模拟信号的数字化

模拟信号与数字信号　

　不同的数据必须转换为相应的信号才能进行传输：模拟数据（模拟量）一般采用模拟信号(Analog Signal)，例如用一系列连续变化的电磁波(如无线电与电视广播中的电磁波)，或电压信号(如电话传输中的音频电压信号)来表示；数字数据（数字量）则采用数字信号(Digital Signal)，例如用一系列断续变化的电压脉冲(如我们可用恒定的正电压表示二进制数1，用恒定的负电压表示二进制数0)，或光脉冲来表示。 当模拟信号采用连续变化的电磁波来表示时，电磁波本身既是信号载体，同时作为传输介质；而当模拟信号采用连续变化的信号电压来表示时，它一般通过传统的模拟信号传输线路(例如电话网、有线电视网)来传输。 当数字信号采用断续变化的电压或光脉冲来表示时，一般则需要用双绞线、电缆或光纤介质将通信双方连接起来，才能将信号从一个节点传到另一个节点。

Note:

模拟数据是连续的,数字信号是离散的.如模拟波中在数值1和2之间存在无限个数(如,1.1,1.25,1.33.....,2),但在数字信号中就只有两个数1和2是离散的.1和2之间的数全部忽略.

 

  模拟信号的数字化
          通常所说的模拟信号数字化是指将模拟的话音信号数字化、将数字化的话音信号进行传输和交换的技术。这一过程涉及数字通信系统中的两个基本组成部分：一个是发送端的信源编码器，它将信源的模拟信号变换为数字信号，即完成模拟/数字（A/D）变换；另一个是接收端的译码器，它将数字信号恢复成模拟信号，即完成数字/模拟（D/A）变换，将模拟信号发送给信宿。

4.1.1    A/D变换 (Analog to Digital)
             模拟信号的数字化过程主要包括三个步骤：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，然后转换成二进制或多进制的数字信号流。这样得到的数字信号可以通过光纤、微波干线、卫星信道等数字线路传输。上述数字化的过程有时也被称为脉冲编码调制。
             1．抽样
             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，这一过程即是抽样。话音通信中的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，如下图所示。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处理，也可将各个抽样值经过量化、编码后变换成二进制数字信号。抽样过程如图4-1所示。理论和实践证明，只要抽样脉冲的间隔满足：
             
             （fm是话音信号的最高频率）
             则抽样后的样值序列可以不失真地还原成原来的话音信号。

                                                        图4-1 模拟信号的抽样过程

             例如，一路电话信号的频带为300～3400Hz，fm=3400Hz，则抽样频率fs≥2×3400=6800Hz。如按6800Hz的抽样频率对300～3400Hz的电话信号抽样，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fs=8000Hz。 对于PAL制电视信号。视频带宽为6MHz，按照CCIR601建议，抽样频率为13.5MHz。
             2．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连续的，还必须进行离散化处理，才能最终用离散的数值来表示。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，如下图所示。图4-2中（a）所示的量化方式中，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。图4-2中（b）所示的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。

                                                                  图4-2 模拟信号的量化过程

             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；而最小量化间隔越小，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，又要使量化失真尽量小。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等级所需二进制数的位数。例如，有8个量化等级，那么可用三位二进制数来区分。因为，称8个量化等级的量化为3比特量化。8比特量化则是指共有256个量化等级的量化。
             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采用信噪比来衡量。
             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。这种非均匀量化等级的安排称为非均匀量化或非线性量化。实际的通信系统大多采用非均匀量化方式。
             目前，实现对于音频信号的非均匀量化方法采用压缩、扩张的方法，即在发送端对输入的信号进行压缩处理、再进行均匀量化，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最大可达24dB，而这是靠牺牲大信号量化信噪比（损失约12dB）换来的。
             3．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抽样值，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。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乘积，称为所传输数字信号的码速率。显然，抽样频率越高、量化比特数越大，码速率就越高，所需要的传输带宽也就越宽。除了上述的自然二进制编码，还有其他形式的二进制编码，如格雷码和折叠二进制码等。

4.1.2    D/A变换
             在接收端则与上述模拟信号数字化过程相反。首先经过解码过程，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成原来的模拟信号。