數(shù)字信號指自變量是離散的、因變量也是離散的信號，這種信號的自變量用整數(shù)表示，因變量用有限數(shù)字中的一個數(shù)字來表示。在計(jì)算機(jī)中，數(shù)字信號的大小常用有限位的二進(jìn)制數(shù)表示。

中文名

數(shù)字信號

外文名

Digital Signal

應(yīng)用領(lǐng)域

網(wǎng)絡(luò)，通信狀態(tài)表示

0、1

特????征

自變量是離散的、因變量也是離散的信號

優(yōu)????點(diǎn)

抗干擾的能力特別強(qiáng)

數(shù)字信號簡介

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語音

信息化時代已經(jīng)不告而至，我們時時刻刻被各種各樣的信號包圍，信號的本質(zhì)是表示消息(信息)的物理量，如常見的正弦電信號中，如果是不同的幅度、不同的頻率，或不同相位則表示不同的消息(信息)。以信號為載體的數(shù)據(jù)可表示現(xiàn)實(shí)物理世界中的任何信息，如文字符號、語音圖像等，從其特定的表現(xiàn)形式來看，信號可以分為：模擬信號和數(shù)字信號。[1]

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(shí)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。[1]

數(shù)字信號與離散時間信號的區(qū)別在因變量。離散時間信號的自變量是離散的、因變量是連續(xù)的，其自變量用整數(shù)表示，因變量用于物理量大小相對應(yīng)的數(shù)字表示。離散時間信號的大小用有限位二進(jìn)制數(shù)表示后，就是數(shù)字信號。

數(shù)字信號優(yōu)點(diǎn)

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語音

數(shù)字信號的優(yōu)點(diǎn)很多，首先是它抗干擾的能力特別強(qiáng)，它不但可以用于通訊技術(shù)，而且還可以用于信息處理技術(shù)，時髦的高保真音響、高清晰度電視、VCD、DVD激光機(jī)都采用了數(shù)字信號處理技術(shù)。其次，我們使用的電子計(jì)算機(jī)都是數(shù)字的，它們處理的信號本來就是數(shù)字信號。在通訊上使用了數(shù)字信號，就可以很方便地將計(jì)算機(jī)與通訊結(jié)合起來，將計(jì)算機(jī)處理信息的優(yōu)勢用于通訊事業(yè)。如電話通訊中采用了程控?cái)?shù)字交換機(jī)，用計(jì)算機(jī)來代替接線員的工作，不僅接線迅速準(zhǔn)確，而且占地小、效率高，省去不少人工和設(shè)備，使電話通訊產(chǎn)生了一個質(zhì)的飛躍。再次，數(shù)字信號便于存儲，現(xiàn)在流行的CD、MP3唱盤，VCD、DVD視盤及電腦光盤都是用數(shù)字信號來存儲的信息。此外，數(shù)字通信還可以兼容電話、電報(bào)、數(shù)據(jù)和圖像等多類信息的傳送，能在同一條線路上傳送電話、有線電視、多媒體等多種信息。數(shù)字信號還便于加密和糾錯，具有較強(qiáng)的保密性和可靠性。

由于數(shù)字信號是用兩種物理狀態(tài)來表示0和1的，故其抵抗材料本身干擾和環(huán)境干擾的能力都比模擬信號強(qiáng)很多；在現(xiàn)代技術(shù)的信號處理中，數(shù)字信號發(fā)揮的作用越來越大，幾乎復(fù)雜的信號處理都離不開數(shù)字信號；或者說，只要能把解決問題的方法用數(shù)學(xué)公式表示，就能用計(jì)算機(jī)來處理代表物理量的數(shù)字信號。[2]

在數(shù)字電路中，數(shù)字信號只有0、1兩個狀態(tài)，它的值是通過中央值來判斷的，在中央值以下規(guī)定為0，以上規(guī)定為1，所以即使混入了其他干擾信號，只要干擾信號的值不超過閡值范圍，就可以再現(xiàn)出原來的信號。即使因干擾信號的值超過閡值范圍而出現(xiàn)了誤碼，只要采用一定的編碼技術(shù)，也很容易將出錯的信號檢測出來并加以糾正因此，與模擬信號相比，數(shù)字信號在傳輸過程中具有更高的抗干擾能力，更遠(yuǎn)的傳輸距離，且失真幅度小。

數(shù)字信號在傳輸過程中不僅具有較高的抗干擾性，還可以通過壓縮，占用較少的帶寬，實(shí)現(xiàn)在相同的帶寬內(nèi)傳輸更多、更高音頻、視頻等數(shù)字信號的效果。此外，數(shù)字信號還可用半導(dǎo)體存儲器來存儲，并可直接用于計(jì)算機(jī)處理。若將電話、傳真、電視所處理的音頻、文本、視頻等數(shù)據(jù)及其他各種不同形式的信號都轉(zhuǎn)換成數(shù)字脈沖來傳輸，還有利于組成統(tǒng)一的通信網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)今天各界人士和電信工業(yè)者們極力推崇的綜合業(yè)務(wù)數(shù)字網(wǎng)絡(luò)(IS-DN)。從而為人們提供全新的，更靈活、更方便的服務(wù)。正因?yàn)閿?shù)字信號具有上述突出的優(yōu)點(diǎn)，它正在迅速而且已經(jīng)取得了十分廣泛的應(yīng)用。

數(shù)字信號模擬信號與數(shù)字信號的轉(zhuǎn)換

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數(shù)字信號模擬信號

模擬信號信號波形模擬隨著信息的變化而變化，模擬信號其特點(diǎn)是幅度連續(xù)(連續(xù)的含義是在某一取值范圍內(nèi)可以取無限多個數(shù)值)。模擬信號，其信號波形在時間上也是連續(xù)的，因此它又是連續(xù)信號。模擬信號按一定的時間間隔T抽樣后的抽樣信號，由于其波形在時間上是離散的，但此信號的幅度仍然是連續(xù)的，所以仍然是模擬信號。電話、傳真、電視信號都是模擬信號。

信號抽樣后時間離散，但輻值不離散。常見的抽樣信號是周期矩形脈沖和周期沖激脈沖抽樣。模擬信號在整個時間軸上都是有定義的，在“沒有幅值”的區(qū)域的意義是幅值為零。而離散時間信號只在離散時刻上才有定義，其他地方?jīng)]有定義，和幅值為零是不同概念，這兩種信號在時間軸看上去很相似，其實(shí)是以不同類型的系統(tǒng)為基礎(chǔ)的兩種有本質(zhì)區(qū)別的信號。直觀的說，離散時間信號的橫軸可以認(rèn)為已經(jīng)不代表時間了。

數(shù)字信號模擬信號到數(shù)字信號

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(shí)際電路的要求就更高，也會給帶來大量的計(jì)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，這樣行成的鋸齒型波信號提供給后續(xù)信號量化。[1]

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(shí)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。[1]

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(shí)現(xiàn)，將量化后的離散信號轉(zhuǎn)換為對應(yīng)的數(shù)字信號。[1]

模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號處理過程

數(shù)字信號數(shù)字信號到模擬信號

數(shù)字信號轉(zhuǎn)換為模擬信號更為簡單易懂。實(shí)際上，數(shù)模轉(zhuǎn)換可以看成是對數(shù)字信號譯碼，數(shù)模轉(zhuǎn)換是將輸入的二進(jìn)制數(shù)按其實(shí)際權(quán)值轉(zhuǎn)換成對應(yīng)的模擬量，然后將各個位數(shù)對應(yīng)得到的模擬量相加，得到的總模擬量就與輸入的數(shù)字量成正比，這就實(shí)現(xiàn)了數(shù)字信號到模擬信號的轉(zhuǎn)換。[1]

數(shù)字信號相關(guān)技術(shù)

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語音

數(shù)字信號處理器是一種專業(yè)的信號處理設(shè)備。它將采集到的原始數(shù)據(jù)信號發(fā)送給數(shù)字信號處理器。通過信號濾波、采樣處理和數(shù)字信號傳輸，根據(jù)實(shí)際需要實(shí)現(xiàn)了信號的轉(zhuǎn)換。該信號處理技術(shù)廣泛應(yīng)用 于醫(yī)療衛(wèi)生、自動化工程、雷達(dá)探測、航空航天等領(lǐng)域。在科學(xué)技術(shù)不斷發(fā)展的過程中，數(shù)字信號技術(shù)受到了企業(yè)的青睞。以其為核心的產(chǎn)品和技術(shù)在電子信息工程中發(fā)揮著不可替代的作用。[3]

數(shù)字信號特點(diǎn)

數(shù)字信號處理技術(shù)提取信號數(shù)據(jù)，濾除有效信息和無效信息，最終將有效信息轉(zhuǎn)換成更合適的信號形式，使信號更加穩(wěn)定、準(zhǔn)確。以往的技術(shù)主要采用模擬信號，但這種方法使得數(shù)據(jù)參數(shù)難以修改，信號靈敏度不高。在數(shù)字信號技術(shù)中，采用了二進(jìn)制邏輯技術(shù)。該技術(shù)對聲音、溫度和顏色的變化具有很強(qiáng)的感知能力和適應(yīng)性。更好的信號輸入和輸出。[3]

數(shù)字信號優(yōu)點(diǎn)

適用范圍大：數(shù)字信號處理技術(shù)廣泛應(yīng)用于各個領(lǐng)域，具有廣泛的適用性。數(shù)字信號處理技術(shù)可以應(yīng)用于許多領(lǐng)域，因?yàn)閿?shù)字信號處理器有多種類型，可以被各種軟件使用，也可以根據(jù)不同的需要進(jìn)行選擇。當(dāng)操作員在數(shù)字處理系統(tǒng)中存儲數(shù)據(jù)時，他們可以很容易地將各種信息處理轉(zhuǎn)換成所需的形式，以計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)為例，在計(jì)算機(jī)中，數(shù)字信號可以作為調(diào)制處理器的技術(shù)使用，將數(shù)字信號處理技術(shù)應(yīng)用于程序編程中。

處理速度快：與模擬信號處理器相比，數(shù)字信號處理器在高速處理方面有著明顯的優(yōu)勢能力。數(shù)字信號模擬器自身具有的芯片與其他芯片較為不同， 主要采用哈佛結(jié)構(gòu)，電子工程的專業(yè)人士可以將數(shù)字信息程序和存儲的空間進(jìn)行獨(dú)立開來，保證兩者互不干擾，形成數(shù)字信號處理器的工作流程。將數(shù)字信號處理系統(tǒng)與傳統(tǒng)的信號處理相比較，數(shù)字信號可 以在處理的過程中，進(jìn)行其他指令的識別和處理，這樣就大大的提高 了信息處理的效率，提高了速度。[3]

數(shù)字信號發(fā)展前景

隨著數(shù)字信號處理技術(shù)的發(fā)展和使用，在時間中，不斷的將數(shù)字信號處理技術(shù)的效率和性能提升。數(shù)字信號處理技術(shù)以自身特有的優(yōu)點(diǎn)，逐漸受到了電子產(chǎn)品的歡迎，也替代了曾經(jīng)達(dá)到巔峰核心技術(shù)，并在這一領(lǐng)域取得了發(fā)展和提升。數(shù)字信號處理技術(shù)目前的使用處于初級階段，在未來的發(fā)展中，數(shù)字信號處理技術(shù)的水平會在實(shí)踐中不斷的提升。根據(jù)數(shù)字信號處理技術(shù)的特點(diǎn)、優(yōu)勢和目前已經(jīng)進(jìn)入和發(fā)展的領(lǐng)域來看，數(shù)字信號處理技術(shù)的未來發(fā)展將主要體現(xiàn)在以下幾個方面。首先，數(shù)字信號處理技術(shù)將更加注重速度，減少電子設(shè)備功能和資源的損失，減小幾何尺寸，使數(shù)字信號處理技術(shù)能夠滿足現(xiàn)代社會和工業(yè)的需要。生產(chǎn)部門的需求繼續(xù)增長。其次，數(shù)字信號處理技術(shù)的發(fā)展將側(cè)重于核心結(jié)構(gòu)的改進(jìn)和改變，更側(cè)重于數(shù)字信號處理器核心微體系結(jié)構(gòu)的應(yīng)用。[3]

詞條圖冊

更多圖冊

參考資料

1.

王鐘宇.模擬信號與數(shù)字信號的轉(zhuǎn)換原理分析[J].赤子,2019,(8):142-143.

2.

楊毅明．數(shù)字信號處理．北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2013：1-30，59

3.

蘇寶震.數(shù)字信號在電子信息工程中的應(yīng)用探討[J].山東工業(yè)技術(shù),2019,(12):149. DOI:10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.12.130.

總結(jié)

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