數(shù)字信號

      在計(jì)算機(jī)中，數(shù)字信號的大小常用有限位的二進(jìn)制數(shù)表示，例如，字長為2位的二進(jìn)制數(shù)可表示4種大小的數(shù)字信號，它們是00、01、10和11；若信號的變化范圍在-1~1，則這4個(gè)二進(jìn)制數(shù)可表示4段數(shù)字范圍，即[-1, -0.5)、[-0.5, 0)、[0, 0.5)和[0.5, 1]。

簡介

       信息化時(shí)代已經(jīng)不告而至，我們時(shí)時(shí)刻刻被各種各樣的信號包圍，信號的本質(zhì)是表示消息（信息）的物理量，如常見的正弦電信號中，如果是不同的幅度、不同的頻率，或不同相位則表示不同的消息（信息）。以信號為載體的數(shù)據(jù)可表示現(xiàn)實(shí)物理世界中的任何信息，如文字符號、圖像等，從其特定的表現(xiàn)形式來看，信號可以分為：模擬信號和數(shù)字信號。 

       數(shù)字信號是指用一組特殊的狀態(tài)來描述信號，典型的就是當(dāng)前用最為常見的二進(jìn)制數(shù)字來表示的信號，之所以采用二進(jìn)制數(shù)字表示信號， 其根本原因是電路只能表示兩種狀態(tài)，即電路的通與斷。在實(shí)際的數(shù)字信號傳輸中，通常是將一定范圍的信息變化歸類為狀態(tài)0或狀態(tài)1， 這種狀態(tài)的設(shè)置大大提高了數(shù)字信號的抗噪聲能力。不僅如此，在保密性、抗干擾、傳輸質(zhì)量等方面，數(shù)字信號都比模擬信號要好，且更加節(jié)約信號傳輸通道資源。 

       數(shù)字信號與離散時(shí)間信號的區(qū)別在因變量。離散時(shí)間信號的自變量是離散的、因變量是連續(xù)的，其自變量用整數(shù)表示，因變量用與物理量大小相對應(yīng)的數(shù)字表示。離散時(shí)間信號的大小用有限位二進(jìn)制數(shù)表示后，就是數(shù)字信號。

模擬信號與數(shù)字信號的轉(zhuǎn)換

模擬信號

       模擬信號的信號波形模擬隨著信息的變化而變化，模擬信號其特點(diǎn)是幅度連續(xù)(連續(xù)的含義是在某一取值范圍內(nèi)可以取無限多個(gè)數(shù)值)。模擬信號，其信號波形在時(shí)間上也是連續(xù)的，因此它又是連續(xù)信號。模擬信號按一定的時(shí)間間隔T抽樣后的抽樣信號，由于其波形在時(shí)間上是離散的，但此信號的幅度仍然是連續(xù)的，所以仍然是模擬信號。電話、傳真、電視信號都是模擬信號。

       信號抽樣后時(shí)間離散，但輻值不離散。常見的抽樣信號是周期矩形脈沖和周期沖激脈沖抽樣。模擬信號在整個(gè)時(shí)間軸上都是有定義的，在“沒有幅值”的區(qū)域的意義是幅值為零。而離散時(shí)間信號只在離散時(shí)刻上才有定義，其他地方?jīng)]有定義，和幅值為零是不同概念，這兩種信號在時(shí)間軸看上去很相似，其實(shí)是以不同類型的系統(tǒng)為基礎(chǔ)的兩種有本質(zhì)區(qū)別的信號。直觀的說，離散時(shí)間信號的橫軸可以認(rèn)為已經(jīng)不代表時(shí)間了。

模擬信號到數(shù)字信號

       模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號需要經(jīng)過信號的采樣、信號的保持、信號的量化與信號的編碼四個(gè)基本步驟。

       采樣是對連續(xù)信號在時(shí)間上進(jìn)行離散，即按照特定的時(shí)間間隔在原始的模擬信號上逐點(diǎn)采集瞬時(shí)值。從效果來看，采樣頻率越高所得的離散信號就越接近原始的模擬信號，但采樣頻率過高則對實(shí)際電路的要求就更高，也會給帶來大量的計(jì)算與存儲。采樣頻率過低會導(dǎo)致信息丟失，嚴(yán)重時(shí)導(dǎo)致信息失真，無法使用。采取其瞬時(shí)值后要在原位置保持一段時(shí)間，這樣行成的鋸齒型波信號提供給后續(xù)信號量化。

       對采集得到的離散信號進(jìn)行量化是將特定幅度的信號轉(zhuǎn)化為模數(shù)轉(zhuǎn)換器的最小單位的整數(shù)倍，這個(gè)最小單位也被稱為模數(shù)轉(zhuǎn)換器的量化單位。每個(gè)采樣值代表一次采樣所獲得模擬信號的瞬時(shí)幅度。通常量化單位都是2的倍數(shù)，量化位數(shù)越多，量化誤差就越小，量化得到的結(jié)果就越好。在實(shí)際的量化過程由于需要近似處理，因此一定存在量化誤差，這種誤差在最后數(shù)模轉(zhuǎn)換時(shí)又會再現(xiàn)，通常稱這種誤差為量化噪聲。通常可以通過增加量化位數(shù)來降低這種量化誤差，但當(dāng)信號幅度降低到一定值后，量化噪聲與原始模擬信號之間的相關(guān)性就更加明顯。

       對量化后的離散信號進(jìn)行編碼是模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號的最后環(huán)節(jié)，常見的采用并行比較型路和逐次逼近型電路實(shí)現(xiàn)，將量化后的離散信號轉(zhuǎn)換為對應(yīng)的數(shù)字信號。

數(shù)字信號到模擬信號

       數(shù)字信號轉(zhuǎn)換為模擬信號更為簡單易懂。實(shí)際上，數(shù)模轉(zhuǎn)換可以看成是對數(shù)字信號譯碼，數(shù)模轉(zhuǎn)換是將輸入的二進(jìn)制數(shù)按其實(shí)際權(quán)值轉(zhuǎn)換成對應(yīng)的模擬量，然后將各個(gè)位數(shù)對應(yīng)得到的模擬量相加，得到的總模擬量就與輸入的數(shù)字量成正比，這就實(shí)現(xiàn)了數(shù)字信號到模擬信號的轉(zhuǎn)換。

優(yōu)點(diǎn)

       數(shù)字信號的優(yōu)點(diǎn)很多，首先是它抗干擾的能力特別強(qiáng)，它不但可以用于通訊技術(shù)，而且還可以用于信息處理技術(shù)，時(shí)髦的高清晰度電視、VCD、DVD激光機(jī)都采用了數(shù)字信號處理技術(shù)。其次，我們使用的電子計(jì)算機(jī)都是數(shù)字的，它們處理的信號本來就是數(shù)字信號。在通訊上使用了數(shù)字信號，就可以很方便地將計(jì)算機(jī)與通訊結(jié)合起來，將計(jì)算機(jī)處理信息的優(yōu)勢用于通訊事業(yè)。如電話通訊中采用了程控?cái)?shù)字交換機(jī)，用計(jì)算機(jī)來代替接線員的工作，不僅接線迅速準(zhǔn)確，而且占地小、效率高，省去不少人工和設(shè)備，使電話通訊產(chǎn)生了一個(gè)質(zhì)的飛躍。再次，數(shù)字信號便于存儲，現(xiàn)在流行的CD、MP3唱盤，VCD、DVD視盤及電腦光盤都是用數(shù)字信號來存儲的信息。此外，數(shù)字 通信 還可以兼容電話、電報(bào)、數(shù)據(jù)和圖像等多類信息的傳送，能在同一條線路上傳送電話、有線電視、多媒體等多種信息。數(shù)字信號還便于加密和糾錯(cuò)，具有較強(qiáng)的保密性和可靠性。

       由于數(shù)字信號是用兩種物理狀態(tài)來表示0和1的，故其抵抗材料本身干擾和環(huán)境干擾的能力都比模擬信號強(qiáng)很多；在現(xiàn)代技術(shù)的信號處理中，數(shù)字信號發(fā)揮的作用越來越大，幾乎復(fù)雜的信號處理都離不開數(shù)字信號；或者說，只要能把解決問題的方法用數(shù)學(xué)公式表示，就能用計(jì)算機(jī)來處理代表物理量的數(shù)字信號。 

       在數(shù)字電路中，數(shù)字信號只有0、1兩個(gè)狀態(tài)，它的值是通過中央值來判斷的，在中央值以下規(guī)定為0，以上規(guī)定為1，所以即使混入了其他干擾信號，只要干擾信號的值不超過閾值范圍，就可以再現(xiàn)出原來的信號。即使因干擾信號的值超過閾值范圍而出現(xiàn)了誤碼，只要采用一定的編碼技術(shù)，也很容易將出錯(cuò)的信號檢測出來并加以糾正因此，與模擬信號相比，數(shù)字信號在傳輸過程中具有更高的抗干擾能力，更遠(yuǎn)的傳輸距離，且失真幅度小。

       數(shù)字信號在傳輸過程中不僅具有較高的抗干擾性，還可以通過壓縮，占用較少的帶寬，實(shí)現(xiàn)在相同的帶寬內(nèi)傳輸更多、更高視頻等數(shù)字信號的效果。此外，數(shù)字信號還可用半導(dǎo)體存儲器來存儲，并可直接用于計(jì)算機(jī)處理。若將電話、傳真、電視所處理的圖像、文本、視頻等數(shù)據(jù)及其他各種不同形式的信號都轉(zhuǎn)換成數(shù)字脈沖來傳輸，還有利于組成統(tǒng)一的通信網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)今天各界人士和電信工業(yè)者們極力推崇的綜合業(yè)務(wù)數(shù)字網(wǎng)絡(luò)(IS-DN)。從而為人們提供全新的，更靈活、更方便的服務(wù)。正因?yàn)閿?shù)字信號具有上述突出的優(yōu)點(diǎn)，它正在迅速而且已經(jīng)取得了十分廣泛的應(yīng)用。