来实现。当没有运动时，最好能有一个按需算法来向跟踪算法提供快速且更精确的心率估算。

学习信号时域和频域、快速傅立叶变换(FFT)、加窗，以及如何通过这些操作来加深对信号的认识。

<strong>理解时域、频域、FFT</strong>

傅立叶变换有助于理解常见的信号，以及如何辨别信号中的错误。尽管傅立叶变换是一个复杂的数学函数，但是通过一个测量信号来理解傅立叶变换的概念并不复杂。从根本上说，傅立叶变换将一个信号分解为不同幅值和频率的正弦波。我们继续来分析这句话的意义所在。

<strong>所有信号都是若干正弦波的和</strong>

我们通常把一个实际信号看作是根据时间变化的电压值。这是从时域的角度来观察信号。

傅立叶定律指出，任意波形在时域中都可以由若干个正弦波和余弦波的加权和来表示。例如，有两个正弦波，其中一个的频率是另一个的3倍。将两个正弦波相加，就得到了一个不同的信号。

<strong>前言</strong>

每个电路都有一定的噪声，这些噪声会影响模拟和数字电路的性能。有些噪声来自外部干扰，有些噪声则由热效应等随机因素引起。随机产生的噪声要比已知来源的噪声更难以表征，因为没有哪次测量提供了关于上一次或下一次测量的任何信息。这种过程只能通过对许多事件的多次测量、并用下次某个具体事件的概率来描述。许多数字示波器提供的工具可以用来表征噪声。一旦了解了噪声的特征，就有办法减轻噪声。

要用数字示波器分析诸如电气噪声等随机信号，就需要能够提供随机过程多个视图的工具。图1是多维示波器工具的预览图。

<strong><font color="#FF0000">作者：Foroohar Foroozan</font> </strong>

想象未来几十年后的世界，您的孙子们可能不知道医院这个词，所有健康信息都是通过传感器远程记录和监测。想象您的家里配备了不同的传感器来测量空气质量、温度、噪声、光照和气压，并且根据您的个人健康信息，系统调整相关环境参数以优化您的家居环境。在实现美好未来的道路上，ADI公司处于一个独特的有利位置，通过提供相互补充的传感器、软件和算法来增加其在数字健康市场的份额。

<strong>相位噪声的含义</strong>

相位噪声是对信号时序变化的另一种测量方式，其结果在频率域内显示。用一个振荡器信号来解释相位噪声。如果没有相位噪声，那么振荡器的整个功率都应集中在频率f=fo处。但相位噪声的出现将振荡器的一部分功率扩展到相邻的频率中去，产生了边带(sideband)。从下图中可以看出，在离中心频率一定合理距离的偏移频率处，边带功率滚降到1/fm，fm是该频率偏离中心频率的差值。

相位噪声通常定义为在某一给定偏移频率处的dBc/Hz值，其中，dBc是以dB为单位的该频率处功率与总功率的比值。一个振荡器在某一偏移频率处的相位噪声定义为在该频率处1Hz带宽内的信号功率与信号的总功率比值。

<strong>电路功能与优势</strong>

图 1 所示电路是一种高性价比、隔离式、多通道数据采集系统，兼容标准工业级信号。元件针对两次采样之间的最
佳建立时间而选择，能以高达约 750 kHz 的通道切换速率提供 18 位性能。该电路可以处理八个增益独立的通道，兼容单端和差分输入信号。

模拟前端包括一个多路复用器、可编程增益仪表放大器(PGIA)、用于执行单端转差分任务的精密模数转换器(ADC) 驱动器，以及一个用于采样有效通道信号的 18 位、2.0 MSPS 精密 PulSAR® ADC。提供 0.4、0.8、1.6 和 3.2 增益配置。

turbo 模式下，系统最大采样速率为 2 MSPS；正常模式下为1.5 MSPS。通道切换逻辑与 ADC 转换同步，最大通道切换速率为1.5 MHz。turbo模式下，单通道采样速率高达2 MSPS，分辨率为 18 位。通道切换速率高达 750 kHz 时依然具有18 位性能。