數(shù)字信號(hào)指自變量是離散的、因變量也是離散的信號(hào)，這種信號(hào)的自變量用整數(shù)表示，因變量用有限數(shù)字中的一個(gè)數(shù)字來(lái)表示。在計(jì)算機(jī)中，數(shù)字信號(hào)的大小常用有限位的二進(jìn)制數(shù)表示，例如，字長(zhǎng)為2位的二進(jìn)制數(shù)可表示4種數(shù)字信號(hào)，它們是00、01、10和11 。

由于數(shù)字信號(hào)是用兩種物理狀態(tài)來(lái)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(hào)強(qiáng)很多；在現(xiàn)代技術(shù)的信號(hào)處理中，數(shù)字信號(hào)發(fā)揮的作用越來(lái)越大，幾乎復(fù)雜的信號(hào)處理都離不開數(shù)字信號(hào)；或者說(shuō)，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(lái)處理代表物理量的數(shù)字信號(hào)。

在數(shù)字電路中，由于數(shù)字信號(hào)只有0、1兩個(gè)狀態(tài)，它的值是通過中央值來(lái)判斷的，在中央值以下規(guī)定為0，以上規(guī)定為1，所以即使混人了其他干擾信號(hào)，只要干擾信號(hào)的值不超過閩值范圍，就可以再現(xiàn)出原來(lái)的信號(hào)。即使因干擾信號(hào)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(cuò)的信號(hào)檢測(cè)出來(lái)并加以糾正因此，與模擬信號(hào)相比，數(shù)字信號(hào)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(hào)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(hào)的效果。此外，數(shù)字信號(hào)還可用半導(dǎo)體存儲(chǔ)器來(lái)存儲(chǔ)，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(hào)都轉(zhuǎn)換成數(shù)字脈沖來(lái)傳輸，還有利于組成統(tǒng)一的通信網(wǎng)。

從原始信號(hào)轉(zhuǎn)換到數(shù)字信號(hào)一般要經(jīng)地抽樣、量化和編碼這樣三個(gè)過程。抽樣是指每隔一小段時(shí)間,取原始信號(hào)的一個(gè)值。間隔時(shí)間越短,單位時(shí)間內(nèi)取的樣值也越多,這樣取出的一組樣值也就越接近原來(lái)的信號(hào)。抽樣以后要進(jìn)行量化，量化就是把取出的各種各樣的樣值僅用我們指定的若干個(gè)值來(lái)表示。最后就是編碼,把量化后的值分別編成僅由0和1這兩個(gè)數(shù)字組成的序列,由脈沖信號(hào)發(fā)生器生成相應(yīng)的數(shù)字信號(hào)。這樣就可以用數(shù)字信號(hào)進(jìn)行傳送了。

首先介紹抽樣

話音信號(hào)是模擬信號(hào)，它不僅在幅度取值上是連續(xù)的，而且在時(shí)間上也是連續(xù)的。所謂抽樣就是每隔一定的時(shí)間間隔T，抽取話音信號(hào)的一個(gè)瞬時(shí)幅度值(抽樣值)，抽樣后所得出的一系列在時(shí)間上離散的抽樣值稱為樣值序列。抽樣后的樣值序列在時(shí)間上是離散的，可將各個(gè)抽樣值經(jīng)過量化、編碼變換成二進(jìn)制數(shù)字信號(hào)。理論和實(shí)踐證明，只要抽樣脈沖頻率f≥2fm (fm是話音信號(hào)的最高頻率)，則抽樣后的樣值序列可不失真地還原成原來(lái)的話音信號(hào)。

例如，一路電話信號(hào)的頻帶為300～3400Hz，fm=3400Hz，則抽樣頻率f≥2×3400=6800Hz。如按6800Hz的抽樣頻率對(duì)300～3400Hz的電話信號(hào)抽樣，則抽樣后的樣值序列可不失真地還原成原來(lái)的話音信號(hào)，話音信號(hào)的抽樣頻率通常取8000Hz。

接下來(lái)介紹 量化

抽樣把模擬信號(hào)變成了時(shí)間上離散的脈沖信號(hào)，但脈沖的幅度仍然是模擬的，還必須進(jìn)行離散化處理，才能最終用數(shù)碼來(lái)表示。這就要對(duì)幅值進(jìn)行舍零取整的處理，這個(gè)過程稱為量化。量化有兩種方式，量化方式中，取整時(shí)只舍不入，即0～1伏間的所有輸入電壓都輸出0伏，1～2伏間所有輸入電壓都輸出1伏等。采用這種量化方式，輸入電壓總是大于輸出電壓，因此產(chǎn)生的量化誤差總是正的，最大量化誤差等于兩個(gè)相鄰量化級(jí)的間隔Δ。量化方式在取整時(shí)有舍有入，即0～0.5伏間的輸入電壓都輸出0伏，0.5～1?5伏間的輸出電壓都輸出1伏等等。采用這種量化方式量化誤差有正有負(fù)，量化誤差的絕對(duì)值最大為Δ/2。因此，采用有舍有入法進(jìn)行量化，誤差較小。

實(shí)際信號(hào)可以看成量化輸出信號(hào)與量化誤差之和，因此只用量化輸出信號(hào)來(lái)代替原信號(hào)就會(huì)有失真。一般說(shuō)來(lái)，可以把量化誤差的幅度概率分布看成在-Δ/2～+Δ/2之間的均勻分布。可以證明，量化失真功率?，即與最小量化間隔的平方成正比。最小量化間隔越小，失真就越小。最小量化間隔越小，用來(lái)表示一定幅度的模擬信號(hào)時(shí)所需要的量化級(jí)數(shù)就越多，因此處理和傳輸就越復(fù)雜。所以，量化既要盡量減少量化級(jí)數(shù)，又要使量化失真看不出來(lái)。一般都用一個(gè)二進(jìn)制數(shù)來(lái)表示某一量化級(jí)數(shù)，經(jīng)過傳輸在接收端再按照這個(gè)二進(jìn)制數(shù)來(lái)恢復(fù)原信號(hào)的幅值。所謂量化比特?cái)?shù)是指要區(qū)分所有量化級(jí)所需幾位二進(jìn)制數(shù)。例如，有8個(gè)量化級(jí)，那么可用三位二進(jìn)制數(shù)來(lái)區(qū)分，因?yàn)?#xff0c;稱8個(gè)量化級(jí)的量化為3比特量化。8比特量化則是指共有個(gè)量化級(jí)的量化。

最后介紹編碼

抽樣、量化后的信號(hào)還不是數(shù)字信號(hào)，需要把它轉(zhuǎn)換成數(shù)字編碼脈沖，這一過程稱為編碼。最簡(jiǎn)單的編碼方式是二進(jìn)制編碼。具體說(shuō)來(lái)，就是用n比特二進(jìn)制碼來(lái)表示已經(jīng)量化了的樣值，每個(gè)二進(jìn)制數(shù)對(duì)應(yīng)一個(gè)量化值，然后把它們排列，得到由二值脈沖組成的數(shù)字信息流。編碼過程在接收端，可以按所收到的信息重新組成原來(lái)的樣值，再經(jīng)過低通濾波器恢復(fù)原信號(hào)。用這樣方式組成的脈沖串的頻率等于抽樣頻率與量化比特?cái)?shù)的積，稱為所傳輸數(shù)字信號(hào)的數(shù)碼率。顯然，抽樣頻率越高，量化比特?cái)?shù)越大，數(shù)碼率就越高，所需要的傳輸帶寬就越寬。除了上述的自然二進(jìn)制碼，還有其他形式的二進(jìn)制碼，如格雷碼和折疊二進(jìn)制碼等。

在通信理論中，編碼分為信源編碼和信道編碼兩大類。所謂信源編碼是指將信號(hào)源中多余的信息除去，形成一個(gè)適合用來(lái)傳輸?shù)男盘?hào)。為了抑制信道噪聲對(duì)信號(hào)的干擾，往往還需要對(duì)信號(hào)進(jìn)行再編碼，編成在接收端不易為干擾所弄錯(cuò)的形式，這稱為信道編碼。為了對(duì)付干擾，必須花費(fèi)更多的時(shí)間，傳送一些多余的重復(fù)信號(hào)，從而占用了更多頻帶，這是通信理論中的一條基本原理。

綜上，介紹了數(shù)字信號(hào)，數(shù)字信號(hào)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，簡(jiǎn)要介紹了從原始信號(hào)轉(zhuǎn)換到數(shù)字信號(hào)所進(jìn)行的抽樣、量化和編碼三個(gè)過程。

總結(jié)

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