模擬信號

模擬信號是指用連續變化的物理量所表達的信息，如温度、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信號，它在一定的時間範圍內可以有無限多個不同的取值。而數字信號是指在取值上是離散的、不連續的信號。

實際生產生活中的各種物理量，如攝相機攝下的圖像、車間控制室所記錄的壓力、流速、轉速、濕度等等都是模擬信號。數字信號是在模擬信號的基礎上經過採樣、量化和編碼而形成的。具體地説，採樣就是把輸入的模擬信號按適當的時間間隔得到各個時刻的樣本值.量化是把經採樣測得的各個時刻的值用二進碼制來表示，編碼則是把量化生成的二進制數排列在一起形成順序脈衝序列。

模擬信號傳輸過程中，先把信息信號轉換成幾乎“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，電信號被接收下來後，通過接收設備還原成信息信號。

近百年以來，無論是有線相連的電話，還是無線發送的廣播電視，很長的時間內都是用模擬信號來傳遞信號的。照説模擬信號同原來的信號在波形上幾乎“一模一樣”，似乎應該達到很好的傳播效果，然而事實恰恰相反，過去我們打電話時常常遇到聽不清的現象;廣播電台，效果總有較大的欠缺;電視圖像上也時有雪花點閃爍。這是因為信號在傳輸過程中要經過許多的處理和轉送，這些設備難免要產生一些干擾;此外，如果是有線傳輸，線路附近的電氣設備也要產生電磁干擾;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，還會隨着傳送的距離的增加而積累起來，嚴重影響通訊質量。對此，人們想了許多辦法。一種是採取各種措施來抗干擾，如提高信息處理設備的質量，儘量減少它的干擾;又如給傳輸線加上屏蔽;再如採用調頻載波來代替調幅載波等。但是，這些辦法都不能從根本上解決干擾的問題。另一種辦法是設法除去信號中的噪聲，把失真的信號恢復過來，但是，對於模擬信號來説，由於無法從已失真的信號較準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字信號相對的連續的信號，模擬信號分佈於自然界的各個角落，如氣温的變化，而數字信號是人為的抽象出來的在幅度取值上不連續的信號。電學上的模擬信號主要是指幅度和相位都連續的電信號，此信號可以被模擬電路進行各種運算，如放大，相加，相乘等。

（1）幅度調製 ^[3] 

（2）頻率調製 ^[3] 

（3）相位調製 ^[3] 

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，這樣形成的鋸齒型波信號提供給後續信號量化。

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。

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，通過藉助一定的電路，可以將量化後的離散信號轉換為對應的數字信號。 ^[1] 

模擬信號的主要優點是其精確的分辨率，在理想情況下，它具有無窮大的分辨率。與數字信號相比，模擬信號的信息密度更高。由於不存在量化誤差，它可以對自然界物理量的真實值進行儘可能逼近的描述。

模擬信號的另一個優點是，當達到相同的效果，模擬信號處理比數字信號處理更簡單。模擬信號的處理可以直接通過模擬電路組件（例如運算放大器等）實現，而數字信號處理往往涉及複雜的算法，甚至需要專門的數字信號處理器。

模擬信號的主要缺點是它總是受到雜訊（信號中不希望得到的隨機變化值）的影響。信號被多次複製，或進行長距離傳輸之後，這些隨機噪聲的影響可能會變得十分顯著。在電學裏，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面效應。

噪聲效應會使信號產生有損。有損後的模擬信號幾乎不可能再次被還原，因為對所需信號的放大會同時對噪聲信號進行放大。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，但是這一方案只能儘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，但並不一定比數字信號更加精確。

儘管數字信號處理算法相對複雜，但是現有的數字信號處理器可以快速地完成這一任務。另外，計算機等系統的逐漸普及，使得數字信號的傳播、處理都變得更加方便。諸如照相機等設備都逐漸實現數字化，儘管它們最初必須以模擬信號的形式接收真實物理量的信息，最後都會通過模擬數字轉換器轉換為數字信號，以方便計算機進行處理，或通過互聯網進行傳輸。 ^[2]