为什么数字设备比模拟设备具有更高的延迟?


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我认为您不是在暗示关于信息,幂和熵的更深入的哲学讨论,而只是对实践方面感兴趣。

简而言之,数字电路需要测量输入,将其数字化,通过某种处理对其进行处理,然后将输出再次转换为电信号。数字电路不能直接操纵模拟电信号。由于信号转换,您本来就有额外的延迟。

如果这回答了您的问题,您可以在这里停止阅读。

从更哲学/物理的角度来看,在几乎所有电路中,您实际上并不是在试图操纵电能(这是电力电子设备所做的),而是在试图操纵信息。在这种情况下,从技术上讲,模拟并非比数字更快。为什么?嗯,模拟信号路径是非正交的信息处理器:没有完美的运算放大器或完美的缓冲器之类的东西,所有东西都有寄生效应,您需要对其进行滤波或以其他方式消除。尤其是在非常高的速度下,即使构建可靠传输电压的电线也成为一个实际问题。数字处理使电气方面与信息脱钩:数字化其输入后,信号以非常纯净的信息形式存在。

即使您受到两个转换阶段的不利影响,在ADC和DAC之间,您仍可以使用许多处理技巧来加快处理速度,并且通常大大超过任何纯模拟信号处理器的性能。一个很好的例子就是蜂窝电话中数字调制解调器的革命,它现在已经非常接近信息处理的理论极限(数十pJ /位能量需求),而不久前,纯模拟GSM调制解调器则需要几个数量级。硅面积更大,我认为处理能量会增加5或6个数量级。


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数字处理本质上会增加一定的延迟,因为两个时钟周期之间发生的事件要等到下一个时钟周期才能处理,并且为避免事件发生在非常接近时钟周期边界的问题,通常将其设计为事件要等到事件发生后的第二个时钟周期才会生效(试图快速确定事件是否发生在时钟周期边界之前或之后通常非常困难,即使可以以任何一种方式安全地确定关闭调用;也可以将事件推迟决定增加一个时钟周期会使事情变得容易得多)。但是,通常这只是许多数字系统中观察到的延迟的一小部分。

数字系统延迟的一个更大因素是,由于多种原因,许多系统比小系统能够更有效地处理大数据。例如,虽然可以通过中断处理器88,200次/秒来记录44KHz立体声音频数据流,但这将要求处理器停止正在执行的操作88,200次/秒,保存所有寄存器,切换到中断即使在每次中断进入和退出只花费一微秒的时间,系统也会花费22%的时间进入和退出中断,而不做任何有用的事情。如果系统改用硬件来缓冲512个样本的组(每个通道256个),并在每个组准备就绪时通知处理器,

请注意,每条通道以256个样本为一组听起来可能不像延迟那么大(大约6毫秒),如果信号通过多个设备并且每个都引起这样的延迟,则这些延迟会加起来。此外,如果信号经过的任何阶段使用任何种类的可变分时,则延迟可以是可变的。通过有时比其他时间更长的延迟的通道传递实时音频数据,每当延迟改变时,都会引起明显的“扭曲”或“乱颤”。为防止这种情况,某些系统会在带有时间戳的音频数据块上添加标记,以指示何时捕获数据,并让最终的数字数据接收者将其转换回模拟形式,直到捕获数据经过一定的时间为止。如果最终接收者将其延迟到捕获后的一秒钟,则旅程不同部分的延迟变化不会影响输出,除非它们合计超过一秒钟。如果有人认为随机的短暂延迟会很频繁,但较长的延迟很少见,那么在最终接收者输出音频之前增加延迟会减少可听见的干扰的频率,但这也意味着声音不会尽快发出。否则就可以了。


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另外,数字系统倾向于计时-实际上是量化时间,这意味着数字事件要等到下一个时钟时间才会传播。


从技术上讲,我真的是进入哲学领域,数字系统只是以数字方式表示数据的系统,不一定需要计时。所有处理器都使用时钟,但是例如,可以将FPGA制成即时在其操作数上运行的稳定ALU。您无法以无限速度泵入数据的唯一原因是传播延迟,偏斜和晶体管开关速度。
user36129 2013年
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