模擬信號(hào)信號(hào)缺點(diǎn)

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。

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)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。通常可以通過(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)。

模擬信號(hào)是指用連續(xù)變化的物理量所表達(dá)的信息，如溫度、濕度、壓力、長(zhǎng)度、電流、電壓等等，我們通常又把模擬信號(hào)稱為連續(xù)信號(hào)，它在一定的時(shí)間范圍內(nèi)可以有無(wú)限多個(gè)不同的取值。而數(shù)字信號(hào)是指在取值上是離散的、不連續(xù)的信號(hào)。

實(shí)際生產(chǎn)生活中的各種物理量，如攝相機(jī)攝下的圖像、車間控制室所記錄的壓力、流速、轉(zhuǎn)速、濕度等等都是模擬信號(hào)。數(shù)字信號(hào)是在模擬信號(hào)的基礎(chǔ)上經(jīng)過(guò)采樣、量化和編碼而形成的。具體地說(shuō)，采樣就是把輸入的模擬信號(hào)按適當(dāng)?shù)臅r(shí)間間隔得到各個(gè)時(shí)刻的樣本值.量化是把經(jīng)采樣測(cè)得的各個(gè)時(shí)刻的值用二進(jìn)碼制來(lái)表示，編碼則是把量化生成的二進(jìn)制數(shù)排列在一起形成順序脈沖序列。

模擬信號(hào)傳輸過(guò)程中，先把信息信號(hào)轉(zhuǎn)換成幾乎“一模一樣”的波動(dòng)電信號(hào)(因此叫“模擬”)，再通過(guò)有線或無(wú)線的方式傳輸出去，電信號(hào)被接收下來(lái)后，通過(guò)接收設(shè)備還原成信息信號(hào)。

近百年以來(lái)，無(wú)論是有線相連的電話，還是無(wú)線發(fā)送的廣播電視，很長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)都是用模擬信號(hào)來(lái)傳遞信號(hào)的。照說(shuō)模擬信號(hào)同原來(lái)的信號(hào)在波形上幾乎“一模一樣”，似乎應(yīng)該達(dá)到很好的傳播效果，然而事實(shí)恰恰相反，過(guò)去我們打電話時(shí)常常遇到聽不清的現(xiàn)象;廣播電臺(tái)，效果總有較大的欠缺;電視圖像上也時(shí)有雪花點(diǎn)閃爍。這是因?yàn)樾盘?hào)在傳輸過(guò)程中要經(jīng)過(guò)許多的處理和轉(zhuǎn)送，這些設(shè)備難免要產(chǎn)生一些干擾;此外，如果是有線傳輸，線路附近的電氣設(shè)備也要產(chǎn)生電磁干擾;如果是無(wú)線傳送，則更加“開放”，空中的各種干擾根本無(wú)法抗拒。這些干擾很容易引起信號(hào)失真，也會(huì)帶來(lái)一些噪聲。這些失真和附加的噪聲，還會(huì)隨著傳送的距離的增加而積累起來(lái)，嚴(yán)重影響通訊質(zhì)量。對(duì)此，人們想了許多辦法。一種是采取各種措施來(lái)抗干擾，如提高信息處理設(shè)備的質(zhì)量，盡量減少它的干擾;又如給傳輸線加上屏蔽;再如采用調(diào)頻載波來(lái)代替調(diào)幅載波等。但是，這些辦法都不能從根本上解決干擾的問(wèn)題。另一種辦法是設(shè)法除去信號(hào)中的噪聲，把失真的信號(hào)恢復(fù)過(guò)來(lái)，但是，對(duì)于模擬信號(hào)來(lái)說(shuō)，由于無(wú)法從已失真的信號(hào)較準(zhǔn)確地推知出原來(lái)不失真的信號(hào)，因此這種辦法很難有效，有的甚至越弄越糟。

模擬信號(hào)主要是與離散的數(shù)字信號(hào)相對(duì)的連續(xù)的信號(hào)，模擬信號(hào)分布于自然界的各個(gè)角落，如氣溫的變化，而數(shù)字信號(hào)是人為的抽象出來(lái)的在幅度取值上不連續(xù)的信號(hào)。電學(xué)上的模擬信號(hào)主要是指幅度和相位都連續(xù)的電信號(hào)，此信號(hào)可以被模擬電路進(jìn)行各種運(yùn)算，如放大，相加，相乘等。

構(gòu)成轉(zhuǎn)速模擬控制系統(tǒng)的模擬信號(hào)處理裝置主要有測(cè)量裝置、給定裝置和調(diào)節(jié)器 。

在工程實(shí)際中經(jīng)常遇到的模擬信號(hào)xn(t),其頻譜函數(shù)Xn(jΩ)也是連續(xù)函數(shù)，為了利用DFT對(duì)xn(t)進(jìn)行譜分析，對(duì)xn(t)進(jìn)行時(shí)域采樣得到x(n)= xn(nT),再對(duì)x(n)進(jìn)行DFT，得到X(k)則是x(n)的傅里葉變換X(ejω)在頻率區(qū)間[0,2π]上的N點(diǎn)等間隔采樣，這里x(n)和X(k)都是有限長(zhǎng)序列

然而，傅里葉變換理論證明，時(shí)間有限長(zhǎng)的信號(hào)其頻譜是無(wú)限寬的，反之，弱信號(hào)的頻譜有限寬的則其持續(xù)時(shí)間將為無(wú)限長(zhǎng)，因此，按采樣定理采樣時(shí)，采樣序列應(yīng)為無(wú)限長(zhǎng)，這不滿足DFT的條件。實(shí)際中，對(duì)于頻譜很寬的信號(hào)，為防止時(shí)域采樣后產(chǎn)生‘頻譜混疊’，一般用前置濾波器濾除幅度較小的高頻成分，使信號(hào)的帶寬小于折疊頻率；同樣對(duì)于持續(xù)時(shí)間很長(zhǎng)的信號(hào)，采樣點(diǎn)數(shù)太多也會(huì)導(dǎo)致存儲(chǔ)和計(jì)算困難，一般也是截取有限點(diǎn)進(jìn)行計(jì)算。上述可以看出，用DFT對(duì)模擬信號(hào)進(jìn)行譜分析，只能是近似的，其近似程度取決于信號(hào)帶寬、采樣頻率和截取長(zhǎng)度

模擬信號(hào)xn(t)的傅里葉變換對(duì)為

X(jΩ)={-∞, ∞}x(t)*exp^-jΩt dt

x（t）=1/2π{-∞, ∞} X(JΩ)*e^jΩt dΩ

用DFT方法計(jì)算這對(duì)變換對(duì)的方法如下：

（a）對(duì)xn(t)以T為間隔進(jìn)行采樣，即xn(t)|t=nT= xa(nT)= x(n),由于

t→nT,dt→T, {-∞, ∞}→∑n={-∞, ∞}

因此得到

X(jΩ)≈∑n={-∞, ∞}x(nT)*exp^-jΩnT*T

x（nT）≈1/2π{0, Ωs} X(JΩ)*e^jΩnT Dω

（b）將序列x(n)= xn(t)截?cái)喑砂蠳個(gè)抽樣點(diǎn)的有限長(zhǎng)序列

X(jΩ)≈T∑n={0,N-1}x(nT)*exp^-jΩnT*T

由于時(shí)域抽樣，抽樣頻率為fs=1/T,則頻域產(chǎn)生以fs為周期的周期延拓，如果頻域是帶限信號(hào)，則有可能不產(chǎn)生頻譜混疊，成為連續(xù)周期頻譜序列，頻譜的周期為fs=1/T

（c）為了數(shù)值計(jì)算，頻域上也要抽樣，即在頻域的一個(gè)周期中取N個(gè)樣點(diǎn)，fs=NF0,每個(gè)樣點(diǎn)間隔為F0，頻域抽樣使頻域的積分式變成求和式，而在時(shí)域就得到原來(lái)已經(jīng)截?cái)嗟碾x散時(shí)間序列的周期延拓，時(shí)間周期為T0=1/F0。因此有

Ω→kΩ0，dΩ→Ω0，{-∞, ∞} dΩ→∑n={-∞, ∞}Ω0

T0=1/F0=N/fs=NT

Ω0=2ΠF0

Ω0T=Ω0/fs=2π/N

X(jkΩ0)≈T∑n={0,N-1}x(nT)*exp^-jkΩ0nT