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模拟信号

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模拟信号(英语:Analog Signal)是指在时域上数学形式为连续函数信号。与模拟信号对应的是数字信号,后者采取分立的逻辑值,而前者可以获取连续值。模拟信号的概念常常在涉及的领域中被使用,不过经典力学水力学空气动力学Pneumatic)等学科有时也会使用模拟信号的概念。

概述

模拟信号利用对象的一些物理属性来表达、传递信息。例如,非液体气压表利用指针螺旋位置来表达压力信息。在电学中,电压是模拟信号最普遍的物理介质,除此之外,频率电流电荷也可以被用来表达模拟信号。

任何的信息都可以用模拟信号来表达。这里的信号常常指物理现象中被测量对变化的响应,例如声音、光、温度、位移、压力,这些物理量可以使用传感器测量。模拟信号中,不同的时间点位置的信号值可以是连续变化的;而对于数字信号,不同时间点的信号值总是处于预先设置的离散点,因此如果物理量的真实值不能在这些默认值中被找到,那么这时数字信号就与真实值存在一定的偏差。

分辨率

理论上,模拟信号的分辨率趋近无穷大。不过在实际情况中,模拟信号的分辨率常常会受噪声和信号摆率(Slew Rate)的限制。因此,现实中的模拟信号和数字信号的分辨率和带宽都有一定的限制。在一些非常复杂的模拟系统中,诸如非线性问题和噪声等效应会降低模拟信号的分辨率,以至于此时它的分辨率甚至低于特定的数字信号系统。类似的,当数字系统变得复杂时,数字数据流里会产生错误。在实际的系统中,往往需要综合应用两种形式的信号,从而使系统获得最好的工作性能。

优点

模拟信号的主要优点是其精确的分辨率,在理想情况下,它具有无穷大的分辨率。[1]与数字信号相比,模拟信号的信息密度更高。[2]由于不存在量化误差,它可以对自然界物理量的真实值进行尽可能逼近的描述。

模拟信号的另一个优点是,当达到相同的效果,模拟信号处理比数字信号处理更简单。模拟信号的处理可以直接通过模拟电路组件(例如运算放大器等)实现,[3]而数字信号处理往往涉及复杂的算法,甚至需要专门的数字信号处理器

缺点

模拟信号的主要缺点是容易受到噪声(信号中不希望得到的随机变化值)的影响。信号被多次复制,或进行长距离传输之后,这些随机噪声的影响可能会变得十分显著。在电学里,使用接地屏蔽(Shield)、线路良好接触、使用同轴电缆双绞线,可以在一定程度上缓解这些负面效应。[4]

噪声效应会使信号产生有损,有损后的模拟信号几乎不可能再次被还原,因为对所需信号的放大会同时对噪声信号进行放大。如果噪声频率与所需信号的频率差距较大,可以通过引入电子滤波器[5]过滤掉特定频率的噪声,但是这一方案只能尽可能地降低噪声的影响。因此,在噪声在作用下,虽然模拟信号理论上具有无穷分辨率,但并不一定比数字信号更加精确。

尽管数字信号处理算法相对复杂,但是现有的数字信号处理器可以快速地完成这项任务。[6]电脑等系统逐渐普及也使得数字信号的传播和处理变得更加方便。诸如照相机等设备都逐渐实现数字化,尽管它们最初必须以模拟信号的形式接收真实物理量的信息,最后都会通过模拟数字转换器转换为数字信号,以方便电脑进行处理,或通过互联网进行传输。

将模拟信号数字化的理由

此章节未列出参考或来源。
  • 模拟系统较容易受到噪声的影响,而数字系统则较不易受噪声影响。并且,对于长距离传输,可以在路径上的任何位置,无误差的重新产生和原始信号相同的信号,并且传输通过该位置后所剩下的距离。
  • 在模拟系统中,要在相同传输架构下集成不同的服务相对数字系统更加困难。所以,实务上,我们一般以数字方式呈现影像以及声音。
  • 数字传输系统不须因信号源的性质而有所改变。例如,数字传输系统可以用10kbps的速率来传输声音或者传输电脑信息,而这是模拟系统不易达成的。
  • 处理模拟信号的电路较不容易复制,并且数字电路对于温度或震动等的影响较不敏感。
  • 我们很容易描述数字信号的特征,而且一般数字信号的幅度范围与变化都比模拟信号来的更小,所以从硬件设计的角度来看,更加容易。

虽然,几乎所有的传递介质,例如电缆、无线电波、光纤等,应用在数字或模拟信号上都可以,但是数字技术相较于模拟技术,可以更有效的利用这些介质,例如以下所说的方法,更容易应用在数字技术:

  • 介质分享策略,例如说多任务技术,应用于数字传输比起模拟传输更加容易。
  • 有许多技术,例如对信号源的编码,可以很好地移除在数字传输系统中的累赘信息,降低真正的传输信息量,节省带宽。
  • 有许多技术,例如波道编码,可以将累赘信息加到数字传输中,达到校正接收器端的传输误差的效果。
  • 数字技术相较于模拟技术,更容易制定出严谨的全球标准与规范。标准与规范可以保证我们即使不同的制造商生产出不同特性的通信组件,他们之间仍可以有一定的互通性。
  • 其他技术,如等化效应之波道补偿技术,相较于模拟传输,也更容易应用在数字传输技术上。

调制

利用信号的调变技术,可以将信号转换成所需要的不同性质的模拟信号。例如,可以对正弦载波进行调幅调频来达到特殊的工作目的。

参见

参考文献

  1. ^ "Digital Signal Processing: Instant access." Butterworth-Heinemann – Page 3
  2. ^ "Concise Dictionary of Computing." Penguin Reference – Penguin Books – pages 11–12.
  3. ^ "Digital Signal Processing: Instant access." Butterworth-Heinemann – pages 2–3
  4. ^ 章亚明. 嵌入式控制系统应用设计. 北京: 北京邮电大学出版社. 2010年. ISBN 978-7-5635-2359-7. 
  5. ^ 童诗白、华成英 主编. 模拟电子技术基础(第四版). 高等教育出版社. ISBN 978-7-04-018922-3. 
  6. ^ Andrew Bateman, Iain Paterson-Stephens. DSP算法、应用与设计(英文名:Algorithms, Applications and Design Techniques). 机械工业出版社. 2003. ISBN 7-111-12204-6. 
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