模拟信号数字化及优缺点

模拟信号数字化

模拟信号转换为数字信号需要经过信号的采样、信号的保持、信号的量化与信号的编码四个基本步骤。

采样是对连续信号在时间上进行离散，即按照特定的时间间隔在原始的模拟信号上逐点采集瞬时值。从效果来看，采样频率越高，所得的离散信号就越接近原始的模拟信号，但采样频率过高则对实际电路的要求就更高，也会给带来大量的计算与存储。

采样频率过低会导致信息丢失，严重时导致信息失真，无法使用。采取其瞬时值后要在原位置保持一段时间，这样形成的锯齿型波信号提供给后续信号量化。对采集得到的离散信号进行量化是将特定幅度的信号转化为模数转换器的最小单位的整数倍，这个最小单位也被称为模数转换器的量化单位。每个采样值代表一次采样所获得模拟信号的瞬时幅度。通常量化单位都是2的倍数，量化位数越多，量化误差就越小，量化得到的结果就越好。在实际的量化过程由于需要近似处理，因此一定存在量化误差，这种误差在最后数模转换时又会再现，通常称这种误差为量化噪声。通常可以通过增加量化位数来降低这种量化误差，但当信号幅度降低到一定值后，量化噪声与原始模拟信号之间的相关性就更加明显。对量化后的离散信号进行编码是模拟信号转换为数字信号的最后环节，常见的采用并行比较型路和逐次逼近型电路实现，通过借助一定的电路，可以将量化后的离散信号转换为对应的数字信号。

信号优缺点

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。与数字信号相比，模拟信号的信息密度更高。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，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。

模拟信号的主要缺点是它总是受到杂讯(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、使用同轴电缆或双绞线，可以在一定程度上缓解这些负面效应。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，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一任务。另外，计算机等系统的逐渐普及，使得数字信号的传播、处理都变得更加方便。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，以方便计算机进行处理，或通过互联网进行传输。