什么是模拟信号,什么是数字信号

模拟信号是指用连续变化的物理量表示的信息,其信号的幅度、或频率、或相位随时间作连续变化。数字信号指自变量是离散的、因变量也是离散的信号,这种信号的自变量用整数表示,因变量用有限数字中的一个数字来表示。

本教程操作环境:windows10系统、Dell G3电脑。

信息化时代已经不告而至,我们时时刻刻被各种各样的信号包围,信号的本质是表示消息(信息)的物理量,如常见的正弦电信号中,如果是不同的幅度、不同的频率,或不同相位则表示不同的消息(信息)。以信号为载体的数据可表示现实物理世界中的任何信息,如文字符号、语音图像等,从其特定的表现形式来看,信号可以分为:模拟信号和数字信号。

什么是模拟信号

模拟信号是指用连续变化的物理量所表达的信息,如温度、湿度、压力、长度、电流、电压等等,我们通常又把模拟信号称为连续信号,它在一定的时间范围内可以有无限多个不同的取值。而数字信号是指在取值上是离散的、不连续的信号。

模拟信号主要是与离散的数字信号相对的连续的信号,模拟信号分布于自然界的各个角落,如气温的变化,而数字信号是人为的抽象出来的在幅度取值上不连续的信号。电学上的模拟信号主要是指幅度和相位都连续的电信号,此信号可以被模拟电路进行各种运算,如放大,相加,相乘等。

信号优点:

模拟信号的主要优点是其精确的分辨率,在理想情况下,它具有无穷大的分辨率。与数字信号相比,模拟信号的信息密度更高。由于不存在量化误差,它可以对自然界物理量的真实值进行尽可能逼近的描述。

模拟信号的另一个优点是,当达到相同的效果,模拟信号处理比数字信号处理更简单。模拟信号的处理可以直接通过模拟电路组件(例如运算放大器等)实现,而数字信号处理往往涉及复杂的算法,甚至需要专门的数字信号处理器。

信号缺点:

模拟信号的主要缺点是它总是受到杂讯(信号中不希望得到的随机变化值)的影响。信号被多次复制,或进行长距离传输之后,这些随机噪声的影响可能会变得十分显著。在电学里,使用接地屏蔽(shield)、线路良好接触、使用同轴电缆或双绞线,可以在一定程度上缓解这些负面效应。

噪声效应会使信号产生有损。有损后的模拟信号几乎不可能再次被还原,因为对所需信号的放大会同时对噪声信号进行放大。如果噪声频率与所需信号的频率差距较大,可以通过引入电子滤波器,过滤掉特定频率的噪声,但是这一方案只能尽可能地降低噪声的影响。因此,在噪声在作用下,虽然模拟信号理论上具有无穷分辨率,但并不一定比数字信号更加精确。

尽管数字信号处理算法相对复杂,但是现有的数字信号处理器可以快速地完成这一任务。另外,计算机等系统的逐渐普及,使得数字信号的传播、处理都变得更加方便。诸如照相机等设备都逐渐实现数字化,尽管它们最初必须以模拟信号的形式接收真实物理量的信息,最后都会通过模拟数字转换器转换为数字信号,以方便计算机进行处理,或通过互联网进行传输。

什么是数字信号

数字信号是指用一组特殊的状态来描述信号,典型的就是当前用最为常见的二进制数字来表示的信号,之所以采用二进制数字表示信号, 其根本原因是电路只能表示两种状态,即电路的通与断。在实际的数字信号传输中,通常是将一定范围的信息变化归类为状态0或状态1, 这种状态的设置大大提高了数字信号的抗噪声能力。不仅如此,在保密性、抗干扰、传输质量等方面,数字信号都比模拟信号要好,且更加节约信号传输通道资源。

数字信号与离散时间信号的区别在因变量。离散时间信号的自变量是离散的、因变量是连续的,其自变量用整数表示,因变量用于物理量大小相对应的数字表示。离散时间信号的大小用有限位二进制数表示后,就是数字信号。

优点:

数字信号的优点很多,首先是它抗干扰的能力特别强,它不但可以用于通讯技术,而且还可以用于信息处理技术,时髦的高保真音响、高清晰度电视、VCD、DVD激光机都采用了数字信号处理技术。其次,我们使用的电子计算机都是数字的,它们处理的信号本来就是数字信号。在通讯上使用了数字信号,就可以很方便地将计算机与通讯结合起来,将计算机处理信息的优势用于通讯事业。如电话通讯中采用了程控数字交换机,用计算机来代替接线员的工作,不仅接线迅速准确,而且占地小、效率高,省去不少人工和设备,使电话通讯产生了一个质的飞跃。再次,数字信号便于存储,现在流行的CD、MP3唱盘,VCD、DVD视盘及电脑光盘都是用数字信号来存储的信息。此外,数字通信还可以兼容电话、电报、数据和图像等多类信息的传送,能在同一条线路上传送电话、有线电视、多媒体等多种信息。数字信号还便于加密和纠错,具有较强的保密性和可靠性。

由于数字信号是用两种物理状态来表示0和1的,故其抵抗材料本身干扰和环境干扰的能力都比模拟信号强很多;在现代技术的信号处理中,数字信号发挥的作用越来越大,几乎复杂的信号处理都离不开数字信号;或者说,只要能把解决问题的方法用数学公式表示,就能用计算机来处理代表物理量的数字信号。 [2]

在数字电路中,数字信号只有0、1两个状态,它的值是通过中央值来判断的,在中央值以下规定为0,以上规定为1,所以即使混入了其他干扰信号,只要干扰信号的值不超过阂值范围,就可以再现出原来的信号。即使因干扰信号的值超过阂值范围而出现了误码,只要采用一定的编码技术,也很容易将出错的信号检测出来并加以纠正因此,与模拟信号相比,数字信号在传输过程中具有更高的抗干扰能力,更远的传输距离,且失真幅度小。

数字信号在传输过程中不仅具有较高的抗干扰性,还可以通过压缩,占用较少的带宽,实现在相同的带宽内传输更多、更高音频、视频等数字信号的效果。此外,数字信号还可用半导体存储器来存储,并可直接用于计算机处理。若将电话、传真、电视所处理的音频、文本、视频等数据及其他各种不同形式的信号都转换成数字脉冲来传输,还有利于组成统一的通信网,实现今天各界人士和电信工业者们极力推崇的综合业务数字网络(IS-DN)。从而为人们提供全新的,更灵活、更方便的服务。正因为数字信号具有上述突出的优点,它正在迅速而且已经取得了十分广泛的应用。

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