模擬信號(hào)和數(shù)字信號(hào)講堂(八)，模擬信號(hào)和數(shù)字信號(hào)中的“數(shù)字”與“模擬”

模擬信號(hào)和數(shù)字信號(hào)每天都在使用，但對(duì)于模擬信號(hào)和數(shù)字信號(hào)，你真的了解嗎?本文中，將對(duì)模擬信號(hào)和數(shù)字信號(hào)的含義、模擬信號(hào)和數(shù)字信號(hào)的轉(zhuǎn)換以及模擬信號(hào)和數(shù)字信號(hào)中的“數(shù)字”和“模擬”加以講解，以增進(jìn)大家對(duì)模擬信號(hào)和數(shù)字信號(hào)的認(rèn)識(shí)。如果你對(duì)本文即將涉及的內(nèi)容存在興趣，不妨繼續(xù)往下閱讀哦。

模擬信號(hào)和數(shù)字信號(hào)有著很大的區(qū)別。模擬信號(hào)是用連續(xù)變化的數(shù)值來表示要說明的信息;數(shù)字信號(hào)是用有限個(gè)“0”和“1”的代碼來表示信息中某一個(gè)字符，當(dāng)很多字符組合起來時(shí)，才能表達(dá)完整的信息。

一、模擬信號(hào)與數(shù)字信號(hào)

不同的數(shù)據(jù)必須轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的信號(hào)才能進(jìn)行傳輸：模擬數(shù)據(jù)一般采用模擬信號(hào)(Analog Signal)，例如用一系列連續(xù)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(hào)(如電話傳輸中的音頻電壓信號(hào))來表示;數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)則采用數(shù)字信號(hào)(Digital Signal)，例如用一系列斷續(xù)變化的電壓脈沖(如我們可用恒定的正電壓表示二進(jìn)制數(shù)1，用恒定的負(fù)電壓表示二進(jìn)制數(shù)0)，或光脈沖來表示。 當(dāng)模擬信號(hào)采用連續(xù)變化的電磁波來表示時(shí)，電磁波本身既是信號(hào)載體，同時(shí)作為傳輸介質(zhì);而當(dāng)模擬信號(hào)采用連續(xù)變化的信號(hào)電壓來表示時(shí)，它一般通過傳統(tǒng)的模擬信號(hào)傳輸線路(例如電話網(wǎng)、有線電視網(wǎng))來傳輸。當(dāng)數(shù)字信號(hào)采用斷續(xù)變化的電壓或光脈沖來表示時(shí)，一般則需要用雙絞線、電纜或光纖介質(zhì)將通信雙方連接起來，才能將信號(hào)從一個(gè)節(jié)點(diǎn)傳到另一個(gè)節(jié)點(diǎn)。

二、模擬信號(hào)與數(shù)字信號(hào)之間的相互轉(zhuǎn)換

模擬信號(hào)和數(shù)字信號(hào)之間可以相互轉(zhuǎn)換：模擬信號(hào)一般通過PCM脈碼調(diào)制(Pulse Code ModulaTIon)方法量化為數(shù)字信號(hào)，即讓模擬信號(hào)的不同幅度分別對(duì)應(yīng)不同的二進(jìn)制值，例如采用8位編碼可將模擬信號(hào)量化為2^8=256個(gè)量級(jí)，實(shí)用中常采取24位或30位編碼;數(shù)字信號(hào)一般通過對(duì)載波進(jìn)行移相(Phase Shift)的方法轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào)。計(jì)算機(jī)、計(jì)算機(jī)局域網(wǎng)與城域網(wǎng)中均使用二進(jìn)制數(shù)字信號(hào)，目前在計(jì)算機(jī)廣域網(wǎng)中實(shí)際傳送的則既有二進(jìn)制數(shù)字信號(hào)，也有由數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換而得的模擬信號(hào)。但是更具應(yīng)用發(fā)展前景的是數(shù)字信號(hào)。

在信號(hào)這個(gè)大家族中，有兩兄弟特別引人注目，就是“模擬”和“數(shù)字”。

三、什么是“模擬”?

“模擬”是“數(shù)字”的兄長(zhǎng)。

“模擬”是對(duì)我們生活的實(shí)體的一種表達(dá)方式。

比如說你在看一本書，白紙黑字映入你的眼簾，在你的大腦中就會(huì)有反應(yīng)，你從書中知道了一些東西，我們說印在紙上的字是一種“模擬”。與此相類似，你用筆在紙上記下的一個(gè)電話號(hào)碼或是寫下的一首詩歌，還有刻在石頭上的古代碑文，這些都是“模擬”。除了文字以外，我們?cè)谏钪羞€能見到許多“模擬”的東西，比如說一幅風(fēng)景畫，又比如說你在電視上或是電影院的屏幕上看到聽到了孩子們的歡歌笑語，你在電話里聽到了朋友的聲音。

“模擬”需要載體或是信息的存儲(chǔ)媒體，比如說一張白紙，又比如說是一盒膠卷。

“模擬”需要工具，比如說你有一臺(tái)電視機(jī)，那么電視機(jī)的熒光屏和喇叭都屬于模擬設(shè)備。

“模擬”需要傳播方式，比如說你可以和一個(gè)十幾米外的朋友說話，但是如果你的朋友在幾百公里以外，你就不得不需要電話，電話網(wǎng)通過“模擬信號(hào)”將你的聲音傳到了幾百公里甚至幾千公里以外。

四、什么是“數(shù)字”?

類似于“模擬”，數(shù)字也是我們生活中的實(shí)體的一種表達(dá)方式。

你可以用筆在紙上記下一個(gè)電話號(hào)碼，也可以把這個(gè)電話號(hào)碼輸入你的計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)器;你可以看一本印刷成冊(cè)的書，也可以看存儲(chǔ)在CD-ROM中的電子出版物;你可以聽收音機(jī)播放的音樂，也可以聽一盤音樂光盤(CD)。

數(shù)字信息的最小度量單位叫做“比特”，有時(shí)也叫“位”，意即二進(jìn)制的一位。在媒體中傳輸?shù)挠嵦?hào)是以比特的電子形式組成你的數(shù)據(jù)。

比特的定義是：比特是一種存在的狀態(tài)：開或關(guān)，真或偽，上或下，入或出，黑或白。出于實(shí)用的目的，我們把比特想成1或0。

應(yīng)該說這個(gè)定義相當(dāng)準(zhǔn)確，但一個(gè)在電腦和英語方面知識(shí)程度不高的人仍然沒有弄懂“比特”究竟是什么。

“比特”是英語bit一詞的音譯。bit一詞是由binary(二進(jìn)制的)和digit(數(shù)字)兩個(gè)詞壓縮而成的，所以bit即“二進(jìn)制數(shù)字”，亦即0和1?！皵?shù)字時(shí)代”準(zhǔn)確的意思是“二進(jìn)制數(shù)字時(shí)代”或“比特時(shí)代”那么這0和1到底是什么意思呢?我們從一個(gè)簡(jiǎn)單的例子說起。

在使用電腦的時(shí)候，我們可以根據(jù)我們的需要和喜好，通過一些位于顯示器底部的旋鈕來調(diào)節(jié)顯示圖形，在這些旋鈕下面，分別寫著center(居中度)、size(大小)、brightness(亮度)、contrast(對(duì)比度)。這些調(diào)節(jié)都有一定的可調(diào)幅度，我們可能在這個(gè)幅度內(nèi)任意選擇哪一種居中度、大小等。除這些旋鈕外，還有一個(gè)“機(jī)關(guān)”卻不是這樣，這個(gè)機(jī)關(guān)的兩邊分別寫著0和1。這就是顯示屏的開關(guān)。它沒有調(diào)節(jié)幅度，通過它我們只能選擇非此即彼的兩種狀態(tài)：開(on)和關(guān)(off)。顯示屏的亮度、對(duì)比度等都有兩個(gè)極點(diǎn)，在這兩個(gè)極點(diǎn)之間的“值”是多值性的。而開關(guān)的周期只有兩個(gè)值，即它的兩個(gè)極點(diǎn)?！斑M(jìn)制”的“進(jìn)”，就是周期所包含的“值”。比如“十進(jìn)制”數(shù)字，就是一個(gè)變化周期里包含十個(gè)“值”數(shù)字。同樣道理，二進(jìn)制數(shù)字就是變化周期里包含二個(gè)值的數(shù)字。我們采用何種“進(jìn)制”對(duì)一種事物的存在狀態(tài)計(jì)數(shù)，表面上，要看衡量事物狀態(tài)的“值”的多少，其實(shí)“進(jìn)制”與事物的狀態(tài)值并無必然的、唯一的關(guān)聯(lián)。事實(shí)上，電腦完全可以用0和1這兩個(gè)數(shù)字將多進(jìn)制狀態(tài)的“值”表示或“翻譯”出來。數(shù)是抽象的，但數(shù)的觀念卻源于人的具體的感覺經(jīng)驗(yàn)。我們對(duì)于十進(jìn)制計(jì)數(shù)方法習(xí)以為常。當(dāng)一個(gè)人說“一年有12個(gè)月”這句話時(shí)，他可能覺得“12”這個(gè)數(shù)字唯一正確地表示了一年的月份數(shù)。進(jìn)而他可能會(huì)認(rèn)為，數(shù)字與事物的數(shù)量同樣都是客觀的--除了說一年有12個(gè)月，你還能說一年有多少個(gè)月?

這是對(duì)于數(shù)字本質(zhì)的一種似是而非的看法。極端地說，對(duì)于“一年有多少個(gè)月”這個(gè)問題，可以有很多不同的“答案”。這樣說聽起來簡(jiǎn)直荒唐透頂，細(xì)究起來卻并不然。當(dāng)我們采用不同進(jìn)制來表示事物的數(shù)量時(shí)，我們對(duì)事物的數(shù)量就可以說出不同的“答案”，而且這些“答案”都是對(duì)的。比如可以說一人有65歲，也可說他有01000001歲。只是后一種說法我們聽起來相當(dāng)別扭，因?yàn)槲覀冊(cè)缫蚜?xí)慣了用十進(jìn)制數(shù)字來表達(dá)數(shù)量。如果采用“六進(jìn)制”數(shù)字(世界上似乎還沒有哪個(gè)民族采用過這種進(jìn)制的數(shù)字)，那么就可以說一年有二“六”個(gè)月。如果螃蟹有朝一日進(jìn)化到與人接近的水平，它們很可能采用“八進(jìn)制數(shù)字”來計(jì)數(shù)，那么在它們看來，一年就有一“八”又四個(gè)月。

這樣說并非完全是開玩笑。我只是想說明，“數(shù)字”其實(shí)并非我們通常所認(rèn)為的那樣“客觀”。說到底，它是人對(duì)于客觀事物的數(shù)量的主觀映象。

除了“比特”(bit)，我們還經(jīng)常會(huì)遇到幾個(gè)數(shù)字信息度量單位。字節(jié)(byte)是一種比“比特”更抽象或是高級(jí)的度量單位，一般來說，一個(gè)字節(jié)有8位，即8個(gè)比特。還有三個(gè)縮寫，“K”、“M”和“G”。1K=1024，在中文里我們通常叫它“千”;1M=1024&TImes;1K，在中文里我們通常叫它“兆”;1G=1024&TImes;1M，在中文里我們通常叫它“千兆”或者“吉”。

比特(位)通常用于數(shù)據(jù)在網(wǎng)絡(luò)上傳輸?shù)那闆r下，比如我們一般都說這條電話線一秒鐘可以傳送9600比特的二進(jìn)制流，而不是說1200字節(jié)。字節(jié)通常用在數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)系統(tǒng)中，比如說這個(gè)文件的大小是2M，這里指的是字節(jié)而不是比特，又比如是1.44M軟盤、20G硬盤，指的也是字節(jié)。

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