模擬信號信號優(yōu)點(diǎn)

模擬信號的主要優(yōu)點(diǎn)是其精確的分辨率，在理想情況下，它具有無窮大的分辨率。與數(shù)字信號相比，模擬信號的信息密度更高。由于不存在量化誤差，它可以對自然界物理量的真實(shí)值進(jìn)行盡可能逼近的描述。

模擬信號的另一個優(yōu)點(diǎn)是，當(dāng)達(dá)到相同的效果，模擬信號處理比數(shù)字信號處理更簡單。模擬信號的處理可以直接通過模擬電路組件（例如運(yùn)算放大器等）實(shí)現(xiàn)，而數(shù)字信號處理往往涉及復(fù)雜的算法，甚至需要專門的數(shù)字信號處理器。

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，這樣形成的鋸齒型波信號提供給后續(xù)信號量化。

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?？梢酝ㄟ^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。

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)，通過借助一定的電路，可以將量化后的離散信號轉(zhuǎn)換為對應(yīng)的數(shù)字信號。

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

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。數(shù)字信號是在模擬信號的基礎(chǔ)上經(jīng)過采樣、量化和編碼而形成的。具體地說，采樣就是把輸入的模擬信號按適當(dāng)?shù)臅r間間隔得到各個時刻的樣本值.量化是把經(jīng)采樣測得的各個時刻的值用二進(jìn)碼制來表示，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。

模擬信號傳輸過程中，先把信息信號轉(zhuǎn)換成幾乎“一模一樣”的波動電信號(因此叫“模擬”)，再通過有線或無線的方式傳輸出去，電信號被接收下來后，通過接收設(shè)備還原成信息信號。

近百年以來，無論是有線相連的電話，還是無線發(fā)送的廣播電視，很長的時間內(nèi)都是用模擬信號來傳遞信號的。照說模擬信號同原來的信號在波形上幾乎“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，過去我們打電話時常常遇到聽不清的現(xiàn)象;廣播電臺，效果總有較大的欠缺;電視圖像上也時有雪花點(diǎn)閃爍。這是因?yàn)樾盘栐趥鬏斶^程中要經(jīng)過許多的處理和轉(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;如果是無線傳送，則更加“開放”，空中的各種干擾根本無法抗拒。這些干擾很容易引起信號失真，也會帶來一些噪聲。這些失真和附加的噪聲，還會隨著傳送的距離的增加而積累起來，嚴(yán)重影響通訊質(zhì)量。對此，人們想了許多辦法。一種是采取各種措施來抗干擾，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題。另一種辦法是設(shè)法除去信號中的噪聲，把失真的信號恢復(fù)過來，但是，對于模擬信號來說，由于無法從已失真的信號較準(zhǔn)確地推知出原來不失真的信號，因此這種辦法很難有效，有的甚至越弄越糟。

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

模擬信號的主要缺點(diǎn)是它總是受到雜訊（信號中不希望得到的隨機(jī)變化值）的影響。信號被多次復(fù)制，或進(jìn)行長距離傳輸之后，這些隨機(jī)噪聲的影響可能會變得十分顯著。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)會使信號產(chǎn)生有損。有損后的模擬信號幾乎不可能再次被還原，因?yàn)閷λ栊盘柕姆糯髸瑫r對噪聲信號進(jìn)行放大。如果噪聲頻率與所需信號的頻率差距較大，可以通過引入電子濾波器，過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，雖然模擬信號理論上具有無窮分辨率，但并不一定比數(shù)字信號更加精確。

盡管數(shù)字信號處理算法相對復(fù)雜，但是現(xiàn)有的數(shù)字信號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的形式接收真實(shí)物理量的信息，最后都會通過模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，以方便計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理，或通過互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行傳輸。

構(gòu)成轉(zhuǎn)速模擬控制系統(tǒng)的模擬信號處理裝置主要有測量裝置、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xn(t),其頻譜函數(shù)Xn(jΩ)也是連續(xù)函數(shù)，為了利用DFT對xn(t)進(jìn)行譜分析，對xn(t)進(jìn)行時域采樣得到x(n)= xn(nT),再對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)都是有限長序列

然而，傅里葉變換理論證明，時間有限長的信號其頻譜是無限寬的，反之，弱信號的頻譜有限寬的則其持續(xù)時間將為無限長，因此，按采樣定理采樣時，采樣序列應(yīng)為無限長，這不滿足DFT的條件。實(shí)際中，對于頻譜很寬的信號，為防止時域采樣后產(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，使信號的帶寬小于折疊頻率；同樣對于持續(xù)時間很長的信號，采樣點(diǎn)數(shù)太多也會導(dǎo)致存儲和計(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對模擬信號進(jìn)行譜分析，只能是近似的，其近似程度取決于信號帶寬、采樣頻率和截取長度

模擬信號xn(t)的傅里葉變換對為

X(jΩ)={-∞, ∞}x(t)*exp^-jΩt dt

x（t）=1/2π{-∞, ∞} X(JΩ)*e^jΩt dΩ

用DFT方法計(jì)算這對變換對的方法如下：

（a）對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蠳個抽樣點(diǎn)的有限長序列

X(jΩ)≈T∑n={0,N-1}x(nT)*exp^-jΩnT*T

由于時域抽樣，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，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，即在頻域的一個周期中取N個樣點(diǎn)，fs=NF0,每個樣點(diǎn)間隔為F0，頻域抽樣使頻域的積分式變成求和式，而在時域就得到原來已經(jīng)截?cái)嗟碾x散時間序列的周期延拓，時間周期為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