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什么是数字信号?和模拟信号有什么区别?

刚学电子,两个概念有点搞不清楚。请教,什么是数字信号?和模拟信号有什么区别?


有没有大神能通俗点讲清楚的


什么是数字信号?和模拟信号有什么区别?

注:文章内的所有配图皆为网络转载图片,侵权即删!

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什么是数字信号?


数字信号,顾名思义就是指的自变量是离散的,而且因变量也是离散的一种信号。数字信号的自变量是用整数表示的,它的因变量用有限的数字来表示。数字信号是用两种物理状态来表示0和1的,所以数字信号的质量很强,抗干扰能力也比较强。


什么是模拟信号?


模拟信号指的就是信息参数在给定的范围内表现为连续的信号。模拟信号的信息的特征量可以在瞬间转变为任意的数值信号。模拟信号在传输的过程中需要将信息信号转换为电波信号,再通过有线或者是无线的方法传播出去。


3、数字信号和模拟信号的区别?


数字信号和模拟信号的区别主要有三个方面:


第一数字信号和模拟信号的本质有着区别。


数字信号采用的是数字0和1的方法,而模拟信号是通过波动传播的。当模拟信号采用连续变化的电磁波来表示时,电磁波本身既是信号载体,同时作为传输介质;而当模拟信号采用连续变化的信号电压来表示时,它一般通过传统的模拟信号传输线路(例如电话网、有线电视网)来传输。 当数字信号采用断续变化的电压或光脉冲来表示时,一般则需要用双绞线、电缆或光纤介质将通信双方连接起来,才能将信号从一个节点传到另一个节点。



第二信号质量方面,数字信号的强度以及抗干扰能力都要比模拟信号强得多。


模拟信号抗干扰能力弱:


电信号在沿线路的传输过程中会受到外界的和通信系统内部的各种噪声干扰,噪声和信号混合后难以分开,从而使得通信质量下降。线路越长,噪声的积累也就越多。


数字信号抗干扰能力强:


数字信号在传输过程中会混入杂音,可以利用电子电路构成的门限电压(称为阈值)去衡量输入的信号电压,只有达到某一电压幅度,电路才会有输出值,并自动生成一整齐的脉冲(称为整形或再生)。较小杂音电压 到达时,由于它低于阈值而被过滤掉,不会引起电路动作。因此再生的信号与原信号完全相同,除非干扰信号大于原信号才会产生误码。为了防止误码,在电路中设置了检验错误和纠正错误的方法,即在出现误码时,可以利用后向信号使对方重发。因而数字传输适用于较远距离的传输,也能适用于性能较差的线路。



第三保密性


模拟信号保密性差:


模拟通信,尤其是微波通信和有线明线通信,很容易被窃听。只要收到模拟信号,就容易得到通信内容。


数字信号加强了通信的保密性:


数字语音信号经A/D变换后,可以先进行加密处理,再进行传输,在接收端解密后再经D/A变换还原成模拟信号。语音数字化为加密处理提供了十分有利的条件,且密码的位数越多,破译密码就越困难。



第四二者的应用领域不同。数字信号的应用更为广泛。


在这个应用为王的年代,不管是模拟信号还是数字信号,只有产品技术只有不断创新,符合市场需求,才是走向成功的王道。


来源: 讯谷视频会议

模拟信号与数字信号


(1)模拟信号与数字信号


不同的数据必须转换为相应的信号才能进行传输:模拟数据一般采用模拟信号(Analog Signal),例如用一系列连续变化的电磁波(如无线电与电视广播中的电磁波),或电压信号(如电话传输中的音频电压信号)来表示;数字数据则采用数字信号(Digital Signal),例如用一系列断续变化的电压脉冲(如我们可用恒定的正电压表示二进制数1,用恒定的负电压表示二进制数0),或光脉冲来表示。 当模拟信号采用连续变化的电磁波来表示时,电磁波本身既是信号载体,同时作为传输介质;而当模拟信号采用连续变化的信号电压来表示时,它一般通过传统的模拟信号传输线路(例如电话网、有线电视网)来传输。 当数字信号采用断续变化的电压或光脉冲来表示时,一般则需要用双绞线、电缆或光纤介质将通信双方连接起来,才能将信号从一个节点传到另一个节点。


(2)模拟信号与数字信号之间的相互转换


模拟信号和数字信号之间可以相互转换:模拟信号一般通过PCM脉码调制(Pulse Code Modulation)方法量化为数字信号,即让模拟信号的不同幅度分别对应不同的二进制值,例如采用8位编码可将模拟信号量化为2^8=256个量级,实用中常采取24位或30位编码;数字信号一般通过对载波进行移相(Phase Shift)的方法转换为模拟信号。 计算机、计算机局域网与城域网中均使用二进制数字信号,目前在计算机广域网中实际传送的则既有二进制数字信号,也有由数字信号转换而得的模拟信号。但是更具应用发展前景的是数字信号。


信号家族两兄弟


信号是运载消息的工具,是消息的载体。从广义上讲,它包含光信号、声信号和电信号等。例如,古代人利用点燃烽火台而产生的滚滚狼烟,向远方军队传递敌人入侵的消息,这属于光信号;当我们说话时,声波传递到他人的耳朵,使他人了解我们的意图,这属于声信号;遨游太空的各种无线电波、四通八达的电话网中的电流等,都可以用来向远方表达各种消息,这属电信号。人们通过对光、声、电信号进行接收,才知道对方要表达的消息。


在信号这个大家族中,有两兄弟特别引人注目,就是“模拟”和“数字”。


什么是“模拟”?


“模拟”是“数字”的兄长。


“模拟”是对我们生活的实体的一种表达方式。



比如说你在看一本书,白纸黑字映入你的眼帘,在你的大脑中就会有反应,你从书中知道了一些东西,我们说印在纸上的字是一种“模拟”。与此相类似,你用笔在纸上记下的一个电话号码或是写下的一首诗歌,还有刻在石头上的古代碑文,这些都是“模拟”。除了文字以外,我们在生活中还能见到许多“模拟”的东西,比如说一幅风景画,又比如说你在电视上或是电影院的屏幕上看到听到了孩子们的欢歌笑语,你在电话里听到了朋友的声音。


“模拟”需要载体或是信息的存储媒体,比如说一张白纸,又比如说是一盒胶卷。


“模拟”需要工具,比如说你有一台电视机,那么电视机的荧光屏和喇叭都属于模拟设备。


“模拟”需要传播方式,比如说你可以和一个十几米外的朋友说话,但是如果你的朋友在几百公里以外,你就不得不需要电话,电话网通过“模拟信号”将你的声音传到了几百公里甚至几千公里以外。


什么是“数字”?


类似于“模拟”,数字也是我们生活中的实体的一种表达方式。


你可以用笔在纸上记下一个电话号码,也可以把这个电话号码输入你的计算机存储器;你可以看一本印刷成册的书,也可以看存储在CD-ROM中的电子出版物;你可以听收音机播放的音乐,也可以听一盘音乐光盘(CD)。


数字信息的最小度量单位叫做“比特”,有时也叫“位”,意即二进制的一位。在媒体中传输的讯号是以比特的电子形式组成你的数据。



比特的定义是:比特是一种存在的状态:开或关,真或伪,上或下,入或出,黑或白。出于实用的目的,我们把比特想成1或0。


应该说这个定义相当准确,但一个在电脑和英语方面知识程度不高的人仍然没有弄懂“比特”究竟是什么。


“比特”是英语bit一词的音译。bit一词是由binary(二进制的)和digit(数字)两个词压缩而成的,所以bit即“二进制数字”,亦即0和1。“数字时代”准确的意思是“二进制数字时代”或“比特时代”那么这0和1到底是什么意思呢?我们从一个简单的例子说起。


在使用电脑的时候,我们可以根据我们的需要和喜好,通过一些位于显示器底部的旋钮来调节显示图形,在这些旋钮下面,分别写着center(居中度)、size(大小)、brightness(亮度)、contrast(对比度)。这些调节都有一定的可调幅度,我们可能在这个幅度内任意选择哪一种居中度、大小等。除这些旋钮外,还有一个“机关”却不是这样,这个机关的两边分别写着0和1。这就是显示屏的开关。它没有调节幅度,通过它我们只能选择非此即彼的两种状态:开(on)和关(off)。显示屏的亮度、对比度等都有两个极点,在这两个极点之间的“值”是多值性的。而开关的周期只有两个值,即它的两个极点。“进制”的“进”,就是周期所包含的“值”。比如“十进制”数字,就是一个变化周期里包含十个“值”数字。同样道理,二进制数字就是变化周期里包含二个值的数字。我们采用何种“进制”对一种事物的存在状态计数,表面上,要看衡量事物状态的“值”的多少,其实“进制”与事物的状态值并无必然的、唯一的关联。事实上,电脑完全可以用0和1这两个数字将多进制状态的“值”表示或“翻译”出来。数是抽象的,但数的观念却源于人的具体的感觉经验。我们对于十进制计数方法习以为常。当一个人说“一年有12个月”这句话时,他可能觉得“12”这个数字唯一正确地表示了一年的月份数。进而他可能会认为,数字与事物的数量同样都是客观的--除了说一年有12个月,你还能说一年有多少个月?


这是对于数字本质的一种似是而非的看法。极端地说,对于“一年有多少个月”这个问题,可以有很多不同的“答案”。这样说听起来简直荒唐透顶,细究起来却并不然。当我们采用不同进制来表示事物的数量时,我们对事物的数量就可以说出不同的“答案”,而且这些“答案”都是对的。比如可以说一人有65岁,也可说他有01000001岁。只是后一种说法我们听起来相当别扭,因为我们早已习惯了用十进制数字来表达数量。如果采用“六进制”数字(世界上似乎还没有哪个民族采用过这种进制的数字),那么就可以说一年有二“六”个月。如果螃蟹有朝一日进化到与人接近的水平,它们很可能采用“八进制数字”来计数,那么在它们看来,一年就有一“八”又四个月。


这样说并非完全是开玩笑。我只是想说明,“数字”其实并非我们通常所认为的那样“客观”。说到底,它是人对于客观事物的数量的主观映象。


除了“比特”(bit),我们还经常会遇到几个数字信息度量单位。字节(byte)是一种比“比特”更抽象或是高级的度量单位,一般来说,一个字节有8位,即8个比特。还有三个缩写,“K”、“M”和“G”。1K=1024,在中文里我们通常叫它“千”;1M=1024×1K,在中文里我们通常叫它“兆”;1G=1024×1M,在中文里我们通常叫它“千兆”或者“吉”。


比特(位)通常用于数据在网络上传输的情况下,比如我们一般都说这条电话线一秒钟可以传送9600比特的二进制流,而不是说1200字节。字节通常用在数据的存储系统中,比如说这个文件的大小是2M,这里指的是字节而不是比特,又比如是1.44M软盘、20G硬盘,指的也是字节。


模拟信号和数字信号有着很大的区别。模拟信号是用连续变化的数值来表示要说明的信息;数字信号是用有限个“0”和“1”的代码来表示信息中某一个字符,当很多字符组合起来时,才能表达完整的信息。


来源:电子工程师笔记

最主要的区别是:数字信号具有离散性,模拟信号具有连续性。


数字信号是指用0.1.2......的数字来表达的信号,在信号的大小和时间上都是离散的。数字比模拟图象清晰,传输不易受干扰,运用也更为广泛。



简单说,数字信号只有“0”和“1”两种状态,摸拟信号则可以是任意数值状态。


数字信号是数字化的,在计算机系统中,CPU只认识“0”和“1”两个数字,所以数字信号需要由“0”和“1”构成的二制数来表示。而摸拟信号则是连续变化的物理量,它的频率、幅度、相位都可以随着时间连续的变化。


什么是数字信号



数字信号只有“0”和“1”,我们把“0”对应为低电平,把“1”对应为高电平。大家都听过集成电路是由大规模的晶体管组成的吧?这种晶体管组成的逻辑就是TTL(Transistor-Transistor Logic)了。在这种处理数字信号的电路中,需要定好一个规则:>2.4V为高电平(H);<0.4V为低电平(L)。规则定好后,通讯和数据的的处理,我们只认高电平(H)=1和低电平(L)=0了。


一个高电平(H)代表“1”,一个低电平(L)代表“0”,两个高电平(H)代表“11”,两个低电平(L)代表“00”,如此类推。因为这个高电平或者低电平的宽度不是固定的,可以长,也可以短,一个连续的高电平,是区分不出是一个“1”,还是多个“1”的。所以还需要引入时钟同步信号。时钟信号由固定宽度的高低电平形成,在时钟信号的电平由高变为低时,如果数字信号是高,那就是“1”了,反之则为“0”。由此可见数据传速和处理的速度由时钟信号的频率决定的,这就是我们平常所说的CPU主频了,频率越高,处理速度就越快了。



所以数字信号是:在取值上是离散的、不连续的信号。


什么是摸拟信号


摸拟信号它是一个连续变化的物理量,比如温度、电流、电压、压力等这些信号,它可以很小,也可以很大,它的数值是无限的。


在现实现生活中的各种物理量,就像我们说话的声音,其实它就是一个摸拟的信号。摸拟信号有着精确的分辨率,信号处理也简单,可以直接通过三极管或者运放来进行放大处理。但摸拟信号很容易受到干扰,受干扰后的摸拟信号就难以还原了,所以我们一般都会将输入的摸拟量信号进行数字化,再进行计算机处理和传输。


摸拟信号与数字信号的转换


摸拟信号转化为数字信号需要进行采样和量化两个过程。把采样到的摸拟信号值根据一定的规则是把它量化为一个固定的数值。



再举一个简单的例子:把0~5V的电压传化为数字信号


首先我们要定好规则:数值0代表0V电压,数值1023代表5V电压,为什么是1023代表5V呢?这就是量化的精度了,我们也可以定2047=5V,这样精度就更高。


这样就得到:0.0049V=1;0.0098V=2;0.0147V=3;如此类推。



同理,数字信号也是可以转换为摸拟信号的,只是过程相反,比如,数字MP3的歌曲经过数字解码后,最后也得转换为摸拟信号才可以通过扬声器发美妙的声音。例如LED的调光,也是一个数字信号转换为摸拟信号经典实例,通过不同占空比的PWM数字信号去控制RGB LED的颜色比例,就可以得到“无限”等级的亮度和颜色了。当然这里所说的“无限”也是有一定的精度限制的。



来源:电子产品设计方案

什么是数字信号?按照我们通常的定义,数字信号是指幅度和时间都离散的信号叫“数字信号”。而很多书里面也说处理数字信号的电路就是数字电路,其实真的是这样吗?


数字信号看似一个非常常规而成熟的概念,其实含有很大的混淆。今天就来大概谈谈这个概念,和大家讨论。


什么叫信号?


首先要讨论一个问题 —— 什么叫信号(Signal)?按照信号与系统的定义,信号是传递有关一些现象的行为或属性的信息的函数,这个函数通常自变量是时间或者是位置。随着时间连续变化的信号,被定义为模拟信号;而不是随着时间连续变化,也就是间隔一段时间(通常为固定周期)变化的信号,其实就是离散时间信号。


如果离散时间信号只有有限个取值的,就是数字信号。所以我们谈数字信号,实际上谈的是信号本身的一种属性或者数学上的特征。如果抽象的来谈信号,其实就是一个数学上的函数的概念。一个数(自变量)与数(因变量)的关系。


但从另外一方面来讲,信号是必须有载体的,是要有物理的现成才能把信号表示出来。现实世界的物理现象(宏观上的)如果以时间为自变量,那么绝大部分都可以表示成某种物理量的变化过程。而这种变化过程中,时间是连续变化的而物理量也是连续变化的,这显然是一种模拟信号。例如温度的变化、飞机速度的变化等等。


自然界有没有天生的数字信号?应该是没有的。但是应该是极其特定的条件下有天生的离散时间信号。一个匀速跳跃的青蛙,它的位移量应该是一个离散时间信号……



信号的记录和处理


如果我们要对这些信号加以记录和处理,我们应该是先把这些信号转变为电信号。这个转换的过程就叫做“传感”,执行这个过程的器件叫做传感器,传感器把某种物理量转变成了以电压或者电流表示的信号。这个信号是对现实世界物理量的“复刻”或者说“再现”,因此这个也符合模拟信号的特点。


我们也知道我们要把模拟信号用数字信号处理的办法来求解,是要把模拟信号用数字信号来表示。那么第一步就是要把模拟信号由时间上连续变为时间上离散的,大家都知道这个过程叫做采样。采样完了的信号时间上是离散的,间隔了若干周期才变化,但是因变量的取值仍然是随意的。


那么在接下来的过程中,通过把这些因变量映射到固定的数值上去,这个过程上叫量化。但是这个量化,在实际的物理过程上就有问题了。按理说量化完了,这个信号就已经是自变量也离散,因变量也离散了,最后就应该是数字信号了?


但是为什么我们的AD转换过程应该三步:采样、量化、编码啊(严格说来是四步:采样、保持、量化、编码,但是这个保持的过程是做ADC电路设计时候才考虑的)。这就涉及到一个问题:那就是数字信号的“表征”问题。


既然数字信号是自变量和应变量都是离散的,想到最直观的就是用一个有有限个幅度值的脉冲信号来表征它。比如1就是1V,2就是2V,3就是3V……事实上,在数模转换中,我们其实是把常规的数字信号转换成了这种类型的脉冲。


但我们在真实的系统中并没有用这种方法来表征数字信号,而是采用了的一套二进制的数值系统来表征这个数字信号。这个二进制的数值系统是采用多个二值信号+权重的方式来表示数值的。


所以我们知道了,编码的过程,本质上是将数字信号转换为以特定的二进制数值系统表征的过程。当然,也可以考虑将其转换为多进制(如苏联大力研制的三进制)或者其它体系的数值系统(如余数系统、随机数等)。


而所谓的“数字信号处理”,实际上是对已经被某种数值系统表示出来的数字信号加以计算。本质上是在用“数值计算”的方法来处理,常规的“数值计算”自然是二进制的加减运算了。而如果表示为非常规的数值系统,其实也可以做数值计算。比如余数系统就是前几年大热的一种数值系统,很多做信号处理电路的人是在这个层面上做创新。


回过头来说,构成这个二进制数值系统的根基,是二值化的特定信号。这种信号显然是一种数字信号(时间上离散,取值只有两种),所以大家讲数字信号的时候往往是在讲这种信号,但这并不是数字信号的全部。恰恰又是我们通常以这种二值信号为基础构建的二进制数值系统来表征了数字信号,从而产生了概念上的混淆。


来源:eepw


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