模拟信号数字化的技术与应用

2023-06-24 理论教育版权反馈

【摘要】：要将模拟信号转化为数字信号，首先应将模拟信号进行换码。它是将输入模拟信号的波形按适当时间来测量，把各个时刻波形的幅度用二进制数读出，并把这些二进制排成顺序脉冲列，这样就达到了模拟信号数字化的目的。具体来说，模拟信号数字化要经过以下过程。

由于数字电路是采用脉冲的“有”和“无”这个码值来表示的，其计数方式就必须实行二进制方式，二进制由1和0两位数组成，用1对应于脉冲“有”，用0对应于脉冲“无”。

要将模拟信号转化为数字信号，首先应将模拟信号进行换码。图1-2所示为模拟信号的换码过程。它是将输入模拟信号的波形按适当时间来测量，把各个时刻波形的幅度用二进制数读出，并把这些二进制排成顺序脉冲列，这样就达到了模拟信号数字化的目的。即使光盘在记录或重放过程中有失真和噪声，重放时根据识别码的长短或脉冲的有无，即可使原来的信号再现。具体来说，模拟信号数字化要经过以下过程。

1.采样

模拟信号数字化需经过采样、量化和编码三个程序。所谓采样，即以适当的时间间隔观测模拟信号波形，并将观测到的时间不连续的样本值替换原来的连续信号波形的操作，又称为取样。

采样的基本定理是：如果把随时间变化的信号波形用该信号所含最高频率2倍的频率进行采样，就可以从采样值通过插补，正确地得到原信号的波形。

图1-2 模拟信号的换码过程

为什么采样频率为信号中最高频率的2倍时，就能重现原信号波形呢？这是因为采用的采样频率为足够高时，在被采样后只舍去了采样点以外的波形值，对于原信号的频谱仍完整地保留下来，只是新增加一些高频频谱。再经低通滤波器把新增加的多余频谱成分滤除后，就成了和原信号一样的频谱。由于该低通滤波器的频率特性包含有脉冲响应特性，所以通常把这种低通滤波器叫作解调滤波器（LPF）。由于解调滤波器的平滑作用，使滤波后的脉冲变成了各个脉冲均响应的合成波，从而达到了重现原信号波形的目的。

2.量化

量化就是把各个时刻的采样值用二进制表示，通过把随时间连续变化的信号振幅变换成不连续的离散值的近似操作和四舍五入的计算方法，就可以将采样所得的无限个模拟电压值转换成有限个电压值。而有限个电压的数值就是数字信号的前身，它反映了模拟电压的变化曲线，使电压曲线变成了一连串的数字信号。因此，从狭义上说，整个量化过程就是将模拟信号转换成数字信号的过程。

量化器实际上是一种具有量化特性的电路，量化的方式有两种，即无论信号的大小，均具有同样量化阶梯高度（相等的时间间隔，相等的取样间隔）的量化方式叫作均匀量化；根据信号大小，具有不同阶梯高度（相等的时间间隔，不等的取样间隔）的量化方式叫非均匀量化。

3.二进制编码技术

量化后还要经过编码，将量化的采样值表示为数值，则称为编码。二进制编码是使用0和1两个数字表示某一数值，这个数位（binarydigit）简称bit，通常8bit为一个字节（表示文字信息量的单位，是byte的译意）。该二进制数称为字（word），字内各个位的名称是：最高位叫MSB，第二位叫2SB，第3位叫3SB，……，最低位叫LSB。

与十进制不同的是，二进制采用逢二进一的方法。如果把我们日常生活中常用的十进制码表示为二进制位数，则可用每一个都是4bit的二进制码来表示。例如：十进制中的1、2、3、4、5、6、7、8、9、10表示为二进制码，则分别为0001、0010、0011、0100、0101、0110、0111、1000、1001、1010。可以这样定性理解：十进制中的1只有一位，而二进制中的1则用四位表示，但实质上还是1，而2则是两个二进制1根据逢二进一的原则相加，即0001+0001=0010，3是二进制码中的2和1相加，0001+0010=0011，8是二进制的7和1相加，即0001+0111=1000，……，15是二进制10加上5，即1010+0101=1111，63为四个二进制15相加，再加上二进制的3，即1111+1111+1111+1111+0011=111111，以此类推。十进制中的自然数都可以通过二进制数表示出来。

采用二进制之后，只有数字1和0，而且数字1和0可以通过晶体管的开和关表示出来，数位简单，进位原则也较简单，特别适合于计算机运算，所以二进制数在数字编码技术中得到了广泛应用。

模拟信号数字化的技术与应用

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