1.1 数字信号的基本概念

1.1.1 模拟信号与数字信号

自然界中有许多物理量，如温度、压力、速度、流量、声音、位移等，它们一般都具有连续变化的特点。这些在数值上和时间上都连续变化的物理量称为模拟量，它们可以在一定范围内取任意的实数值。在工程应用中，为了测量、传递和处理这些物理量，通常用传感器将它们转换为与之成比例的电（电压或电流）信号，这些电信号表示和模拟了实际的物理量，故称之为模拟信号，其电压值或电流值在一定范围内是连续变化的。处理模拟信号的电路称为模拟电路。例如，人们常用温度传感器将温度信号转换为电压信号。图1.1.1（a）所示为某温度传感器在一段时间内输出的电压信号波形。该波形是与时间有关的，并且是一条平滑、连续变化的曲线。

图1.1.1 与温度变化相应的电信号

与模拟量相对应的另一类物理量称为数字量。数字量在数值上不是连续变化的，其变化总是发生在一些离散的瞬间；数值的大小和每次的增减都是某个最小数量单位的整数倍。例如，每月工厂产品数量的统计、每天通过某大桥车辆数量的统计，得到的结果就是一个数字量，这个数字量的最小数量单位是1，小于1的数值没有物理意义。我们把这种在时间上和数值上都离散的物理量称为数字量。表示数字量的电信号称为数字信号。处理数字信号的电路称为数字电路。由于数字电路的各种功能是通过逻辑运算和逻辑判断来实现的，所以，又将数字电路称为数字逻辑电路。

尽管自然界中大多数物理量是模拟量，但它们仍可以用数字量的形式来表示。例如，图1.1.1（a）是表示温度的模拟电压信号，如果每隔2小时对此电压信号进行一次取样，则得到的信号如图1.1.1（b）中的圆点所示。该信号是时间离散、幅值离散的取样信号。

再将取样信号量化。这里，为便于理解，选取量化单位为1V[1]。用取样点的值除以量化单位并按照“四舍五入”方式取整数（然后用4位二进制表示该整数）,A点量化后的数值为3，用0011表示；B点为2.6V，量化后的数值为3，也用0011表示；C点为2.1V，量化后的数值为2，用0010表示；……。按照此方法，就可以得到时间离散、幅值离散，并且能用多位二进制数表示的数字信号，如图1.1.1（c）中的实线所示。将模拟量转换成数字量的方法将在本书第10章详细讨论。