模擬信號數(shù)字化及優(yōu)缺點(diǎn)

模擬信號數(shù)字化

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基本步驟。

采樣是對連續(xù)信號在時間上進(jìn)行離散，即按照特定的時間間隔在原始的模擬信號上逐點(diǎn)采集瞬時值。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際電路的要求就更高，也會給帶來大量的計算與存儲。

采樣頻率過低會導(dǎo)致信息丟失，嚴(yán)重時導(dǎo)致信息失真，無法使用。采取其瞬時值后要在原位置保持一段時間，這樣形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，這個最小單位也被稱為模數(shù)轉(zhuǎn)換器的量化單位。每個采樣值代表一次采樣所獲得模擬信號的瞬時幅度。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現(xiàn)，通過借助一定的電路，可以將量化后的離散信號轉(zhuǎn)換為對應(yīng)的數(shù)字信號。

信號優(yōu)缺點(diǎn)

模擬信號的主要優(yōu)點(diǎn)是其精確的分辨率，在理想情況下，它具有無窮大的分辨率。與數(shù)字信號相比，模擬信號的信息密度更高。由于不存在量化誤差，它可以對自然界物理量的真實值進(jìn)行盡可能逼近的描述。模擬信號的另一個優(yōu)點(diǎn)是，當(dāng)達(dá)到相同的效果，模擬信號處理比數(shù)字信號處理更簡單。模擬信號的處理可以直接通過模擬電路組件(例如運(yùn)算放大器等)實現(xiàn)，而數(shù)字信號處理往往涉及復(fù)雜的算法，甚至需要專門的數(shù)字信號處理器。

模擬信號的主要缺點(diǎn)是它總是受到雜訊(信號中不希望得到的隨機(jī)變化值)的影響。信號被多次復(fù)制，或進(jìn)行長距離傳輸之后，這些隨機(jī)噪聲的影響可能會變得十分顯著。在電學(xué)里，使用接地屏蔽(shield)、線路良好接觸、使用同軸電纜或雙絞線，可以在一定程度上緩解這些負(fù)面效應(yīng)。噪聲效應(yīng)會使信號產(chǎn)生有損。有損后的模擬信號幾乎不可能再次被還原，因為對所需信號的放大會同時對噪聲信號進(jìn)行放大。如果噪聲頻率與所需信號的頻率差距較大，可以通過引入電子濾波器，過濾掉特定頻率的噪聲，但是這一方案只能盡可能地降低噪聲的影響。因此，在噪聲在作用下，雖然模擬信號理論上具有無窮分辨率，但并不一定比數(shù)字信號更加精確。盡管數(shù)字信號處理算法相對復(fù)雜，但是現(xiàn)有的數(shù)字信號處理器可以快速地完成這一任務(wù)。另外，計算機(jī)等系統(tǒng)的逐漸普及，使得數(shù)字信號的傳播、處理都變得更加方便。諸如照相機(jī)等設(shè)備都逐漸實現(xiàn)數(shù)字化，盡管它們最初必須以模擬信號的形式接收真實物理量的信息，最后都會通過模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，以方便計算機(jī)進(jìn)行處理，或通過互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行傳輸。