信号是怎么被变成海绵宝宝的通信原理
2023-4-9 来源：不详 浏览次数：次每周几块汽车知识拼图，做工作的艺术家。——李自在
尺寸工程师先复习一下前面的基础知识：
信息：可以是光，声音等等
信源：将信息转化为电信号
发信机：把电信号处理成信道需要的格式
信道：信息传输的通道
收信机：把信道传来的电信号进行纠错处理，减小噪音的影响。
信宿：接收到通过信道传递过来的电信号，然后把它还原成信息。
本篇讲一下信源是怎么把信号转换成电信号的，行话叫“信源编码”。
第一大部分是模数转换，再来复习一下：
模拟信号：连续信号，模仿自然界中的信号的样子。
数字信号：离散信号，用高低电平表达
其实模数转换可以脑补成把正弦信号转化为方波信号。拢共分三步。
采样，量化，编码。
时间还早，我们一样一样讲。
采样
以正弦信号的时域图为例，采样就是在横轴（时间）上选择一些点，然后确定该时刻对应的信号大小。是不是很像微积分里面对函数的微分过程。
那点怎么选呢，可以定义一个采样的频率，比如Hz,就是在1s的时间内均匀的选择个采样点。
这里有一个定理，叫奈奎斯特–香农(Nyquist-Shannon)采样定理：采样频率必须大于信号最高频率的两倍。
于是，问题来了。
1.自然信号都可以拆分成不同频率信号的叠加，这个最高频率基本是可以无限细分下去的，找不到最高频信号啊
这里要提到信道，信道是传递信息的通道，这个通道对频率是有限制的，要求在一个频率范围内，这个频率范围叫作带宽。
如果超过了信道带宽，超出部分的传输就会受到影响，会失真。
那么，为了能够保证满足带宽要求，就会在进入信道之前对放荡不羁爱自由的信号进行处理，通过一种设备叫作滤波器，把一定频率范围内的信号留下，其他的剔除。
滤波器也有很多种，这里只提低通滤波器和高通滤波器，低通就是低于一个频率标准的信号留下，高通就是高于一个频率标准的信号留下。
我们想让信号的频率限制在一个小范围内，那可想而知应该选择低通滤波器。
2.为什么要大于2倍？
这部分以我的理解解释不一定非常准确，大家批判性地看[捂脸]。
首先，取样最终的目的是为了还原信号。
这里拿电影举例子，先铺垫一些信息：
我们知道电影其实都是用一帧一帧的图片组成的，由于人的眼睛有视觉残留的现象，所以在以一定的速度放这些图片的时候，大家就觉得不是在放独立的图片，而是在放一个连续动作。这个速度叫做帧率（单位是FPS，FramesperSecond），其实就是频率，因为是图像领域的专有名词，所以没用赫兹（Hz）为单位。
电影采用24FPS来拍摄，这是平衡成本和人眼识别的结果。
其实这个24FPS就是对一个现实的动作画面进行采样，而人去看这个电影，就是对这个采样完的信号进行还原。
那么，如果采样率太低，比如3FPS，那人是看不出动画的，信息传递效果很差，这不是我们想要的
那什么频率合适呢？
下面用下面的图片进行讲解，不太严谨，但能帮助理解。
3.既然是取样的目的最终还是为了最后还原出信号，那不应该是采样率越大越好?
从信息的准确性来说是这样的，如果能像微积分里那样采样率趋向正无穷当然更好。
但是，还是效率和成本的平衡。由于采样率增加会带来数据量增加，这里的成本包括了采样成本，数据处理成本，信号还原成本等等。
这些都要平衡。一般是大于2倍的。
量化
刚才采样讲的是横轴，现在考虑纵轴。
我们知道采样其实是把一个连续曲线的一些值给摘出来了，这些值其实也是有零有整的，比如10.1，12.5，13.7这种，这些值需要整形一下，不然很难转化为我们想要的二进制形式。
这种转化的方式就是在纵轴上划定一些区间，在区间内就近取整，比如9~10这个区间内的都算10，12~13区间内的都算1，13~14区间内的都算14，这样的话，刚才的10.1，12.5，13.7就被整成了11，13，14，进一步的就可以用二进制表示了。
说到这大家一定发现了，量化就像四舍五入，必然存在着误差。这种误差可以被称为噪音，信号与噪音的比例就是大名鼎鼎的信噪比。（具体的计算方法这里先不说）
可以发现，信噪比和信号曲线以及量化区间的大小有关。
一种简单的方法就是均匀量化，即对Y轴均匀的取区间，这种信噪比相对不均匀。
还有一种是非均匀量化，即对Y轴不均匀的取区间，这种方式相对复杂，但信噪比相对均匀。
至于信噪比均匀不均匀，其实是适用不同场景的，这里不再拓展。
编码
量化后的信号转化成二进制表示，比如14转化成。
解释完了，下班。
PS：完成上面一系列过程的电路叫模数转换电路（ADC，AnalogtoDigitalConverter）；反过来在信号接收端还原的电路就是这个过程反过来，叫数模转换电路（DAC，DigitaltoAnalogConverter）
真下班了。
本文参考书：[1]陈爱军.深入浅出通信原理[M].北京：清华大学出版社，
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