小肥羊目前在UCLA师从Abidi研究时钟电路设计，在老头子夜以继日智商碾压下，终于对时钟电路有了一些理解，写下一些认识，与广大硅工探讨，此为第一篇。标题取自William Blake的诗作《Auguries of Innocence》，盖因芯片由沙（硅）制成而自成一世界，片上时钟则可高达GHz范围，人间一瞬在芯片中几已成永恒。以下为正文。
社会的飞速发展，要求整个人类社会必须以时间为参考，进行高效的协同工作。 正由于这种工作的高效性和准确性， 人类也将这种基于时间的工作方式移植到了集成电路系统中。本文将主要介绍时钟在数字系统和通信系统中的重要作用。
数字系统中的时钟
数字系统无论复杂与否都可以抽象成状态机。其目的是通过接收外界不同的信号激励，而以一个固定时钟频率依次产生响应。 在每一个的状态下，不同的控制信号会让机器在下一个周期改变其状体。假如机器时钟工作的频率是1 Hz, 那么每隔一秒我们会观察到机器状态的变化，但在这一秒以内，机器则不会有任何动静。 一个很好的类比就是人本身， 每天时间控制着我们每天的日程，比如早上7点以前，我们一般都是一头死猪的状态，到了7点闹钟一响，状态一般都会变成生不如死。接着7点半吃早餐，吃着豆浆油条可能又满血复活，但要是只能啃上两片干面包，可能报复社会的负能量会进一步加强。有趣的是时钟只是控制着每一个人类个体在不同的时间点做出相应的生理和心理反应，但是当所有的人交织在一起之后，我们所生活的这个多样复杂的社会就形成了。同样的在数字系统中，电子时钟也只控制每一个小系统，按照正确的时间，做出正确的响应(可能只是一个数字信号由0变成了1)。但是当几亿个小系统同时做出响应时，我们就拥有了现代计算机这样强大的智能系统。
状态机的例子：其实我们的人生又何尝不是一个（加入了随机噪声的）状态机呢？
通信系统中的时钟（载波）
数字系统的主要目的是处理按照一个时钟周期准确迅速的处理信号，通信系统则是为了（作为载波）传递信号。但在介绍通信系统之前，必须先介绍一下频谱这个概念。
很多时候，信号都可以用频率（每秒振荡的次数）去描述，比如人发出的声音实际上就是口腔中的振荡产生的，振荡次数的多少决定了频率的高低。同时人们发音时用力的程度又决定了音量的大小。当不同频率和大小的信号叠加在一起时，人耳就可以从中提取出有用信息了。此时这些频率信号的总和就形成了频谱。对于视觉也是同样的道理，其实色彩就是不同频率的电磁波的组合（可见光）。所以视觉信号也可以由频谱来描述。如下图所示，我们称这个横轴为频率，纵轴为不同频率信号的大小（amplitude）的示意图为频谱。
信号频谱
现在回到通信系统上，人们交流的主要目的是为了传递有用的光和声信号。可是长距离传播上有两个问题。第一个问题是无论声音信号，还是视觉信号，它们都会随着距离而衰减。比如UCLA的light永远无法普照到USC那片黑暗的大陆。正因为如此，脑洞大开的工程师们充分的拓展了扩音机的原理，建立起了一个个移动信号基站，用于发大音频和视频信号，这样让有用的光声信号能够在全世界范围内传递。那些扩音器和相应接收器的天线只能工作在特定频段，所以必须进行频谱搬移。第二个问题是，转移成电子信号后声音信号（0-200kHz）和视觉信号(0-6MHz)存在一部分频谱的交叠，但是电子系统里面，是无法分辨在同一频段中信号到底是声音还是色彩信号，这样的话，声音和视觉信号就无法同时传递了。这时，又有一群寂寞的通信狗，想出来能不能先把不同信号搬移到不同的频段，再通过扩音机去传递他们。然后在接收机里面，再对不同频段的信号做相应的处理。这个频谱搬移的思想就成了现在通信系统的核心之一。而这个思想的理论验证，那就要感谢我们伟大的傅里叶曾曾…曾祖师爷了。其结论很简单，把信号和一个高频的正弦载波信号（频率为f0）相乘再通过一个高通滤波器，就可以实现频谱上的搬移。同样对这个上搬移的信号再与一个相同的正弦载波信号相乘，再通过一个低通滤波器，需要的信号就可以提取到。经过广大硅工几十年的不懈努力，现在全世界的人民群众都能看到感恩节橄榄球赛上，UCLA蓝色小萌熊，把USC的红色小骑士按在草地上苦口婆心让其明白道理的感人场面了。 （感觉应该给Abidi, Razavi, Thomas Lee 等硅头颁发一个奥斯卡最佳技术奖。）
频谱搬移在发射机与接收机
在人们普通的日常交流中，电磁信号和声波信号之间虽然相互干扰，但是却能直接被人接收和区别。在这一个通信系统中，工程师们使用了额外的高频载波信号来区别视觉和声音信号，以确保电子系统可以把他们区别开。而达到正确区别的关键就是在接受和发射端的两个载波正弦信号，而他们其实就是两个电子时钟，这正是电子时钟在通信系统中最重要的应用。
可见在电子系统中，时钟的主要目的就是让系统有条不紊的正确工作，同时让信号的传递量尽量增大。以后我们会介绍，时钟的非理性的影响，以及解决方案。
作者：小肥羊
文章来源：矽说
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