模拟信号数字化过程.doc

模拟信号数字化过程模拟信号数字化过程数字化信号的数字化需要三个步骤：抽样、量化和编码抽样是指用每隔一定时间的信号样值序列来代替原来在时间上连续的信号，也就是在时间上将模拟信号离散化量化是用有限个幅度值近似原来连续变化的幅度值，把模拟信号的连续幅度变为有限数量的有一定间隔的离散值编码则是按照一定的规律，把量化后的值用二进制数字表示，然后转换成二值或多值的数字信号流这样得到的数字信号可以通过电缆、微波干线、卫星通道等数字线路传输在接收端则与上述模拟信号数字化过程相反，再经过后置滤波又恢复成原来的模拟信号上述数字化的过程又称为脉冲编码调制抽样话音信号是模拟信号，它不仅在幅度取值上是连续的，而且在时间上也是连续的要使话音信号数字化并实现时分多路复用，首先要在时间上对话音信号进行离散化处理，这一过程叫抽样所谓抽样就是每隔一定的时间间隔 T，抽取话音信号的一个瞬时幅度值(抽样值)，抽样后所得出的一系列在时间上离散的抽样值称为样值序列抽样后的样值序列在时间上是离散的，可进行时分多路复用，也可将各个抽样值经过量化、编码变换成二进制数字信号理论和实践证明，只要抽样脉冲的间隔 T≤1/（2fm）(或 f≥2fm)(fm 是话音信号的最高频率)，则抽样后的样值序列可不失真地还原成原来的话音信号。

例如，一路信号的频带为 300～3400Hz，fm=3400Hz，则抽样频率 fs≥2×3400=6800Hz如按 6800Hz 的抽样频率对 300～3400Hz的信号抽样，则抽样后的样值序列可不失真地还原成原来的话音信号，话音信号的抽样频率通常取 8000Hz对于 PAL 制电视信号视频带宽为 6MHz，按照 CCIR601 建议，亮度信号的抽样频率为13.5MHz，色度信号为 6.75MHz量化抽样把模拟信号变成了时间上离散的脉冲信号，但脉冲的幅度仍然是模拟的，还必须进行离散化处理，才能最终用数码来表示这就要对幅值进行舍零取整的处理，这个过程称为量化量化有两种方式，量化方式中，取整时只舍不入，即 0～1 伏间的所有输入电压都输出 0 伏，1～2 伏间所有输入电压都输出 1 伏等采用这种量化方式，输入电压总是大于输出电压，因此产生的量化误差总是正的，最大量化误差等于两个相邻量化级的间隔 Δ量化方式在取整时有舍有入，即 0～0.5 伏间的输入电压都输出 0 伏，0.5～1?5 伏间的输出电压都输出 1 伏等等采用这种量化方式量化误差有正有负，量化误差的绝对值最大为 Δ/2因此，采用有舍有入法进行量化，误差较小。

实际信号可以看成量化输出信号与量化误差之和，因此只用量化输出信号来代替原信号就会有失真一般说来，可以把量化误差的幅度概率分布看成在-Δ/2～+Δ/2 之间的均匀分布可以证明，量化失真功率?，即与最小量化间隔的平方成正比最小量化间隔越小，失真就越小最小量化间隔越小，用来表示一定幅度的模拟信号时所需要的量化级数就越多，因此处理和传输就越复杂所以，量化既要尽量减少量化级数，又要使量化失真看不出来一般都用一个二进制数来表示某一量化级数，经过传输在接收端再按照这个二进制数来恢复原信号的幅值所谓量化比特数是指要区分所有量化级所需几位二进制数例如，有 8 个量化级，那么可用三位二进制数来区分，因为，称 8 个量化级的量化为 3 比特量化8 比特量化则是指共有个量化级的量化量化误差与噪声是有本质的区别的因为任一时刻的量化误差是可以从输入信号求出，而噪声与信号之间就没有这种关系可以证明，量化误差是高阶非线性失真的产物但量化失真在信号中的表现类似于噪声，也有很宽的频谱，所以也被称为量化噪声并用信噪比来衡量上面所述的采用均匀间隔量化级进行量化的方法称为均匀量化或线性量化，这种量化方式会造成大信号时信噪比有余而小信号时信噪比不足的缺点。

如果使小信号时量化级间宽度小些，而大信号时量化级间宽度大些，就可以使小信号时和大信号时的信噪比趋于一致这种非均匀量化级的安排称为非均匀量化或非线性量化数字电视信号大多采用非均匀量化方式，这是由于模拟视频信号要经过校正，而校正类似于非线性量化特性，可减轻小信号时误差的影响对于音频信号的非均匀量化也是采用压缩、扩张的方法，即在发送端对输入的信号进行压缩处理再均匀量化，在接收端再进行相应的扩张处理目前国际上普遍采用容易实现的 A 律 13 折线压扩特性和 μ 律 15 折线的压扩特性我国规定采用 A 律 13 折线压扩特性采用 13 折线压扩特性后小信号时量化信噪比的改善量可达 24dB，而这是靠牺牲大信号量化信噪比(亏损 12dB)换来的编码抽样、量化后的信号还不是数字信号，需要把它转换成数字编码脉冲，这一过程称为编码最简单的编码方式是二进制编码具体说来，就是用 n 比特二进制码来表示已经量化了的样值，每个二进制数对应一个量化值，然后把它们排列，得到由二值脉冲组成的数字信息流编码过程在接收端，可以按所收到的信息重新组成原来的样值，再经过低通滤波器恢复原信号用这样方式组成的脉冲串的频率等于抽样频率与量化比特数的积，称为所传输数字信号的数码率。

显然，抽样频率越高，量化比特数越大，数码率就越高，所需要的传输带宽就越宽除了上述的自然二进制码，还有其他形式的二进制码，如格雷码和折叠二进制码等，表 2－1 示出了这三种二进制码这三种码各有优缺点：(1)自然二进制码和二进制数一一对应，简单易行，它是权重码，每一位都有确定的大小，从最高位到最低位依次为，可以直接进行大小比较和算术运算自然二进制码可以直接由数/模转换器转换成模拟信号，但在某些情况，例如从十进制的 3 转换为 4 时二进制码的每一位都要变，使数字电路产生很大的尖峰电流脉冲2)格雷码则没有这一缺点，它在相邻电平间转换时，只有一位生变化，格雷码不是权重码，每一位码没有确定的大小，不能直接进行比较大小和算术运算，也不能直接转换成模拟信号，要经过一次码变换，变成自然二进制码3)折叠二进制码沿中心电平上下对称，适于表示正负对称的双极性信号它的最高位用来区分信号幅值的正负折叠码的抗误码能力强表 2－1 各种二进制码量化电平量化电平自然二进制码格雷码折叠二进制码00000000111001001010201001100130110100004100110100510111110161101011107111100111在通信理论中，编码分为信源编码和信道编码两大类。

所谓信源编码是指将信号源中多余的信息除去，形成一个适合用来传输的信号为了抑制信道噪声对信号的干扰，往往还需要对信号进行再编码，编成在接收端不易为干扰所弄错的形式，这称为信道编码为了对付干扰，必须花费更多的时间，传送一些多余的重复信号，从而占用了更多频带，这是通信理论中的一条基本原理。