數字信號和模擬信號的區別是什麼?

張文瑤


數字信號比模擬信號更加穩定!

就拿我們家裡的電視來說吧,之前的那種黑白電視就是模擬的,而現在的有線電視就是數字的。

如果說模擬電視的清晰度在0-100之間;

那麼數字電視的清晰度就只有0和100,只有這兩種狀態!

像上圖這種黑白的模擬信號電視的清晰度是不一致的,一會兒清楚,一會兒又刺刺拉拉的亂跳,這就是模擬信號的侷限性。

為什麼出現這樣的結果呢?

這得從模擬信號說起,我們現在用模擬信號來傳輸一個0、1、2、3,四個數字,電路如下圖所示:

電源電壓為3V,電阻阻值是一樣的,這樣每一個電阻上方都有一個不一樣電位,我們可以根據這個電位的大小識別哪一個數字。比如說0V代表0,3V代表3。

那麼這個模擬信號的侷限性在哪呢?

  1. 如果傳輸的值不是3個呢,而是100個,這樣電壓會很密集,每隔0.03V就有一個模擬信號,如果再加上外部的干擾,信號就會受到干擾,造成信號失真。所以我們看黑白電視時老是刺刺拉拉的,就是這個原因。
  2. 由於下圖中的電阻阻值不是完全一致,所以我們收到的並不是穩定的0V、1V,這就對後續電路判斷造成了困擾,因為它可能會出現0-3V中的任何一個值。

由於模擬信號的連續的,所以模擬信號可以看成是這樣的:

數字信號

我們還來表示0-3這些數字,這次用數字信號,看看如何做。

我們只需要用兩個開關就可以解決,兩個開關全部斷開為零,兩個開關全部閉合代表3。

通過開關狀態來傳輸信號最大的好處是穩定,因為這開關要麼開,要麼關,它沒有中間值在裡面搗鬼。

所以說數字信號是這樣的:

有人會說了,如果通過數字信號傳輸的的話,這得需要多少開關啊,比如說傳輸60000這個數字?

最多16個就夠了,不信的話你可是自己試試,通過怎樣的開和關的組合才能表示出60000這個數呢?


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數字信號只有“0”和“1”兩種狀態,摸擬信號則可以是任意數值狀態

數字信號是數字化的,在計算機系統中,CPU只認識“0”和“1”兩個數字,所以數字信號需要由“0”和“1”構成的二制數來表示。而摸擬信號則是連續變化的物理量,它的頻率、幅度、相位都可以隨著時間連續的變化。

數字信號

數字信號只有“0”和“1”,我們把“0”對應為低電平,把“1”對應為高電平。大家都聽過集成電路是由大規模的晶體管組成的吧?這種晶體管組成的邏輯就是TTL(Transistor-Transistor Logic)了。在這種處理數字信號的電路中,需要定好一個規則:>2.4V為高電平(H);<0.4V為低電平(L)。規則定好後,通訊和數據的的處理,我們只認高電平(H)=1和低電平(L)=0了。

一個高電平(H)代表“1”,一個低電平(L)代表“0”,兩個高電平(H)代表“11”,兩個低電平(L)代表“00”,如此類推。因為這個高電平或者低電平的寬度不是固定的,可以長,也可以短,一個連續的高電平,是區分不出是一個“1”,還是多個“1”的。所以還需要引入時鐘同步信號。時鐘信號由固定寬度的高低電平形成,在時鐘信號的電平由高變為低時,如果數字信號是高,那就是“1”了,反之則為“0”。由此可見數據傳速和處理的速度由時鐘信號的頻率決定的,這就是我們平常所說的CPU主頻了,頻率越高,處理速度就越快了。

所以數字信號是:在取值上是離散的、不連續的信號

摸擬信號

摸擬信號它是一個連續變化的物理量,比如溫度、電流、電壓、壓力等這些信號,它可以很小,也可以很大,它的數值是無限的。

在現實現生活中的各種物理量,就像我們說話的聲音,其實它就是一個摸擬的信號。摸擬信號有著精確的分辨率,信號處理也簡單,可以直接通過三極管或者運放來進行放大處理。但摸擬信號很容易受到干擾,受干擾後的摸擬信號就難以還原了,所以我們一般都會將輸入的摸擬量信號進行數字化,再進行計算機處理和傳輸。

摸擬信號與數字信號的轉換

摸擬信號轉化為數字信號需要進行採樣和量化兩個過程。把採樣到的摸擬信號值根據一定的規則是把它量化為一個固定的數值。

再舉一個簡單的例子:把0~5V的電壓傳化為數字信號

首先我們要定好規則:數值0代表0V電壓,數值1023代表5V電壓,為什麼是1023代表5V呢?這就是量化的精度了,我們也可以定2047=5V,這樣精度就更高。

這樣就得到:0.0049V=1;0.0098V=2;0.0147V=3;如此類推。

同理,數字信號也是可以轉換為摸擬信號的,只是過程相反,比如,數字MP3的歌曲經過數字解碼後,最後也得轉換為摸擬信號才可以通過揚聲器發美妙的聲音。例如LED的調光,也是一個數字信號轉換為摸擬信號經典實例,通過不同佔空比的PWM數字信號去控制RGB LED的顏色比例,就可以得到“無限”等級的亮度和顏色了。當然這裡所說的“無限”也是有一定的精度限制的。

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在電學中,將連續變化的電壓、電流等物理量稱為模擬信號,而離散變化的電壓、電流則稱為數字信號。下面我們通過幾個波形來詳細介紹一下模擬信號和數字信號的區別。
上圖是一個正弦波交流電流的波形,從波形圖可以看出,該交流電流的大小會隨著時間而連續變化,像這種隨著時間連續變化的物理量即為模擬信號。模擬信號在日常生活中很常見,譬如家用的220V交流電壓、環境溫度及光線的變化、蓄電池的放電、人的說話聲,這些皆為模擬信號。
數字信號的波形如上圖所示,是一個由一系列高低電平組成的離散變化的物理量。數字信號在生活中較少見,但各種數字電路及單片機的工作卻離不開數字信號。

在74LS系列數字電路(該系列的IC工作電壓為5V)中,其輸出電壓幅度≥2.4V,稱為高電平,並用數字“1”來表示;輸出電壓幅度≤0.4V,稱為低電平,並用數字“0”來表示,所以亦可以說,數字信號就是一系列的“0”和“1”的組合。
像我們家用的可PWM調光的LED照明燈,實際上就是由PWM調光IC輸出一系列波形如上圖所示的0、1數字信號來調節LED燈亮度的。“1”數字信號的寬度不同,LED燈的亮度亦不同。
模擬信號和數字信號之間是可以相互轉換的。想將模擬信號轉為數字信號,可以採用上圖所示的LM339電壓比較器對模擬信號進行整形即可。LM339的Ur端接0V參考電壓,模擬信號由LM339的Uin端輸入,這樣比較器的輸出即為數字信號。若想將數字信號轉為模擬信號,可以採用DAC轉換器(即數模轉換器)將數字信號轉為模擬信號。


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數字信號只有兩種狀態,非1即0,不是連續變化的,波形為方波;而模擬信號是由連續變化的信號組成的,可以以各種各樣的曲線形式表現出來。

在生活中,模擬信號和數字信號也隨處可見。比如一天裡的溫度、溼度等信息等都是模擬信號,可以連續變化;而家裡的電燈只有開關兩種狀態,就可以看做是一個數字信號,只能在0個1之間切換。

為了方面信息的處理、儲存和使用,往往需要將模擬信號和數字信號來回轉換。在電路中,將模擬信號轉化成數字信號的裝置叫模數轉換器(ADC);將數字信號轉換成模擬信號的裝修叫數模轉換器(DAC)。我們使用萬用表測量電壓時,就是通過內部的模數轉換芯片將電壓值轉化成數字信號後呈現在屏幕上的。而音樂播放器則是把磁盤裡的數字信息通過音頻解碼芯片轉化成模擬信號,再經過放大、濾波等處理以後驅動喇叭,我們才聽到悅耳的歌聲的。

希望我的回答能對你有所幫助!


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數字信號是一些離散的信號,數字信號通常使用1和0表示。

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模擬信號是一些連續的信號,用簡單的0和1不能夠表達清晰。

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數字信號,我們舉個例子,單片機的IO口輸出電平,要麼是高電平,要麼是低電平,這就是典型的數字信號。

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模擬電路,我們舉個例子,電池的電壓,隨著電池的使用,電壓會越來越低,這個就是典型的模擬值。

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由於模擬信號比較離散,需要經過處理才可以得到規律,所以目前電路中較複雜的模擬部分很大程度上都已經經過轉換成數字信號,便於單片機的處理。

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數字和模擬是電子技術中兩個重要的部分,需要互相配合才可以設計出良好的電路。


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粗略的解釋

模擬信號的意思就是好比燒水,0度到100度,用10毫安來表示。按比例分配下來的話,1個毫安10度。然而數字信號只有0和1,就是0度和100度。要麼燒要麼不燒,如果兩個結合就可以進行控制,我設置低於50度就開始加熱,就是模擬信號低於50毫安的時候,數字信號就變為1.通過特定的A/D模塊轉換可以將兩者進行轉化。


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數字數據採用數字信號(Digital Signal),例如用一系列斷續變化的電壓脈衝(如我們可用恆定的正電壓表示二進制數1,用恆定的負電壓表示二進制數0),或光脈衝來表示。

2、模擬數據一般採用模擬信號(Analog Signal),例如用一系列連續變化的電磁波(如無線電與電視廣播中的電磁波),或電壓信號(如電話傳輸中的音頻電壓信號)來表示;

3、當數字信號採用斷續變化的電壓或光脈衝來表示時,一般則需要用雙絞線、電纜或光纖介質將通信雙方連接起來,才能將信號從一個節點傳到另一個節點。

4、當模擬信號採用連續變化的電磁波來表示時,電磁波本身既是信號載體,同時作為傳輸介質;而當模擬信號採用連續變化的信號電壓來表示時,它一般通過傳統的模擬信號傳輸線路(例如電話網、有線電視網)來傳輸。

5、數字信號指自變量是離散的、因變量也是離散的信號,這種信號的自變量用整數表示,因變量用有限數字中的一個數字來表示。在計算機中,數字信號的大小常用有限位的二進制數表示。

6、模擬信號是指信息參數在給定範圍內表現為連續的信號。 或在一段連續的時間間隔內,其代表信息的特徵量可以在任意瞬間呈現為任意數值的信號。

1、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、更高音頻、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、電視所處理的音頻、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。

2、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。


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模擬信號指幅度的取值是連續的(幅值可由無限個數值表示)。時間上連續的模擬信號連續變化的圖像(電視、傳真)信號等,如圖1-1(a)所示。時間上離散的模擬信號是一種抽樣信號,如圖1-1(b)所示,它是對圖1-1(a)的模擬信號每隔時間T抽樣一次所得到的信號,雖然其波形在時間上是不連續的,但其幅度取值是連續的,所以仍是模擬信號,稱之為脈衝幅度調製(PAM,簡稱脈幅調製)信號。

數字信號指幅度的取值是離散的,幅值表示被限制在有限個數值之內。二進制碼就是一種數字信號。二進制碼受噪聲的影響小,易於有數字電路進行處理,所以得到了廣泛的應用。

1. 模擬通信

模擬通信的優點是直觀且容易實現,但存在兩個主要缺點。

(1) 保密性差

模擬通信,尤其是微波通信和有線明線通信,很容易被竊聽。只要收到模擬信號,就容易得到通信內容。

(2) 抗干擾能力弱

電信號在沿線路的傳輸過程中會受到外界的和通信系統內部的各種噪聲干擾,噪聲和信號混合後難以分開,從而使得通信質量下降。線路越長,噪聲的積累也就越多。

2. 數字通信

(1) 數字化傳輸與交換的優越性

① 加強了通信的保密性。語音信號經A/D變換後,可以先進行加密處理,再進行傳輸,在接收端解密後再經D/A變換還原成模擬信號。

數字加密處理可簡單描述如下,Y1表示語音變成的數字信號Y1=1011101100001,採用8位密碼C=10001101。在送到傳輸線路之前,將密碼“加”到語音碼中去,X=Y1+C(密碼C連續重複),則傳輸的數字信號為

X=Y1+C=1011101100001 Y1

+1000110110001 C

-------------

0011011010000 X

顯然X≠Y1,即便有人竊聽到X碼,也不能馬上得到Y1碼。在接收端,只要再將相同密碼C與數碼X相加,就能豐碑成原來的語音數碼Y1,即

Y1=X+C=0011011010000 X

+1000110110001 C

-------------

1011101100001 Y1

可見,語音數字化為加密處理提供了十分有利的條件,且密碼的位數越多,破譯密碼就越困難。

② 提高了抗干擾能力。數字信號在傳輸過程中會混入雜音,可以利用電子電路構成的門限電壓(稱為閾值)去衡量輸入的信號電壓,只有達到某一電壓幅度,電路才會有輸出值,並自動生成一整齊的脈衝(稱為整形或再生)。較小雜音電壓 到達時,由於它低於閾值而被過濾掉,不會引起電路動作。因此再生的信號與原信號完全相同,除非干擾信號大於原信號才會產生誤碼。為了防止誤碼,在電路中設置了檢驗錯誤和糾正錯誤的方法,即在出現誤碼時,可以利用後向信號使對方重發。因而數字傳輸適用於較遠距離的傳輸,也能適用於性能較差的線路。

③ 可構建綜合數字通信網。採用時分交換後,傳輸和交換統一起來,可以形成一個綜合數字通信網。

(2) 數字化通信的缺點

① 佔用頻帶較寬。因為線路傳輸的是脈衝信號,傳送一路數字化語音信息需佔20?64kHz的帶寬,而一個模擬話路只佔用4kHz帶寬,即一路PCM信號佔了幾個模擬話路。對某一話路而言,它的利用率降低了,或者詳它對線路的要求提高了。

② 技術要求複雜,尤其是同步技術要求精度很高。接收方要能正確地理解發送方的意思,就必須正確地把每個碼元區分開來,並且找到每個信息組的開始,這就需要收發雙方嚴格實現同步,如果組成一個數字網的話,同步問題的解決將更加困難。

③ 進行模/數轉換時會帶來量化誤差。隨著大規模集成電路的使用以及光纖等寬頻帶傳輸介質的普及,對信息的存儲和傳輸,越來越多使用的是數字信號的方式,因此必須對模擬信號進行模/數轉換,在轉換中不可避免地會產生量化誤差。


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模擬信號是用模擬量的電壓或電流來表示的電視信號,時間上是連續的,幅度變化也是連續的。數字信號是通過0和1的數字串所構成的數字流來傳輸的,幅度變化是跳變的。

模擬信號和數字信號的根本區別就是傳輸的形式不一樣,數字信號要比模擬信號穩定。數字信號比模擬信號好用多了,更加清晰,接受信號能力更強。現在一般都使用數字信號了,模擬信號用的已經很少了,模擬信號並不是非常的好用。


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數字信號通過有線傳輸信號,畫面清晰度模擬信號是通過發射塔發射信號,覆蓋範圍小,清晰度低。


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