模擬信號
模擬信號（英語：analog signal）是指在時域上數學形式為連續函數的信號。與模擬信號對應的是數碼信號，後者採取分立的邏輯值，而前者可以取得連續值。模擬信號的概念常常在涉及電的領域中被使用，不過經典力學、水力學、空氣動力學（Pneumatic）等學科有時也會使用模擬信號的概念。
概述[編輯]
模擬信號利用對象的一些物理屬性來表達、傳遞資訊。例如，非液體氣壓表利用指針螺旋位置來表達壓力資訊。在電學中，電壓是模擬信號最普遍的物理媒介，除此之外，頻率、電流和電荷也可以被用來表達模擬信號。
任何的資訊都可以用模擬信號來表達。這裏的信號常常指物理現象中被測量對變化的響應，例如聲音、光、溫度、位移、壓力，這些物理量可以使用感測器測量。模擬信號中，不同的時間點位置的信號值可以是連續變化的；而對於數碼信號，不同時間點的信號值總是處於預先設置的離散點，因此如果物理量的真實值不能在這些預設值中被找到，那麼這時數碼信號就與真實值存在一定的偏差。
解像度[編輯]
理論上，模擬信號的解像度趨近無窮大。不過在實際情況中，模擬信號的解像度常常會受雜訊和信號擺率（Slew Rate）的限制。因此，現實中的模擬信號和數碼信號的解像度和頻寬都有一定的限制。在一些非常複雜的模擬系統中，諸如非線性問題和雜訊等效應會降低模擬信號的解像度，以至於此時它的解像度甚至低於特定的數碼信號系統。類似的，當數碼系統變得複雜時，數碼資料流裏會產生錯誤。在實際的系統中，往往需要綜合應用兩種形式的信號，從而使系統獲得最好的工作效能。
優點[編輯]
模擬信號的主要優點是其精確的解像度，在理想情況下，它具有無窮大的解像度。[1]與數碼訊號相比，模擬信號的資訊密度更高。[2]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，模擬信號處理比數碼訊號處理更簡單。模擬信號的處理可以直接通過模擬電路元件（例如運算放大器等）實現，[3]而數碼訊號處理往往涉及複雜的演算法，甚至需要專門的數碼訊號處理器。
缺點[編輯]
模擬信號的主要缺點是容易受到雜訊（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，這些隨機雜訊的影響可能會變得十分顯著。在電學裏，使用接地封鎖（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。[4]
雜訊效應會使信號產生失真，失真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雜訊信號進行放大。如果雜訊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，[5]過濾掉特定頻率的雜訊，但是這一方案只能盡可能地降低雜訊的影響。因此，在雜訊在作用下，雖然模擬信號理論上具有無窮解像度，但並不一定比數碼信號更加精確。
儘管數碼信號處理演算法相對複雜，但是現有的數碼信號處理器可以快速地完成這項任務。[6]電腦等系統逐漸普及也使得數碼信號的傳播和處理變得更加方便。諸如照相機等裝置都逐漸實現數碼化，儘管它們最初必須以模擬信號的形式接收真實物理量的資訊，最後都會通過模擬數碼轉換器轉換為數碼信號，以方便電腦進行處理，或通過互聯網進行傳輸。
將模擬信號數碼化的理由[編輯]
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- 模擬系統較容易受到雜訊的影響，而數碼系統則較不易受雜訊影響。並且，對於長距離傳輸，可以在路徑上的任何位置，無誤差的重新產生和原始信號相同的信號，並且傳輸通過該位置後所剩下的距離。
- 在模擬系統中，要在相同傳輸架構下整合不同的服務相對數碼系統更加困難。所以，實務上，我們一般以數碼方式呈現影像以及聲音。
- 數碼傳輸系統不須因信號源的性質而有所改變。例如，數碼傳輸系統可以用10kbps的速率來傳輸聲音或者傳輸電腦資訊，而這是模擬系統不易達成的。
- 處理模擬信號的電路較不容易複製，並且數碼電路對於溫度或震動等的影響較不敏感。
- 我們很容易描述數碼信號的特徵，而且一般數碼信號的振幅範圍與變化都比模擬信號來的更小，所以從硬件設計的角度來看，更加容易。
雖然，幾乎所有的傳遞媒介，例如電纜、無線電波、光纖等，應用在數碼或模擬信號上都可以，但是數碼技術相較於模擬技術，可以更有效的利用這些媒介，例如以下所說的方法，更容易應用在數碼技術：
- 媒介分享策略，例如說多工技術，應用於數碼傳輸比起模擬傳輸更加容易。
- 有許多技術，例如對信號源的編碼，可以很好地移除在數碼傳輸系統中的累贅資訊，降低真正的傳輸資訊量，節省頻寬。
- 有許多技術，例如頻道編碼，可以將累贅資訊加到數碼傳輸中，達到校正接收器端的傳輸誤差的效果。
- 數碼技術相較於模擬技術，更容易制定出嚴謹的全球標準與規範。標準與規範可以保證我們即使不同的製造商生產出不同特性的通訊元件，他們之間仍可以有一定的互通性。
- 其他技術，如等化效應之頻道補償技術，相較於模擬傳輸，也更容易應用在數碼傳輸技術上。
調制[編輯]
利用信號的調變技術，可以將信號轉換成所需要的不同性質的模擬信號。例如，可以對正弦載波進行調幅、調頻來達到特殊的工作目的。
參見[編輯]
參考文獻[編輯]
- ^ "Digital Signal Processing: Instant access." Butterworth-Heinemann – Page 3
- ^ "Concise Dictionary of Computing." Penguin Reference – Penguin Books – pages 11–12.
- ^ "Digital Signal Processing: Instant access." Butterworth-Heinemann – pages 2–3
- ^ 章亞明. 嵌入式控制系統應用設計. 北京: 北京郵電大學出版社. 2010年. ISBN 978-7-5635-2359-7.
- ^ 童詩白、華成英 主編. 模拟电子技术基础（第四版）. 高等教育出版社. 2006. ISBN 978-7-04-018922-3.
- ^ Andrew Bateman, Iain Paterson-Stephens. DSP算法、應用與設計（英文名：Algorithms, Applications and Design Techniques）. 機械工業出版社. 2003. ISBN 7-111-12204-6.
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