模擬信號(hào)數(shù)字化

模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)需要經(jīng)過(guò)信號(hào)的采樣、信號(hào)的保持、信號(hào)的量化與信號(hào)的編碼四個(gè)基本步驟。

采樣是對(duì)連續(xù)信號(hào)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(hào)上逐點(diǎn)采集瞬時(shí)值。從效果來(lái)看，采樣頻率越高，所得的離散信號(hào)就越接近原始的模擬信號(hào)，但采樣頻率過(guò)高則對(duì)實(shí)際電路的要求就更高，也會(huì)給帶來(lái)大量的計(jì)算與存儲(chǔ)。

采樣頻率過(guò)低會(huì)導(dǎo)致信息丟失，嚴(yán)重時(shí)導(dǎo)致信息失真，無(wú)法使用。采取其瞬時(shí)值后要在原位置保持一段時(shí)間，這樣形成的鋸齒型波信號(hào)提供給后續(xù)信號(hào)量化。對(duì)采集得到的離散信號(hào)進(jìn)行量化是將特定幅度的信號(hào)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(hào)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(guò)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(huì)再現(xiàn)，通常稱這種誤差為量化噪聲。通?？梢酝ㄟ^(guò)增加量化位數(shù)來(lái)降低這種量化誤差，但當(dāng)信號(hào)幅度降低到一定值后，量化噪聲與原始模擬信號(hào)之間的相關(guān)性就更加明顯。對(duì)量化后的離散信號(hào)進(jìn)行編碼是模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)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)，通過(guò)借助一定的電路，可以將量化后的離散信號(hào)轉(zhuǎn)換為對(duì)應(yīng)的數(shù)字信號(hào)。

信號(hào)優(yōu)缺點(diǎn)

模擬信號(hào)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(wú)窮大的分辨率。與數(shù)字信號(hào)相比，模擬信號(hào)的信息密度更高。由于不存在量化誤差，它可以對(duì)自然界物理量的真實(shí)值進(jìn)行盡可能逼近的描述。模擬信號(hào)的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是，當(dāng)達(dá)到相同的效果，模擬信號(hào)處理比數(shù)字信號(hào)處理更簡(jiǎn)單。模擬信號(hào)的處理可以直接通過(guò)模擬電路組件(例如運(yùn)算放大器等)實(shí)現(xiàn)，而數(shù)字信號(hào)處理往往涉及復(fù)雜的算法，甚至需要專門的數(shù)字信號(hào)處理器。

模擬信號(hào)的主要缺點(diǎn)是它總是受到雜訊(信號(hào)中不希望得到的隨機(jī)變化值)的影響。信號(hào)被多次復(fù)制，或進(jìn)行長(zhǎng)距離傳輸之后，這些隨機(jī)噪聲的影響可能會(huì)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(huì)使信號(hào)產(chǎn)生有損。有損后的模擬信號(hào)幾乎不可能再次被還原，因?yàn)閷?duì)所需信號(hào)的放大會(huì)同時(shí)對(duì)噪聲信號(hào)進(jìn)行放大。如果噪聲頻率與所需信號(hào)的頻率差距較大，可以通過(guò)引入電子濾波器，過(guò)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(hào)理論上具有無(wú)窮分辨率，但并不一定比數(shù)字信號(hào)更加精確。盡管數(shù)字信號(hào)處理算法相對(duì)復(fù)雜，但是現(xiàn)有的數(shù)字信號(hào)處理器可以快速地完成這一任務(wù)。另外，計(jì)算機(jī)等系統(tǒng)的逐漸普及，使得數(shù)字信號(hào)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(shí)現(xiàn)數(shù)字化，盡管它們最初必須以模擬信號(hào)的形式接收真實(shí)物理量的信息，最后都會(huì)通過(guò)模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，以方便計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理，或通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行傳輸。