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做过工,开过荒,教过书,扛过枪,当过干部仍在党,现任公司董事长。业余以探索天地人和谐之道为乐!

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(原创)什么是数码信号?(图)  

2009-07-21 00:08:39|  分类: 信息科学札记 |  标签: |举报 |字号 订阅

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人类社会进入了信息时代,数码照相机、数码摄像机、数码手机……等琳琅满目的数码电子产品进入我们的生活。其实电脑和网络也都是数码技术的产物,因为它们存储和处理的信号大都是数码信号。那么什么是数码信号呢?且听周法哲慢慢为您“科普”一把。

在自然界和人类生活中产生的物理信号,都是随时间变化的。如果时间是连续的,那么这种信号在科学上叫做连续时间信号,也简称连续信号。如果信号的幅度取值也是连续变化的,则又称之为模拟信号。比如某地点的气温,不仅时间上是连续变化的,而且温度数值也是连续变化的,实时记录下来的气温信号就是典型的模拟信号。所谓“模拟信号”,就是指信号的曲线完全模拟了某种实际量随时间连续变化的自然情况。一般模拟信号的图象如下图所示:

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图1 模拟信号

电脑并不能直接存储和处理模拟信号,为此必须把模拟信号离散化。如果对模拟信号只抽取一系列孤立时间点上的瞬时值(这个过程叫做抽样或采样),那么得到的信号就叫做离散时间信号,简称离散信号。特别地,对模拟信号按一定的时间间隔Ts抽样后,得到的离散时间信号记为

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如下图所示:

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图2 离散信号

上述抽样得到的离散信号在时间上是离散的,但在信号幅度的可能取值上仍然是连续的。这样的离散信号用电脑处理起来仍然是不方便的。我们如果把信号的幅值也按一定的数量单位q的整数倍分“台阶”量化,则可得到一种不仅时间上离散而且幅度取值也离散的信号,这就是数字信号,记为xq(n)。如下图所示:

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图3 数字信号

尽管数字信号与模拟信号相比存在采样和量化的误差,但现代的IT技术已经成熟地实现了对这些误差的限制和滤除,能够使数字信号完全包含模拟信号的全部信息,必要时完全可以恢复出模拟信号的原貌。工程技术实践中通常先把模拟信号转换成数字信号(这个过程叫做模数转换或A/D转换);送交电脑随心所欲地存储、处理和传输;需要展现时再把数字信号转换成模拟信号(这个过程叫做数模转换或D/A转换)输出给人们,结果使得我们从电脑外部设备听到的声音、看到的图象和文字等仍然是模拟自然的。

实际上“万能”的电脑只会作二进制数的加法,所以我们还必须把数字信号的量化幅值再用二进制数字来表示。这种用二进制数字编码表示的信号就叫做数码信号,记为xB(n)。如下图所示:

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图4 数码信号

所谓“二进制数”就是使用的数字只有两个――“0”和“1”(便于用电子器件的“关”和“开”来表示)、运算规则只有一条――“逢二进一”的数制。比如用3位二进制数000表示0,用001表示1,用010表示2,用011表示3,用100表示4,用101表示5,用110表示6,用111表示7。这样用3个电子开关的不同状态编码,就可以表示出从0到7共8个数。当然使用更多的电子开关(现在超大规模集成电路即IC器件很容易实现),就可以表示出更多的数字乃至任何符号信息。

聪明的朋友们可能已经明白了,无论我们向计算机输入或计算机向我们输出了什么信息(包括最复杂的彩色视频活动图象),计算机及其网络系统的最底层硬件所处理、存储和传输的都只能是一系列二进制数字编码信号。例如上述的数码信号实际上都最终被软件和硬件变换成了二进制数字编码的脉冲序列信号,简称数码信号序列。如下图所示:

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图5 数码信号序列

在计算机的CPU(中央处理单元)看来,上述的数码信号序列已经充分包含了图1所示的模拟信号的全部信息。

好了!总结一下:连续时间信号如果幅值也连续,就是模拟信号;模拟信号经抽样后就是离散信号;幅值也量化的离散信号就是数字信号;再经过二进制编码就是数码信号;把一系列数码信号按时间顺序排列起来就是数码信号序列。数码信号或数码信号序列就可以交由电脑存储、处理和传输了。如下图所示:

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图6 数码信号的产生过程

现在集成电路(IC器件)尤其是电脑CPU和内存器件的造价日益降低,使得我们的电视机、空调、电冰箱、微波炉、电磁炉等家用电器都可以轻易而举地采用数码信号来控制,人类生活的数码化时代已经悄然而至。

(作者:周法哲2009-7-20于上海)

 

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