第十单元 仪器与测量 10.1 认识波形

        简单波形
        波形的形状和类型有多种。在大多数电子测量应用中，使用的波形是以下一种或几种；而且，（在具体使用时）经常在这些波形上添加噪声或畸变。
       ·正弦波
       ·方波和矩形波
       ·锯齿波和三角波
       ·阶跃、脉冲
       ·复杂波形

        正弦波
        正弦波也许是人们最眼熟的波形。大多数交流电源产生的就是正弦波。家用电源插座以正弦波的形式传递电能。
        在教授初级电学原理的课堂上，几乎总是在用正弦波的例子来讲解。正弦波来自于一个基本数学函数，描绘出360°正弦函数曲线就可以得到一幅准确的正弦波的图像。衰减正弦波是特殊情况——冲激引起电路振荡，振荡幅度随时间的流逝而衰减。在频率响应测试等许多应用中，需要一种“扫频”正弦信号——扫频信号的频率在一段时间内增加。实际上，这就是频率调制的一种形式。

        方波和矩形波
        在数字电子技术中，方波和矩形波是居于核心位置的基本波形（此外，方波和矩形波还有其它用途）。在相等时间间隔内，方波电压在两个固定电平之间切换。在测试放大器时，人们常用方波；放大器应该能够重现（即无失真放大）高、低电平间的快速转换过程（这就是此前解释过的上升时间和下降时间）。方波是数字系统（计算机，无线通信设备，HDTV系统等）中理想的定时时钟。矩形波的切换特点与方波类似，只是高低电平的持续时长不同。

        锯齿波和三角波
        锯齿波和三角波的波形很像“锯齿”和“三角”（即与其得名的几何图形一样）。在一个周期内，锯齿波平缓地斜升到一个峰值后迅速落下。相比之下，三角波的上升时间和下降时间更加对称。这两种波形常用在模拟示波器和电视系统中来控制其它电压。

        阶跃和脉冲
        “阶跃”就是一种反映电压突变（如电源开关被接通）的波形。而脉冲与矩形波有关，它象矩形波一样，在两个固定电平间来回切换就可得到。脉冲具备内在的二进制特点，因而在数字系统中被用作传递信息（数据）的基本工具。一个脉冲可以代表计算机内传输的一比特信息，一同传输的脉冲集合形成一个脉冲串。一组同步脉冲串（可能是以串行方式传输，也可能是以并行方式传输）构成一个数字码型。
       需要注意：尽管数字数据在名义上由脉冲、矩形波和方波组成，但现实世界中数字波形的转折点要圆滑的多、边沿要倾斜的多。
       有时，电路出现异常也会自然产生脉冲。这些暂态信号一般非周期出现，并被称作“毛刺”。数字系统故障诊断时的挑战之一就是将“毛刺”与窄的有效数据脉冲区分开来。而有些信号源的长处之一就是能在脉冲串的任何位置添加“毛刺”。

       复杂波形
       在实际电子系统中，波形很少像教科书中描绘的那样。除了一些时钟信号和载波信号是纯净波形之外，大部分其它波形都含有不是故意添加的畸变（分布电容、串扰等电路具体情况的副产品）或者故意添加的调制。有的波形甚至包含正弦波、方波、阶跃和脉冲。复杂波形包括：
       ·模拟调制信号、数字调制信号、脉宽调制信号和正交调制信号
       ·数字码型和格式
       ·伪随机位流和字流

        信号调制
        在调制信号中，幅度、相位或频率的变化将低频信息嵌入到高频载波信号中。这种信号可以传递从语音、数据到视频的任何信息。除非配备了专用信号源，否则产生这种波形是很困难的。
        模拟调制：调幅、调频常用在广播通信。调制信号改变载波的幅度和（或）频率。在接收端，幅度和（或）频率的变化由解调电路负责解释，并将这些变化从载波中提取出来。调相通过对载波相位（而不是频率）进行调制以嵌入信息。
        数字调制：与其它数字技术相同，数字调制也是基于两种信号状态以表示二进制数据。在幅度键控（ASK）中，数字调制信号使输出频率在两个幅度间切换。在频移键控（FSK）中，载波在两个频率间切换（中心频率和偏移频率），而相移键控（PSK）载波在两个设定的相位之间转换。在相移键控中，“0”代表发送一个与前一信号同相的信号，而“1”代表发送一个与前面信号反相的信号。脉宽调制是另一种常见的数字格式，它常用在数字音频系统中。顾名思义，它仅用在脉冲波形中。对于脉宽调制，调制信号引起脉冲的有效宽度（即占空比）发生变化。
        正交调制：今天的数字无线通讯网络是建立在正交调制（IQ）技术的基础上。正交调制对两路载波—— 一路是同相（I）波形，另一路是正交相位（Q）波形（相对同相波形精确延迟90°）——进行调制以产生四个信息状态。这两路载波合并、通过一个信道进行传送，然后在接收端分离、解调。比起其它模拟、数字调制方式，这种IQ方式传递的信息要多很多，它提高了系统有效带宽。

        数字码型和格式
        一个数字码型由多个同步脉冲流组成。这些脉冲流形成“数据字”，数据字的宽度可以是8位、12位、16位或更多。数字码型发生器是一种向数字总线和处理器并行输出“数据字”的专用信号源。这些码型中的字是以稳定的周期队列传送出去的，而每个周期的每一位是由选中的信号格式决定的。在组成数据流的周期中码型格式影响脉冲宽度。
        以下总结了最常用的一些格式。在对前三种格式解释时，假定周期是以二进制“0”开始的（即低电平开始）。
        ·不归零码（NRZ）：在一个周期内出现有效位时，波形跳转为“1”，并保持此电平值直到下一个周期出现。
        ·延迟不归零码（DNRZ）：与NRZ相似，只是在延迟指定时间之后，波形才跳转到“1”。
        ·归零码（RZ）：当有效位出现时，波形跳转为“1”，然后（在同一周期内）跳回“0”。
        ·归一码（R1）：归一码实际就是归零码的反码。与以上其它格式不同之处在于：归一码的周期开始于“1”。当有效位出现时，波形跳转为“0”，在一个周期结束前跳回“1”。
        位流（比特流）
        伪随机位流（PRBS）和伪随机字流（PRWS）弥补了数字计算机的先天不足：它不能产生真正的随机数。然而，随机事件在数字系统中是很有用的。例如，在本应光滑的表面上，非常“干净”的数字视频信号也会出现令人讨厌的锯齿线和明显的轮廓线。添加一点数量可控的噪声可以将这些人工痕迹隐藏起来，使人眼看不出来，却不会损失什么关键信息。
       为了得到随机噪声，数字系统生成能够达到随机效果的数字流；尽管这些数字遵循着某种可以用来预测的数学模型。实际上，这些伪随机数就是可随机重复出现的一组序列的集合，即PRBS。伪随机字流则是指多个PRBS流出现在信号源的并行输出端口上。
PRWS常用来测试串行器或复用器。串行器或复用器将PRWS信号重新组合为串行伪随机位流。