资源简介

1.2.1 模拟信号与数字信号 学案
【学习目标】
1. 了解模拟信号与数字信号的含义，能够区分生活中的信号实例属于哪种信号。
2. 理解模拟信号与数字信号的基本特征，分析二者在通信应用中的优劣势。
3. 了解模拟信号与数字信号相互转换的基本过程，感受数据编码在信息技术中的重要作用。
【重点和难点】
重点：
模拟信号与数字信号的含义及基本特征
模拟信号与数字信号的优缺点比较
难点：
能够根据定义区分生活中的信号实例属于模拟信号还是数字信号
理解模拟信号转换为数字信号的基本过程
【学法提示】
自主探究，小组合作等
【课时安排】
1课时
【检查复习】
1. 什么是数据？数据的基本特征有哪些？
2. 计算机内部采用什么进制来存储和处理数据？
3. 二进制数1010转换成十进制数是多少？十进制数25转换成二进制数是多少？
【课堂探究】
科学探究一：认识模拟信号与数字信号
情境导入：
声、光信号是人的感官所能识别和接收的信号，而计算机是一种采用电信号进行运作的机器。要将人的感官所能识别的信号转换为计算机能够识别的信号，就需要了解信号的不同类型。
观察以下生活中的现象：
声音通过空气传播，声波的幅度随时间连续变化
红绿灯的信号随时间分别变化，只有“亮”和“灭”两种状态
温度计显示的温度值随时间连续变化
计算机键盘输入的字符以二进制编码形式存储
问题1： 以上现象中，信号的形态有什么不同？哪些是连续变化的，哪些是离散的？
问题2： 计算机能够直接处理哪种类型的信号？为什么？
问题3： 请尝试用自己的语言概括模拟信号和数字信号的定义。
科学探究二：模拟信号与数字信号的比较
观察教材图16（单一频率波形示意图）和图17（多频率组合波形示意图），思考以下问题：
问题1： 模拟信号的波形有什么特点？请举例说明生活中常见的模拟信号。
问题2： 数字信号的波形有什么特点？请举例说明生活中常见的数字信号。
问题3： 在通信传输中，模拟信号和数字信号各有哪些优缺点？
【精讲点拨】
一、模拟信号
1. 模拟信号的定义
模拟信号是指用连续变化的物理量所表达的信息。其信号的幅度、频率或相位随时间作连续变化。模拟信号是一种不仅在时间上连续、数值上也连续的物理量，具有无穷多的数值。
2. 模拟信号的特点
在时间和幅值上都是连续变化的
波形是光滑的、连续的
具有无穷多的数值
3. 常见的模拟信号
从自然界感知的大部分物理量都是模拟性质的，如声音信号、图形信号、速度、压力、温度、重量等。例如，由单一钢琴定音器产生的声波是简单波形，仅仅包括一个单一频率；人类或管风琴的声音产生的声波是复杂波形，包含了许多不同频率的组合。
4. 模拟信号的传输
模拟信号是传导能量的一种方式。例如，声波通过空气等介质向远处传送能量，在传播过程中，能量会不断被损耗而逐渐衰减。无论是有线相连的电话，还是无线发送的广播电视，都是通过模拟信号来传递信息的。
二、数字信号
1. 数字信号的定义
数字信号是离散时间信号的数字化表示。其信号的自变量、因变量都是离散的。数字信号是不连续的、离散的，是对模拟信号进行采样得到。
2. 数字信号的特点
在时间上和数值上都是离散的、不连续的
由一系列离散的数字量组成
用0和1组成的二进制数值来表示
3. 常见的数字信号
例如，开关电路中输出电压和电流脉冲就是离散的信号。红绿灯的信号是随着时间分别变化的，属于数字信号。
4. 数字信号的优势
数字信号抵抗电路本身干扰和环境干扰的能力强，有利于存储、加密和纠错，具有较强的保密性和可靠性。
三、模拟信号与数字信号的比较
| 名称 | 优点 | 缺点 |
||||
| 模拟信号 | 1. 精确的分辨率，在理想情况下具有无穷大的分辨率
2. 信息密度更高，可以对自然界物理量的真实值进行尽可能逼近的描述
3. 处理过程更简单 | 1. 容易受到噪声影响
2. 长距离传输会因能量损耗而衰减
3. 保密性差，抗干扰能力弱 |
| 数字信号 | 1. 抗干扰能力特别强
2. 有利于存储、加密和纠错，具有较强的保密性和可靠性
3. 方便存储和传输 | 1. 算法复杂，技术要求高
2. 数字信号是不连续的、离散的 |
四、模拟信号与数字信号的转换
我们要用计算机来探索现实世界的客观事物并表示出来，就要把基于现实世界客观事物的模拟信号与基于计算机的数字信号之间进行互相转换。
模数转换（A/D转换） ：将模拟信号转换为数字信号。通过对模拟信号进行采样、量化、编码等步骤，得到离散的数字信号。
数模转换（D/A转换） ：将数字信号转换为模拟信号。将数字信号还原为连续的模拟信号。
计算机只能直接处理数字信号，如果要处理模拟信号，需要经过模数转换将模拟信号转化为数字信号再进行处理。
【拓展与延伸】
1. 信号的分类依据
对于自然界的信号，根据信号在时间上是否连续，可以分为模拟信号与数字信号。在时间上连续的信号为模拟信号，在时间上离散的信号为数字信号。
2. 数字化的意义
将现实世界的事物现象符号化、数据化，需要有一个理解、抽象、推理的过程，这个过程由计算机来完成。计算机将它们处理转换成0和1组成的二进制编码，进而采用基于二进制的算术运算和逻辑运算进行处理。数据只有经过数字化编码后才能表示、存放和传递。
3. 模拟信号的数字化过程
将模拟信号变换为数字信号的常用方法是脉冲代码调制（PCM）。基本步骤包括：
采样：在连续的时间轴上等间隔地抽取信号的瞬时值
量化：将采样得到的信号值归到有限的量化级别上
编码：将量化后的数值用二进制代码表示
4. 生活中的信号实例辨析
| 实例 | 信号类型 | 判断依据 |
||||
| 传统电话通话 | 模拟信号 | 声音的幅度连续变化 |
| CD音乐光盘 | 数字信号 | 以二进制编码存储 |
| 水银温度计读数 | 模拟信号 | 水银柱高度连续变化 |
| 电子温度计显示 | 数字信号 | 以离散数字显示 |
| 黑白照片 | 模拟信号 | 灰度连续变化 |
| 数码照片 | 数字信号 | 以像素点阵存储 |
【课堂练习】
一、选择题（每题6分，共60分）
1. 以下关于模拟信号的描述，正确的是（ ）
A. 模拟信号只能表示两种状态
B. 模拟信号的幅度随时间连续变化
C. 模拟信号只能通过数字电路处理
D. 模拟信号在时间上是离散的
答案：B
解析： 模拟信号是指用连续变化的物理量所表达的信息，其幅度、频率或相位随时间作连续变化。模拟信号在时间和幅值上都是连续的，可以表示无穷多种状态，故A、D错；模拟信号通过模拟电路处理，故C错。
2. 以下关于数字信号的描述，错误的是（ ）
A. 数字信号是离散时间信号的数字化表示
B. 数字信号的自变量和因变量都是离散的
C. 数字信号可以取任意值
D. 数字信号用0和1组成的二进制数值来表示
答案：C
解析： 数字信号是离散时间信号的数字化表示，其自变量、因变量都是离散的，不能取任意值。数字信号用0和1组成的二进制数值来表示。故C错误。
3. 下列属于模拟信号的是（ ）
A. 计算机硬盘中存储的音乐文件
B. 传统电话传输的声音信号
C. 键盘输入的字符编码
D. U盘中存储的照片文件
答案：B
解析： 传统电话通过模拟信号来传递信息，声音信号是典型的模拟信号。A、C、D选项都是计算机中以二进制形式存储的数字信号。
4. 下列属于数字信号的是（ ）
A. 温度计显示的温度值
B. 收音机接收的广播信号
C. 红绿灯的控制信号
D. 麦克风采集的声音信号
答案：C
解析： 红绿灯的信号是随着时间分别变化的，只有“亮”和“灭”两种离散状态，属于数字信号。温度、广播声音、麦克风采集的声音都是连续变化的模拟信号。
5. 以下关于模拟信号与数字信号的比较，说法正确的是（ ）
A. 模拟信号抗干扰能力强
B. 数字信号有利于存储、加密和纠错
C. 模拟信号处理算法复杂
D. 数字信号长距离传输容易衰减
答案：B
解析： 数字信号抵抗电路本身干扰和环境干扰的能力强，有利于存储、加密和纠错，具有较强的保密性和可靠性。A、D是模拟信号的缺点，C是数字信号的缺点。
6. 计算机只能直接处理（ ）
A. 模拟信号
B. 数字信号
C. 声信号
D. 光信号
答案：B
解析： 计算机只能处理数字信号，如果要处理模拟信号，需要经过模数转换将模拟信号转化为数字信号再进行处理。
7. 将模拟信号转换为数字信号的过程称为（ ）
A. 数模转换（D/A）
B. 模数转换（A/D）
C. 信号放大
D. 信号滤波
答案：B
解析： 模数转换（A/D转换）是将模拟信号转换为数字信号的过程。数模转换（D/A转换）则是将数字信号转换为模拟信号。
8. 模拟信号在传输过程中的主要问题是（ ）
A. 处理算法复杂
B. 不利于存储
C. 容易受到噪声影响，长距离传输会衰减
D. 保密性太强
答案：C
解析： 模拟信号容易受到噪声影响，长距离传输会因能量损耗而衰减。A和B是数字信号的特点，D说法错误。
9. 以下关于模拟信号与数字信号的说法，正确的是（ ）
A. 模拟信号和数字信号都可以被计算机直接处理
B. 数字信号是由模拟信号经过采样、量化、编码得到的
C. 模拟信号的信息密度比数字信号低
D. 数字信号只能表示0和1两种状态
答案：B
解析： 数字信号是对模拟信号进行采样得到。A错，计算机只能直接处理数字信号；C错，模拟信号的信息密度更高；D错，数字信号虽由0和1组成，但通过组合可以表示丰富的信息。
10. 以下实例中，属于数字信号的是（ ）
A. 录音机录下的声音
B. 摄像机摄下的图像
C. CD光盘中存储的音乐
D. 车间控制室记录的温度
答案：C
解析： CD光盘中存储的音乐是以二进制编码形式存储的数字信号。A、B、D均为连续变化的模拟信号。
二、填空题（每空4分，共40分）
1. 模拟信号是指用________的物理量所表达的信息。
答案： 连续变化
解析： 模拟信号是指用连续变化的物理量所表达的信息。
2. 数字信号是________信号的数字化表示。
答案： 离散时间
解析： 数字信号是离散时间信号的数字化表示。
3. 模拟信号在时间和幅值上都是________的，具有________多的数值。
答案： 连续；无穷
解析： 模拟信号是一种不仅在时间上连续、数值上也连续的物理量，具有无穷多的数值。
4. 数字信号的自变量和因变量都是________的。
答案： 离散
解析： 数字信号的自变量、因变量都是离散的。
5. 将模拟信号转换为数字信号的过程称为________转换（填“A/D”或“D/A”）。
答案： A/D
解析： 模数转换（A/D转换）是将模拟信号转换为数字信号的过程。
6. 将数字信号转换为模拟信号的过程称为________转换（填“A/D”或“D/A”）。
答案： D/A
解析： 数模转换（D/A转换）是将数字信号转换为模拟信号的过程。
7. 计算机只能直接处理________信号。
答案： 数字
解析： 计算机只能处理数字信号。
8. 数字信号抵抗电路本身干扰和环境干扰的能力________（填“强”或“弱”）。
答案： 强
解析： 数字信号抵抗电路本身干扰和环境干扰的能力强。
9. 模拟信号在长距离传输时会因能量损耗而________。
答案： 衰减
解析： 模拟信号在传播过程中，能量会不断被损耗而逐渐衰减。
10. 数字信号是由0和1组成的________数值来表示的。
答案： 二进制
解析： 数字信号用0和1组成的二进制数值来表示。
【课堂小结】
1. 模拟信号
定义：用连续变化的物理量所表达的信息
特征：时间上连续、数值上连续，具有无穷多的数值
实例：声音信号、温度、压力、图像信号等
缺点：易受噪声影响，长距离传输会衰减
2. 数字信号
定义：离散时间信号的数字化表示
特征：时间上离散、数值上离散，自变量和因变量都是离散的
实例：开关电路信号、红绿灯信号等
优点：抗干扰能力强，有利于存储、加密和纠错
3. 模拟信号与数字信号的转换
模数转换（A/D）：模拟信号→数字信号
数模转换（D/A）：数字信号→模拟信号
计算机只能直接处理数字信号

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