一篇讓你看懂?dāng)?shù)字信號模擬信號

數(shù)電模電是電子信息類專業(yè)的專業(yè)基礎(chǔ)課。但是由于比較難，所以很多人學(xué)的并不是很好，今天阿斌就來帶大家先簡單的了解一下數(shù)電模電，后面會出一個系列關(guān)于數(shù)字信號的處理和DSP技術(shù)，大家敬請期待，點贊關(guān)注不迷路，下面正式開始！

一、信號是什么？

信號是信息傳遞的載體，是信息的物理表現(xiàn)形式。信號可以表現(xiàn)為多種形式，如電信號、磁信號、聲信號、光信號、熱信號等。

信號在數(shù)學(xué)上可表示為一個或多個自變量的函數(shù)，或表示成一個或幾個獨立變量的函數(shù)。

數(shù)字信號：時間上離散的信號，通過電壓脈沖的變化來表示要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)。計算機(jī)處理的信號是數(shù)字信號。

模擬信號：指用連續(xù)變化的物理量表示的信息，其信號的幅度，或頻率，或相位隨時間作連續(xù)變化，或在一段連續(xù)的時間間隔內(nèi)，其代表信息的特征量可以在任意瞬間呈現(xiàn)為任意數(shù)值的信號。

二、信號的分類

信號可以從不同角度進(jìn)行分類，下面列舉幾個不同的分類方式。

1、按照自變量個數(shù)分：可以分為一維信號、二維信號、多維信號。信號的自變量可以是時間、頻率、空間位置、或者其他物理量。如聲音信號就可以看作以微信號；圖像信號可以看做二維信號；

2、按照信號取值是否確定分：周期信號：若信號滿足f（t） = f（t+mT），m = 。。。-3，-2，-1，0，1，2，3.。?；蛘遞（k） = f（k+mN），m = 。。。-3，-2，-1，0，1，2，3.。。則信號為周期信號，否則為費周期信號。

3、按照信號取值是否確定不變分：確定信號：信號在任意時刻的取值都是精確確不變的；不確定信號：信號在任意時刻的取值都是不能確定的而是隨機(jī)變化的；

4、按照信號的能量有限分：能量信號、功率信號。

5、按照自變量和幅度連續(xù)或離散分：模擬信號、離散時間信號、數(shù)字信號。

三、模擬信號

在連續(xù)時間范圍內(nèi)有定義且幅值也連續(xù)的信號稱為連續(xù)時間信號，連續(xù)時間信號也稱為模擬信號。 如果用數(shù)學(xué)函數(shù)表示信號，則模擬信號是自變量和因變量都可以連續(xù)取值的信號。 如果用函數(shù)x（t）來表示一維模擬信號，其中t表示自變量，則模擬信號x（t）的可以在自變量內(nèi)取到任意值，且函數(shù)x（t）也可以在值域范圍內(nèi)連續(xù)取值；

模擬信號存在于生活中的各個角落，如溫度的變化，聲音信號等。 但是大家有沒有想過模擬信號為什么叫模擬信號呢？為什么不叫連續(xù)信號或者其他的名字呢？其實我也不知道［手動狗頭］ 開個玩笑，關(guān)于他為什么叫模擬信號目前比較能接受的一個說法就是：

把被測參量的物理變化用電信號來模擬，然后變換為標(biāo)準(zhǔn)的輸出形式，發(fā)生給執(zhí)行測控的電路去做進(jìn)一步的處理。 將模擬信號的幅度離散，即幅度取離散的值，而時間取連續(xù)的值，由此得到的信號稱為量化信號，量化信號的圖像如下圖所示：

四、數(shù)字信號

首先數(shù)字信號和模擬信號最大的一個區(qū)別就是數(shù)字信號不是連續(xù)的，即數(shù)字信號是離散的； 自然界中的數(shù)字信號的例子實在是太少了，因為很多的事物或者信號都是連續(xù)的，不連續(xù)的自然信號少之又少，盡管如此，數(shù)字信號在我們的生活中還是存在的，比如數(shù)字有線電視信號，手機(jī)信號，寬帶信號等都是數(shù)字信號。 只有0和1的信號是不是數(shù)字信號？

數(shù)字信號是不是只有0和1？如果這個問題放在最開始，估計會有很多人回答錯誤，但是上面我們已經(jīng)介紹過數(shù)字信號和模擬信號了，相信小伙伴們已經(jīng)不會再回答錯誤了！ 首先數(shù)字信號是只有0和1嗎？答案很明顯不是，如下圖這個數(shù)字信號，就不只是有0和1，數(shù)字信號的關(guān)鍵在于他的離散性，而不是在他的取值范圍上。

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)字信號抗干擾能力強(qiáng)、通信的保密性好算法復(fù)雜

模擬信號分辨率高保密性差、抗干擾能力弱

優(yōu)點缺點

數(shù)字信號一般以“1.0”的方式進(jìn)行傳播的，比如規(guī)定0.8V～1.3V之間的電平為高電平，雖然高電平被干擾信號疊加，但是仍然在這個門限以內(nèi)，一樣會被識別為1，而不會被識別為0。在經(jīng)過放大之后，干擾信號就會被剔除，信號會重新生成標(biāo)準(zhǔn)信號。

五、數(shù)字信號的處理

實際生產(chǎn)生活中的各種物理量，如攝相機(jī)攝下的圖像、錄音機(jī)錄下的聲音、車間控制室所記錄的壓力、流速、轉(zhuǎn)速、濕度等等都是模擬信號。 數(shù)字信號是在模擬信號的基礎(chǔ)上經(jīng)過采樣、量化和編碼而形成的。換句話說，就是把輸入的模擬信號按一定的時間間隔得到各個時刻的樣本值。

再把經(jīng)采樣測得的各個時刻的值用二進(jìn)碼制來表示，編碼則是把時間化生成的二進(jìn)制數(shù)排列在一起形成順序脈沖序列。 實際中遇到的信號大多為模擬信號，模擬信號可以經(jīng)過加法器、乘法器和邏輯元件的數(shù)字硬件或?qū)Ｓ?a target="_blank">微處理器進(jìn)行處理。

說明： （1）模擬低通濾波器是模擬系統(tǒng)，通過對輸人的模擬信號進(jìn)行處理，輸出模擬信號; （2）取樣是對連續(xù)時間信號的時間離散化; （3）保持是將取出的時間離散信號維持一段時間不變; （4） A/D變換器是將離散信號的幅度變?yōu)閿?shù)字信號; （5） D/A變換器是將數(shù)字信號變?yōu)闀r間連續(xù)的階梯信號的系統(tǒng)，階梯信號再通過低通模擬濾波器就可以得到復(fù)制平滑的模擬信號了；

六、數(shù)字信號處理的實現(xiàn)方法

數(shù)字信號處理總體上可以分為通過軟件、通過硬件、軟件硬件結(jié)合的方式實現(xiàn)，具體方法如下：

圖五：數(shù)字信號處理過程

1、通過軟件實現(xiàn) 在計算機(jī)上使用通用軟件實現(xiàn)對數(shù)字信號的處理。列入使用MATLAB軟件進(jìn)行數(shù)字信號處理。這種方法慢，一般用于處理算法模擬。

2、專用加速處理方式 借助軟件開發(fā)工具和開發(fā)語言設(shè)計出處理軟件。這種系統(tǒng)專用性較強(qiáng)，開發(fā)成本大。

3、軟硬結(jié)合處理 采用數(shù)字信號處理器結(jié)合嵌入式軟件進(jìn)行數(shù)字信號處理。列入采用TMS320C55XX進(jìn)行數(shù)字語音信號處理，這種方法使用廣泛。也可以使用單片機(jī)進(jìn)行處理，但是只能處理不太復(fù)雜的數(shù)字信號。

4、硬件方法 采用數(shù)字集成電路實現(xiàn)數(shù)字信號的處理，列入數(shù)字集成電路實現(xiàn)語音編解碼，用FPGA實現(xiàn)數(shù)字調(diào)制，此方法專用性較強(qiáng)。

七、數(shù)字信號處理的應(yīng)用

在各種高新技術(shù)發(fā)展的今天，數(shù)字信號處理在生活中得到了廣泛應(yīng)用?；跀?shù)值數(shù)據(jù)通訊的互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用非常廣泛，在互聯(lián)網(wǎng)中傳輸?shù)氖菙?shù)字信號，信號在傳輸和轉(zhuǎn)化過程中經(jīng)過壓縮、編碼等數(shù)字處理，也可以以數(shù)字方式儲存。 數(shù)字信號處理在數(shù)字語音、汽車多媒體、MP3/MP4/MP5、數(shù)字掃面儀、數(shù)字電視機(jī)頂盒、醫(yī)院監(jiān)視系統(tǒng)、生物指紋系統(tǒng)等領(lǐng)域都有大量應(yīng)用。

數(shù)碼相機(jī)、數(shù)字電視、數(shù)字計算機(jī)都是數(shù)字信號的處理系統(tǒng)。數(shù)碼相機(jī)將外界的模擬圖像變換成數(shù)字圖像，根據(jù)一定的數(shù)字壓縮算法處理，獲得占用存儲空間較小的數(shù)字文檔。 數(shù)字電視則是將模擬視頻轉(zhuǎn)換為數(shù)字視頻后進(jìn)行數(shù)字壓縮編碼，再經(jīng)過數(shù)字廣播發(fā)送出去，接收方獲得數(shù)字電視信號后再進(jìn)行逆變換。

計算機(jī)中的文檔、表格、圖片、歌曲、視頻等多媒體都是經(jīng)過數(shù)字處理的結(jié)果。這些文檔、表格等媒體是在專用的處理軟件或編碼方法下進(jìn)行，可以存儲、傳輸、編輯、轉(zhuǎn)化等并可以通過輸出設(shè)備進(jìn)行輸出。 另外，數(shù)字語音中的語音分析、合成、識別、增強(qiáng)、編碼，數(shù)字圖像中圖像的增強(qiáng)、恢復(fù)、去噪、壓縮，都需要用到數(shù)字信號處理。

編輯：jq