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什么是数字信号

2016-2-17 17:12| 编辑:电工学习网| 查看: 17826| 评论: 0

数字信号指自变量是离散的、因变量也是离散的信号,这种信号的自变量用整数表示,因变量用有限数字中的一个数字来表示。在计算机中,数字信号的大小常用有限位的二进制数表示,例如,字长为2位的二进制数可表示4种数字信号,它们是00011011

由于数字信号是用两种物理状态来表示01的,故其抵抗材料本身干扰和环境干扰的能力都比模拟信号强很多;在现代技术的信号处理中,数字信号发挥的作用越来越大,几乎复杂的信号处理都离不开数字信号;或者说,只要能把解决问题的方法用数学公式表示,就能用计算机来处理代表物理量的数字信号。


 在数字电路中,由于数字信号只有01两个状态,它的值是通过中央值来判断的,在中央值以下规定为0,以上规定为1,所以即使混人了其他干扰信号,只要干扰信号的值不超过闽值范围,就可以再现出原来的信号。即使因干扰信号的值超过阂值范围而出现了误码,只要采用一定的编码技术,也很容易将出错的信号检测出来并加以纠正因此,与模拟信号相比,数字信号在传输过程中具有更高的抗干扰能力,更远的传输距离,且失真幅度小。

数字信号在传输过程中不仅具有较高的抗干扰性,还可以通过压缩,占用较少的带宽,实现在相同的带宽内传输更多、更高音频、视频等数字信号的效果。此外,数字信号还可用半导体存储器来存储,并可直接用于计算机处理。若将电话、传真、电视所处理的音频、文本、视频等数据及其他各种不同形式的信号都转换成数字脉冲来传输,还有利于组成统一的通信网。

从原始信号转换到数字信号一般要经地抽样、量化和编码这样三个过程。抽样是指每隔一小段时间,取原始信号的一个值。间隔时间越短,单位时间内取的样值也越多,这样取出的一组样值也就越接近原来的信号。抽样以后要进行量化,量化就是把取出的各种各样的样值仅用我们指定的若干个值来表示。最后就是编码,把量化后的值分别编成仅由01这两个数字组成的序列,由脉冲信号发生器生成相应的数字信号。这样就可以用数字信号进行传送了。

首先介绍 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。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,只要抽样脉冲频率f2fm (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,一路电话信号的频带为3003400Hzfm=3400Hz,则抽样频率f2×3400=6800Hz。如按6800Hz的抽样频率对3003400Hz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8000Hz  

接下来介绍 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01伏间的所有输入电压都输出0伏,12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00.5伏间的输入电压都输出0伏,0.51?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。

最后介绍 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。

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。

综上,介绍了数字信号,数字信号在传输过程中不仅具有较高的抗干扰性,还可以通过压缩,占用较少的带宽,简要介绍了从原始信号转换到数字信号所进行的抽样、量化和编码三个过程。

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