[科普中国]-数字信号

数字信号指自变量是离散的、因变量也是离散的信号，这种信号的自变量用整数表示，因变量用有限数字中的一个数字来表示。在计算机中，数字信号的大小常用有限位的二进制数表示。

简介信息化时代已经不告而至，我们时时刻刻被各种各样的信号包围，信号的本质是表示消息的物理量，如常见的正弦电信号中，如果是不同的幅度、不同的频率，或不同相位则表示不同的消息。以信号为载体的数据可表示现实物理世界中的任何信息，如文字符号、语音图像等，从其特定的表现形式来看，信号可以分为：模拟信号和数字信号。1

数字信号是指用一组特殊的状态来描述信号，典型的就是当前用最为常见的二进制数字来表示的信号，之所以采用二进制数字表示信号， 其根本原因是电路只能表示两种状态，即电路的通与断。在实际的数字信号传输中，通常是将一定范围的信息变化归类为状态0或状态1， 这种状态的设置大大提高了数字信号的抗噪声能力。不仅如此，在保密性、抗干扰、传输质量等方面，数字信号都比模拟信号要好，且更加节约信号传输通道资源。1

数字信号与离散时间信号的区别在因变量。离散时间信号的自变量是离散的、因变量是连续的，其自变量用整数表示，因变量用于物理量大小相对应的数字表示。离散时间信号的大小用有限位二进制数表示后，就是数字信号。

优点数字信号的优点很多，首先是它抗干扰的能力特别强，它不但可以用于通讯技术，而且还可以用于信息处理技术，时髦的高保真音响、高清晰度电视、VCD、DVD激光机都采用了数字信号处理技术。其次，我们使用的电子计算机都是数字的，它们处理的信号本来就是数字信号。在通讯上使用了数字信号，就可以很方便地将计算机与通讯结合起来，将计算机处理信息的优势用于通讯事业。如电话通讯中采用了程控数字交换机，用计算机来代替接线员的工作，不仅接线迅速准确，而且占地小、效率高，省去不少人工和设备，使电话通讯产生了一个质的飞跃。再次，数字信号便于存储，现在流行的CD、MP3唱盘，VCD、DVD视盘及电脑光盘都是用数字信号来存储的信息。此外，数字通信还可以兼容电话、电报、数据和图像等多类信息的传送，能在同一条线路上传送电话、有线电视、多媒体等多种信息。数字信号还便于加密和纠错，具有较强的保密性和可靠性。

由于数字信号是用两种物理状态来表示0和1的，故其抵抗材料本身干扰和环境干扰的能力都比模拟信号强很多；在现代技术的信号处理中，数字信号发挥的作用越来越大，几乎复杂的信号处理都离不开数字信号；或者说，只要能把解决问题的方法用数学公式表示，就能用计算机来处理代表物理量的数字信号。2

在数字电路中，数字信号只有0、1两个状态，它的值是通过中央值来判断的，在中央值以下规定为0，以上规定为1，所以即使混入了其他干扰信号，只要干扰信号的值不超过阂值范围，就可以再现出原来的信号。即使因干扰信号的值超过阂值范围而出现了误码，只要采用一定的编码技术，也很容易将出错的信号检测出来并加以纠正因此，与模拟信号相比，数字信号在传输过程中具有更高的抗干扰能力，更远的传输距离，且失真幅度小。

数字信号在传输过程中不仅具有较高的抗干扰性，还可以通过压缩，占用较少的带宽，实现在相同的带宽内传输更多、更高音频、视频等数字信号的效果。此外，数字信号还可用半导体存储器来存储，并可直接用于计算机处理。若将电话、传真、电视所处理的音频、文本、视频等数据及其他各种不同形式的信号都转换成数字脉冲来传输，还有利于组成统一的通信网，实现今天各界人士和电信工业者们极力推崇的综合业务数字网络(IS-DN)。从而为人们提供全新的，更灵活、更方便的服务。正因为数字信号具有上述突出的优点，它正在迅速而且已经取得了十分广泛的应用。

模拟信号与数字信号的转换模拟信号模拟信号信号波形模拟随着信息的变化而变化，模拟信号其特点是幅度连续(连续的含义是在某一取值范围内可以取无限多个数值)。模拟信号，其信号波形在时间上也是连续的，因此它又是连续信号。模拟信号按一定的时间间隔T抽样后的抽样信号，由于其波形在时间上是离散的，但此信号的幅度仍然是连续的，所以仍然是模拟信号。电话、传真、电视信号都是模拟信号。

信号抽样后时间离散，但辐值不离散。常见的抽样信号是周期矩形脉冲和周期冲激脉冲抽样。模拟信号在整个时间轴上都是有定义的，在“没有幅值”的区域的意义是幅值为零。而离散时间信号只在离散时刻上才有定义，其他地方没有定义，和幅值为零是不同概念，这两种信号在时间轴看上去很相似，其实是以不同类型的系统为基础的两种有本质区别的信号。直观的说，离散时间信号的横轴可以认为已经不代表时间了。

模拟信号到数字信号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，这样行成的锯齿型波信号提供给后续信号量化。1

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。1

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，将量化后的离散信号转换为对应的数字信号。1

数字信号到模拟信号数字信号转换为模拟信号更为简单易懂。实际上，数模转换可以看成是对数字信号译码，数模转换是将输入的二进制数按其实际权值转换成对应的模拟量，然后将各个位数对应得到的模拟量相加，得到的总模拟量就与输入的数字量成正比，这就实现了数字信号到模拟信号的转换。1

相关技术数字信号处理器是一种专业的信号处理设备。它将采集到的原始数据信号发送给数字信号处理器。通过信号滤波、采样处理和数字信号传输，根据实际需要实现了信号的转换。该信号处理技术广泛应用 于医疗卫生、自动化工程、雷达探测、航空航天等领域。在科学技术不断发展的过程中，数字信号技术受到了企业的青睐。以其为核心的产品和技术在电子信息工程中发挥着不可替代的作用。3

特点数字信号处理技术提取信号数据，滤除有效信息和无效信息，最终将有效信息转换成更合适的信号形式，使信号更加稳定、准确。以往的技术主要采用模拟信号，但这种方法使得数据参数难以修改，信号灵敏度不高。在数字信号技术中，采用了二进制逻辑技术。该技术对声音、温度和颜色的变化具有很强的感知能力和适应性。更好的信号输入和输出。3

优点适用范围大：数字信号处理技术广泛应用于各个领域，具有广泛的适用性。数字信号处理技术可以应用于许多领域，因为数字信号处理器有多种类型，可以被各种软件使用，也可以根据不同的需要进行选择。当操作员在数字处理系统中存储数据时，他们可以很容易地将各种信息处理转换成所需的形式，以计算机网络技术为例，在计算机中，数字信号可以作为调制处理器的技术使用，将数字信号处理技术应用于程序编程中。

处理速度快：与模拟信号处理器相比，数字信号处理器在高速处理方面有着明显的优势能力。数字信号模拟器自身具有的芯片与其他芯片较为不同， 主要采用哈佛结构，电子工程的专业人士可以将数字信息程序和存储的空间进行独立开来，保证两者互不干扰，形成数字信号处理器的工作流程。将数字信号处理系统与传统的信号处理相比较，数字信号可 以在处理的过程中，进行其他指令的识别和处理，这样就大大的提高 了信息处理的效率，提高了速度。3

发展前景随着数字信号处理技术的发展和使用，在时间中，不断的将数字信号处理技术的效率和性能提升。数字信号处理技术以自身特有的优点，逐渐受到了电子产品的欢迎，也替代了曾经达到巅峰核心技术，并在这一领域取得了发展和提升。数字信号处理技术目前的使用处于初级阶段，在未来的发展中，数字信号处理技术的水平会在实践中不断的提升。根据数字信号处理技术的特点、优势和目前已经进入和发展的领域来看，数字信号处理技术的未来发展将主要体现在以下几个方面。首先，数字信号处理技术将更加注重速度，减少电子设备功能和资源的损失，减小几何尺寸，使数字信号处理技术能够满足现代社会和工业的需要。生产部门的需求继续增长。其次，数字信号处理技术的发展将侧重于核心结构的改进和改变，更侧重于数字信号处理器核心微体系结构的应用。3

本词条内容贡献者为:

齐臣杰 - 研究员 - 北京信息科技大学