模拟信号与数字信号的优缺点及之间的转化

模拟信号与数字信号之间的优缺点及两者之间的转换

概述：信号数据可用于表示任何信息，如符号、文字、语音、图像等，从表现形式上可归结为两类：模拟信号和数字信号。模拟信号与数字信号的区别可根据幅度取值是否离散来确定。

模拟数据(Analog Data)是由传感器采集得到的连续变化的值，例如温度、压力，以及目前在电话、无线电和电视广播中的声音和图像。数字数据(Digital Data)则是模拟数据经量化后得到的离散的值，例如在计算机中用二进制代码表示的字符、图形、音频与视频数据。目前，ASCII美国信息交换标准码(American Standard Code for Information Interchange)已为ISO国际标准化组织和CCITT国际电报电话咨询委员会所采纳，成为国际通用的信息交换标准代码，使用7位二进制数来表示一个英文字母、数字、标点或控制符号；图形、音频与视频数据则可分别采用多种编码格式。

模拟信号与数字信号：

（1）模拟信号与数字信号：

不同的数据必须转换为相应的信号才能进行传输：模拟数据一般采用模拟信号(Analog Signal)，例如用一系列连续变化的电磁波(如无线电与电视广播中的电磁波)，或电压信号(如电话传输中的音频电压信号)来表示；数字数据则采用数字信号(Digital Signal)，例如用一系列断续变化的电压脉冲(如我们可用恒定的正电压表示二进制数1，用恒定的负电压表示二进制数0)，或光脉冲来表示。当模拟信号采用连续变化的电磁波来表示时，电磁波本身既是信号载体，同时作为传输介质；而当模拟信号采用连续变化的信号电压来表示时，它一般通过传统的模拟信号传输线路(例如电话网、有线电视网)来传输。当数字信号采用断续变化的电压或光脉冲来表示时，一般则需要用双绞线、电缆或光纤介质将通信双方连接起来，才能将信号从一个节点传到另一个节点数字信号，只要走了，则为有信号，不走则为无信号，走的时间越长则信号越强，脉冲宽度越短同样信号也越强。

总之数字信号的优点：容量大，抗干扰能力强，保密性好，同样的发射功率传输距离更远，受地形或障碍物影响较小，接口丰富，扩展能力强等等。

（2）模拟信号与数字信号之间的相互转换：

模拟信号和数字信号之间可以相互转换：模拟信号一般通过PCM脉码调制(Pulse Code Modulation)方法量化为数字号，即让模拟信号的不同幅度分别对应不同的二进制值，例如采用8位编码可将模拟信号量化为2^8=256个量级，实用中常采取24位或30位编码；数字信号一般通过对载波进行移相(Phase Shift)的方法转换为模拟信号。计算机、计算机局域网与城域网中均使用二进制数字信号，目前在计算机广域网中实际传送的则既有二进制数字信号，也有由数字信号转换而得的模拟信号。但是更具应用发展前景的是数

字信号。

模拟信号指幅度的取值是连续的(幅值可由无限个数值表示)。时间上离散的模拟信号是一种抽样信号，它是对模拟信号每隔时间T抽样一次所得到的信号，虽然其波形在时间上是不连续的，但其幅度取值是连续的，所以仍是模拟信号，称之为脉冲幅度调制(PAM，简称脉幅调制)信号。信号波形模拟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，它又叫离散信号。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。

从模拟信号转换到数字信号一般要经过抽样、量化和编码这样三个过程，最终变成由一连串由0和1来代表的脉冲数字信号。数字信号首先应用在通信上，导致了通信的一次革命。模拟信号的规则是以控制形成量从而控制输出的，而数字信号则是利用开和关，利用一个特定的编码规则（也可以理解为以前发电报的那种编码），从而控制输出数字信号是存在高低量之分，而模拟信号则存在由高至低全阶段的形成量之区分。

模拟通信的优点是直观且容易实现，但存在重要缺点：

（1）保密性差

模拟通信，尤其是微波通信和有线明线通信，很容易被窃听。只要收到模拟信号，就容易得到通信内容。

（2）抗干扰能力弱

电信号在沿线路的传输过程中会受到外界的和通信系统内部的各种噪声干扰，噪声和信号混合后难以分开，从而使得通信质量下降。线路越长，噪声的积累也就越多。

大家都有经验：翻录录音带、录像带，每翻录一次，声音、图像质量就差一次，原因就在此。

2、数字通信

（1）数字化传输与交换的优越性：

①加强了通信的保密性。语音信号经A／D变换后，可以先进行加密处理，再进行传输，在接收端解密后再经D/A变换还原成模拟信号。

②提高了抗干扰能力。数字信号在传输过程中会混入杂音，可以利用电子电路构成的门限电压(称为阈值)去衡量输入的信号电压，只有达到某一电压幅度，电路才会有输出值，并自动生成一整齐的脉冲(称为整形或再生)。较小杂音电压到达时，由于它低于阈值而被过滤掉，不会引起电路动作。因此再生的信号与原信号完全相同，除非干扰信号大于原信号才会产生误码。为了防止误码，在电路中设置了检验错误和

纠正错误的方法，即在出现误码时，可以利用后向信号使对方重发。因而数字传输适用于较远距离的传输，也能适用于性能较差的线路。

③可构建综合数字通信网。采用时分交换后，传输和交换统一起来，可以形成一个综合数字通信网。

（2）数字化通信的缺点：

①占用频带较宽。因为线路传输的是脉冲信号，传送一路数字化语音信息需占20-64kHz的带宽，而一个模拟话路只占用4kHz带宽，即一路PCM信号占了几个模拟话路。对某一话路而言，它的利用率降低了，或者详它对线路的要求提高了。

②技术要求复杂，尤其是同步技术要求精度很高。接收方要能正确地理解发送方的意思，就必须正确地把每个码元区分开来，并且找到每个信息组的开始，这就需要收发双方严格实现同步，如果组成一个数字网的话，同步问题的解决将更加困难。

③进行模/数转换时会带来量化误差。随着大规模集成电路的使用以及光纤等宽频带传输介质的普及，对信息的存储和传输，越来越多使用的是数字信号的方式，因此必须对模拟信号进行模/数转换，在转换中不可避免地会产生量化误差。

总结：在通信由模拟向数字化转换后，带来的好处是人人共知的：以前用模拟的纵横制交换机，一个城市局间的接通率不到20%，农村有线广播一开，农村电话就没法打了，全是干扰音……用了全数字的程控交换机和数字传输电路以后，电话接通率大大提高，传输质量做到几乎听不到噪声，组成了以地级市为区域的本地通信网……可以说是一个翻天覆地的变化。几年以后电视实现数字化后，将又是一场革命。

实用案例：

案例1：某市某五星级酒店400多台电视，轻松实现60个机顶盒节目全部共享，可以观看免费和收费节目，从而客运不改变酒店房间的现有布局，且费用低廉，管理方便。

案例2：某县一级中学有200个教室，数字电视整体转换后需要200台机顶盒。学校要求自己原来的闭路电视系统功能保留，然后再加上18个数字电视节目（如常用的央视和各大教育频道等）。公司给学校数字电视改造后，只需要18台机顶盒，利用原来的闭路电视机房和线路，重新加入数字电视前端机房，两者合二为一，完全满足学校的要求，既方便又省钱省心。