數字信號

信息化時代已經不告而至，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）。以信號為載體的數據可表示現實物理世界中的任何信息，如文字符號、圖像等，從其特定的表現形式來看，信號可以分為：模擬信號和數字信號。 ^[1] 

數字信號是指用一組特殊的狀態來描述信號，典型的就是當前用最為常見的二進制數字來表示的信號，之所以採用二進制數字表示信號， 其根本原因是電路只能表示兩種狀態，即電路的通與斷。在實際的數字信號傳輸中，通常是將一定範圍的信息變化歸類為狀態0或狀態1， 這種狀態的設置大大提高了數字信號的抗噪聲能力。不僅如此，在保密性、抗干擾、傳輸質量等方面，數字信號都比模擬信號要好，且更加節約信號傳輸通道資源。 ^[1] 

數字信號與離散時間信號的區別在因變量。離散時間信號的自變量是離散的、因變量是連續的，其自變量用整數表示，因變量用與物理量大小相對應的數字表示。離散時間信號的大小用有限位二進制數表示後，就是數字信號。

數字信號的優點很多，首先是它抗干擾的能力特別強，它不但可以用於通訊技術，而且還可以用於信息處理技術，時髦的高清晰度電視、VCD、DVD激光機都採用了數字信號處理技術。其次，我們使用的電子計算機都是數字的，它們處理的信號本來就是數字信號。在通訊上使用了數字信號，就可以很方便地將計算機與通訊結合起來，將計算機處理信息的優勢用於通訊事業。如電話通訊中採用了程控數字交換機，用計算機來代替接線員的工作，不僅接線迅速準確，而且佔地小、效率高，省去不少人工和設備，使電話通訊產生了一個質的飛躍。再次，數字信號便於存儲，現在流行的CD、MP3唱盤，VCD、DVD視盤及電腦光盤都是用數字信號來存儲的信息。此外，數字通信還可以兼容電話、電報、數據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。數字信號還便於加密和糾錯，具有較強的保密性和可靠性。

由於數字信號是用兩種物理狀態來表示0和1的，故其抵抗材料本身干擾和環境干擾的能力都比模擬信號強很多；在現代技術的信號處理中，數字信號發揮的作用越來越大，幾乎複雜的信號處理都離不開數字信號；或者説，只要能把解決問題的方法用數學公式表示，就能用計算機來處理代表物理量的數字信號。 ^[2] 

在數字電路中，數字信號只有0、1兩個狀態，它的值是通過中央值來判斷的，在中央值以下規定為0，以上規定為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閾值範圍，就可以再現出原來的信號。即使因干擾信號的值超過閾值範圍而出現了誤碼，只要採用一定的編碼技術，也很容易將出錯的信號檢測出來並加以糾正因此，與模擬信號相比，數字信號在傳輸過程中具有更高的抗干擾能力，更遠的傳輸距離，且失真幅度小。

數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，佔用較少的帶寬，實現在相同的帶寬內傳輸更多、更高視頻等數字信號的效果。此外，數字信號還可用半導體存儲器來存儲，並可直接用於計算機處理。若將電話、傳真、電視所處理的圖像、文本、視頻等數據及其他各種不同形式的信號都轉換成數字脈衝來傳輸，還有利於組成統一的通信網，實現今天各界人士和電信工業者們極力推崇的綜合業務數字網絡(IS-DN)。從而為人們提供全新的，更靈活、更方便的服務。正因為數字信號具有上述突出的優點，它正在迅速而且已經取得了十分廣泛的應用。

模擬信號的信號波形模擬隨着信息的變化而變化，模擬信號其特點是幅度連續(連續的含義是在某一取值範圍內可以取無限多個數值)。模擬信號，其信號波形在時間上也是連續的，因此它又是連續信號。模擬信號按一定的時間間隔T抽樣後的抽樣信號，由於其波形在時間上是離散的，但此信號的幅度仍然是連續的，所以仍然是模擬信號。電話、傳真、電視信號都是模擬信號。

信號抽樣後時間離散，但輻值不離散。常見的抽樣信號是週期矩形脈衝和週期衝激脈衝抽樣。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，其他地方沒有定義，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，其實是以不同類型的系統為基礎的兩種有本質區別的信號。直觀的説，離散時間信號的橫軸可以認為已經不代表時間了。

模擬信號轉換為數字信號需要經過信號的採樣、信號的保持、信號的量化與信號的編碼四個基本步驟。

採樣是對連續信號在時間上進行離散，即按照特定的時間間隔在原始的模擬信號上逐點採集瞬時值。從效果來看，採樣頻率越高所得的離散信號就越接近原始的模擬信號，但採樣頻率過高則對實際電路的要求就更高，也會給帶來大量的計算與存儲。採樣頻率過低會導致信息丟失，嚴重時導致信息失真，無法使用。採取其瞬時值後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後續信號量化。 ^[1] 

對採集得到的離散信號進行量化是將特定幅度的信號轉化為模數轉換器的最小單位的整數倍，這個最小單位也被稱為模數轉換器的量化單位。每個採樣值代表一次採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，量化位數越多，量化誤差就越小，量化得到的結果就越好。在實際的量化過程由於需要近似處理，因此一定存在量化誤差，這種誤差在最後數模轉換時又會再現，通常稱這種誤差為量化噪聲。通常可以通過增加量化位數來降低這種量化誤差，但當信號幅度降低到一定值後，量化噪聲與原始模擬信號之間的相關性就更加明顯。 ^[1] 

對量化後的離散信號進行編碼是模擬信號轉換為數字信號的最後環節，常見的採用並行比較型路和逐次逼近型電路實現，將量化後的離散信號轉換為對應的數字信號。 ^[1] 

數字信號轉換為模擬信號更為簡單易懂。實際上，數模轉換可以看成是對數字信號譯碼，數模轉換是將輸入的二進制數按其實際權值轉換成對應的模擬量，然後將各個位數對應得到的模擬量相加，得到的總模擬量就與輸入的數字量成正比，這就實現了數字信號到模擬信號的轉換。 ^[1] 

數字信號處理器是一種專業的信號處理設備。它將採集到的原始數據信號發送給數字信號處理器。通過信號濾波、採樣處理和數字信號傳輸，根據實際需要實現了信號的轉換。該信號處理技術廣泛應用 於醫療衞生、自動化工程、雷達探測、航空航天等領域。在科學技術不斷髮展的過程中，數字信號技術受到了企業的青睞。以其為核心的產品和技術在電子信息工程中發揮着不可替代的作用。 ^[3] 

數字信號處理技術提取信號數據，濾除有效信息和無效信息，最終將有效信息轉換成更合適的信號形式，使信號更加穩定、準確。以往的技術主要採用模擬信號，但這種方法使得數據參數難以修改，信號靈敏度不高。在數字信號技術中，採用了二進制邏輯技術。該技術對温度和顏色的變化具有很強的感知能力和適應性。更好的信號輸入和輸出。 ^[3] 

適用範圍大：數字信號處理技術廣泛應用於各個領域，具有廣泛的適用性。數字信號處理技術可以應用於許多領域，因為數字信號處理器有多種類型，可以被各種軟件使用，也可以根據不同的需要進行選擇。當操作員在數字處理系統中存儲數據時，他們可以很容易地將各種信息處理轉換成所需的形式，以計算機網絡技術為例，在計算機中，數字信號可以作為調製處理器的技術使用，將數字信號處理技術應用於程序編程中。

處理速度快：與模擬信號處理器相比，數字信號處理器在高速處理方面有着明顯的優勢能力。數字信號模擬器自身具有的芯片與其他芯片較為不同， 主要採用哈佛結構，電子工程的專業人士可以將數字信息程序和存儲的空間進行獨立開來，保證兩者互不干擾，形成數字信號處理器的工作流程。將數字信號處理系統與傳統的信號處理相比較，數字信號可 以在處理的過程中，進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] 

隨着數字信號處理技術的發展和使用，在時間中，不斷的將數字信號處理技術的效率和性能提升。數字信號處理技術以自身特有的優點，逐漸受到了電子產品的歡迎，也替代了曾經達到巔峯核心技術，並在這一領域取得了發展和提升。

數字信號處理技術目前的使用處於初級階段，在未來的發展中，數字信號處理技術的水平會在實踐中不斷的提升。根據數字信號處理技術的特點、優勢和目前已經進入和發展的領域來看，數字信號處理技術的未來發展將主要體現在以下幾個方面。首先，數字信號處理技術將更加註重速度，減少電子設備功能和資源的損失，減小几何尺寸，使數字信號處理技術能夠滿足現代社會和工業的需要。生產部門的需求繼續增長。其次，數字信號處理技術的發展將側重於核心結構的改進和改變，更側重於數字信號處理器核心微體系結構的應用。 ^[3]