數(shù)據(jù)采集與處理2

1、1 2在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中存在兩種信號(hào)：在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中存在兩種信號(hào)：模擬信號(hào)模擬信號(hào) 數(shù)字信號(hào)數(shù)字信號(hào) 信號(hào)信號(hào)種類(lèi)種類(lèi)在開(kāi)發(fā)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)時(shí)，首先遇到的問(wèn)題：在開(kāi)發(fā)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)時(shí)，首先遇到的問(wèn)題： 如何把傳感器測(cè)量到的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換如何把傳感器測(cè)量到的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)？成數(shù)字信號(hào)？ 被采集物理量的電信號(hào)。被采集物理量的電信號(hào)。計(jì)算機(jī)運(yùn)算、處理的信息。計(jì)算機(jī)運(yùn)算、處理的信息。3連續(xù)模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，經(jīng)歷了以下過(guò)程：連續(xù)模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，經(jīng)歷了以下過(guò)程： 時(shí)間斷續(xù)時(shí)間斷續(xù)數(shù)值斷續(xù)數(shù)值斷續(xù)過(guò)程過(guò)程量化量化編碼編碼信號(hào)轉(zhuǎn)換過(guò)程如圖信號(hào)轉(zhuǎn)換過(guò)程如圖2.1所示。所示。 4x(t)xS(nTS

2、)xq(nTS)x(n)采樣采樣/ /保持保持量化量化編碼編碼計(jì)算機(jī)計(jì)算機(jī)t tx(t)t txS(nTS)t txq(nTS)x(n)n001011100010010011圖圖2.1 信號(hào)轉(zhuǎn)換過(guò)程信號(hào)轉(zhuǎn)換過(guò)程q2q3q4qTS2TS3TSTS2TS3TS5采樣過(guò)程采樣過(guò)程 一個(gè)連續(xù)的模擬信號(hào)一個(gè)連續(xù)的模擬信號(hào)x(t)，通通過(guò)一個(gè)周期性開(kāi)閉過(guò)一個(gè)周期性開(kāi)閉（周期為周期為T(mén)S，開(kāi)關(guān)閉合時(shí)間為開(kāi)關(guān)閉合時(shí)間為）的采樣開(kāi)的采樣開(kāi)關(guān)關(guān)K 之后，在開(kāi)關(guān)輸出端輸出之后，在開(kāi)關(guān)輸出端輸出一串在時(shí)間上離散的脈沖信號(hào)一串在時(shí)間上離散的脈沖信號(hào)xs(nTs )。采樣過(guò)程如圖采樣過(guò)程如圖2.2所示。所示。6圖圖2.2

3、中：中：xs(nTs ) 0, TS, 2 TS TS 圖圖2.2 采樣過(guò)程采樣過(guò)程tx(t)x(t)KTs(t)xS(nTS )txS(nTS )TSTS2TS3TS采樣信號(hào)采樣信號(hào);采樣時(shí)刻采樣時(shí)刻 采樣時(shí)間；采樣時(shí)間；采樣周期。采樣周期。7應(yīng)該指出，在實(shí)際應(yīng)用中，應(yīng)該指出，在實(shí)際應(yīng)用中， TS 。采樣周期采樣周期 TS 決定了采樣信號(hào)的質(zhì)量和數(shù)量：決定了采樣信號(hào)的質(zhì)量和數(shù)量： TS ， xs(nTs ) ，內(nèi)存量?jī)?nèi)存量；TS ， xs(nTs ) ，丟失的某些信息。丟失的某些信息。 因此，采樣周期必須依據(jù)某個(gè)定理來(lái)選擇。因此，采樣周期必須依據(jù)某個(gè)定理來(lái)選擇。 不能無(wú)失真地恢復(fù)成原來(lái)的信號(hào)

4、，出現(xiàn)不能無(wú)失真地恢復(fù)成原來(lái)的信號(hào)，出現(xiàn)誤差誤差。81. 采樣定理采樣定理 設(shè)有連續(xù)信號(hào)設(shè)有連續(xù)信號(hào)x(t)，其頻譜其頻譜X(f)，以采以采樣周期樣周期TS采得的信號(hào)為采得的信號(hào)為xs(nTs)。如果頻譜如果頻譜和采樣周期滿(mǎn)足下列條件：和采樣周期滿(mǎn)足下列條件： 頻譜頻譜X(f)為有限頻譜，即當(dāng)時(shí)為有限頻譜，即當(dāng)時(shí)| f | fc， X(f) =0 TS 或或 f S S 2 fcCf219則連續(xù)信號(hào)則連續(xù)信號(hào))22()()(sin)()(nssssssnTtTnTtTnTxtx唯一確定。唯一確定。式中式中 n =， ， fc 信號(hào)的截止頻率信號(hào)的截止頻率1011 采樣定理指出：采樣定理指出：

5、對(duì)一個(gè)頻率在對(duì)一個(gè)頻率在0 fc 內(nèi)的連內(nèi)的連續(xù)信號(hào)進(jìn)行采樣，當(dāng)采樣續(xù)信號(hào)進(jìn)行采樣，當(dāng)采樣頻率為頻率為 fs 2 fc 時(shí)，由采樣時(shí)，由采樣信號(hào)信號(hào) xs(nTs )能無(wú)失真地恢能無(wú)失真地恢復(fù)為原來(lái)信號(hào)復(fù)為原來(lái)信號(hào)x(t) 。 2. 采樣定理中兩個(gè)條件的物理意義采樣定理中兩個(gè)條件的物理意義 條件條件1的物理意義的物理意義 模擬信號(hào)模擬信號(hào)x(t)的頻率范圍是有限的，只的頻率范圍是有限的，只包含低于包含低于fc 的頻率部分。的頻率部分。12| |( ) Xff12T12T-0fCfC-SS圖圖2 2. .4 4 與與 的的關(guān)關(guān)系系fcTs 條件條件2的物理意義的物理意義 采樣周期采樣周期 Ts

6、不能大于信號(hào)截止周期不能大于信號(hào)截止周期 Tc 的一半的一半。133. 采樣定理不采樣定理不適用適用的情況的情況 一般來(lái)說(shuō)，采樣定理在一般來(lái)說(shuō)，采樣定理在 fTCS12時(shí)是不適用的。時(shí)是不適用的。 例如，設(shè)信號(hào)例如，設(shè)信號(hào) x tAftC( )sin ()202當(dāng)當(dāng) fTCS12時(shí)，其采樣值為時(shí)，其采樣值為 )22sin()(SSSSTnTAnTx14則有則有討論：討論：當(dāng)當(dāng) = 0， xs(nTs ) = 0，即采樣值為零，即采樣值為零，無(wú)法恢復(fù)原來(lái)的模擬信號(hào)無(wú)法恢復(fù)原來(lái)的模擬信號(hào)x(t) 。 xS( (nTS) )= A sin(n + ) = A ( sin n cos + cos n

7、sin ) = A cos n sin = A(-1) n sin 15當(dāng)當(dāng)0 | sin |1時(shí)，時(shí)， xs(nTs )的幅值均小的幅值均小于原模擬信號(hào)，出現(xiàn)失真。于原模擬信號(hào)，出現(xiàn)失真。當(dāng)當(dāng)| sin |= 1 時(shí)，時(shí)， xs(nTs ) = (-1)nA，它它與原信號(hào)與原信號(hào)x(t)的幅值相同，但必須保證的幅值相同，但必須保證 = / 2。 綜上所述，只有在采樣起始點(diǎn)嚴(yán)格地控制在綜上所述，只有在采樣起始點(diǎn)嚴(yán)格地控制在 = / 2時(shí)，才能由采樣信號(hào)時(shí)，才能由采樣信號(hào)xs(nTs )不失真地恢復(fù)不失真地恢復(fù)出原模擬信號(hào)出原模擬信號(hào)x(t) ，然而這是難以做到的。然而這是難以做到的。結(jié)論：結(jié)論

8、： 采樣定理對(duì)于采樣定理對(duì)于fTCS12不適用的。不適用的。 16171819202122例如：信號(hào) 312KHz552KHz，求fsLHHsB552312240kHzfBf552n2B2402ff552kHzn 231. 頻率混淆頻率混淆什么是頻率混淆？什么是頻率混淆？ 頻率混淆頻率混淆 模擬信號(hào)中的高頻成分模擬信號(hào)中的高頻成分（ CTf21|）被）被疊加到低頻疊加到低頻成分（成分（CTf21|）上的現(xiàn)象。）上的現(xiàn)象。 24頻率混淆如圖頻率混淆如圖2.5所示所示。*tttx( )tx( )tx( )tf3900Hz=1100Hzf=2400Hzf=1100 s=0.01sf=500HzS50

9、0Hzf=S500HzfS圖圖2 2. .5 5 高高頻頻與與低低頻頻的的混混淆淆 Ts0.002s例如：例如： 某模擬信號(hào)中含有頻率為某模擬信號(hào)中含有頻率為900Hz，400Hz及及100Hz的成的成分。分。若以若以 fs = 500Hz進(jìn)行采樣進(jìn)行采樣，此時(shí)此時(shí)fS2100Hz，9002SfHz但但fS2400Hz。 25由圖由圖2.5可見(jiàn)，三種頻率的曲線(xiàn)沒(méi)有區(qū)別：可見(jiàn)，三種頻率的曲線(xiàn)沒(méi)有區(qū)別：對(duì)于對(duì)于100Hz的信號(hào)，采樣后的信號(hào)波形的信號(hào)，采樣后的信號(hào)波形能真實(shí)反映原信號(hào)。能真實(shí)反映原信號(hào)。對(duì)于對(duì)于400Hz和和900Hz的信號(hào)，則采樣后的信號(hào)，則采樣后完全失真了，也變成了完全失真了，

10、也變成了100Hz的信號(hào)。的信號(hào)。 于是原來(lái)三種不同頻率信號(hào)的采樣值于是原來(lái)三種不同頻率信號(hào)的采樣值相互混淆了。相互混淆了。26不產(chǎn)生頻率混淆現(xiàn)象的臨界條件：不產(chǎn)生頻率混淆現(xiàn)象的臨界條件：fS = 2 fC2. 消除頻混消除頻混為了減小頻率混淆，通常可以采用兩種方法：為了減小頻率混淆，通?？梢圆捎脙煞N方法： 對(duì)于頻域衰減較快的信號(hào)，減小對(duì)于頻域衰減較快的信號(hào)，減小TS。 但是，但是，TS ，內(nèi)存占用量和計(jì)算量?jī)?nèi)存占用量和計(jì)算量 。27對(duì)頻域衰減較慢的信號(hào)，可在采樣前，對(duì)頻域衰減較慢的信號(hào)，可在采樣前，先用一截止頻率為先用一截止頻率為 fC 的濾波器對(duì)信號(hào)的濾波器對(duì)信號(hào)x(t) 低通濾波，濾除高

11、頻成分，然后再低通濾波，濾除高頻成分，然后再進(jìn)行采樣。這種方法既實(shí)用又簡(jiǎn)單。進(jìn)行采樣。這種方法既實(shí)用又簡(jiǎn)單。 實(shí)際上，由于信號(hào)頻率都不是嚴(yán)格有實(shí)際上，由于信號(hào)頻率都不是嚴(yán)格有限的，而且，實(shí)際使用的濾波器也都不具限的，而且，實(shí)際使用的濾波器也都不具有理想濾波器在截止頻率處的垂直截止特有理想濾波器在截止頻率處的垂直截止特性，故不足以把稍高于截止頻率的頻率分性，故不足以把稍高于截止頻率的頻率分量衰減掉。量衰減掉。 28 在信號(hào)分析中，常把上述兩種方法聯(lián)合起來(lái)在信號(hào)分析中，常把上述兩種方法聯(lián)合起來(lái)使用。使用。表表2.1 典型物理量的經(jīng)驗(yàn)采樣周期值典型物理量的經(jīng)驗(yàn)采樣周期值 被測(cè)物理量被測(cè)物理量 采樣周

12、期采樣周期 (s)流量流量 12壓力壓力液位液位溫度溫度成分成分356810151520291. 模擬信號(hào)的采樣控制方式模擬信號(hào)的采樣控制方式無(wú)條件采樣無(wú)條件采樣 特點(diǎn)：特點(diǎn)： 運(yùn)行采樣程序，立即采集數(shù)據(jù)，直運(yùn)行采樣程序，立即采集數(shù)據(jù)，直到將一段時(shí)間內(nèi)的模擬信號(hào)的采樣到將一段時(shí)間內(nèi)的模擬信號(hào)的采樣點(diǎn)數(shù)據(jù)全部采完為止。點(diǎn)數(shù)據(jù)全部采完為止。 優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)： 為無(wú)約束采樣。為無(wú)約束采樣。30缺點(diǎn)：缺點(diǎn)： 不管信號(hào)是否準(zhǔn)備好都采樣，可能不管信號(hào)是否準(zhǔn)備好都采樣，可能容易出錯(cuò)。容易出錯(cuò)。 定時(shí)采樣：定時(shí)采樣：變步長(zhǎng)采樣：變步長(zhǎng)采樣：方法方法采樣周期不變采樣周期不變采樣周期變化采樣周期變化 條件采樣條件采樣

13、 方法方法查詢(xún)方式查詢(xún)方式中斷方式中斷方式31查詢(xún)方式：查詢(xún)方式： CPU不斷檢查不斷檢查AD轉(zhuǎn)換狀態(tài)，轉(zhuǎn)換狀態(tài)，以確定程序執(zhí)行流程。以確定程序執(zhí)行流程。優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：硬件少，編程簡(jiǎn)單。硬件少，編程簡(jiǎn)單。缺點(diǎn)：缺點(diǎn)：占用較多占用較多CPU機(jī)時(shí)。機(jī)時(shí)。中斷方式：中斷方式： 響應(yīng)中斷，暫停主程序，執(zhí)響應(yīng)中斷，暫停主程序，執(zhí)行中斷服務(wù)程序。行中斷服務(wù)程序。優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)： 少占用少占用CPU機(jī)時(shí)。機(jī)時(shí)。缺點(diǎn)：缺點(diǎn)： 要求硬件多，編程復(fù)雜。要求硬件多，編程復(fù)雜。32 直接存儲(chǔ)器存取直接存儲(chǔ)器存?。―MA）方式方式特點(diǎn)：特點(diǎn)： 由硬件完成數(shù)據(jù)的傳送操作。由硬件完成數(shù)據(jù)的傳送操作。 在在DMA控制器控控制器控制

14、下，數(shù)據(jù)直接在外制下，數(shù)據(jù)直接在外部設(shè)備和存儲(chǔ)器部設(shè)備和存儲(chǔ)器MEM之間進(jìn)行傳送，而不之間進(jìn)行傳送，而不通過(guò)通過(guò)CPU和和IO，因因而可大大提高數(shù)據(jù)的而可大大提高數(shù)據(jù)的采集速率。采集速率。外設(shè)外設(shè)IOCPU內(nèi)存內(nèi)存DMA控制器控制器圖圖2-10 DMA傳送方式傳送方式33 采樣控制方式的分類(lèi)歸納如下：采樣控制方式的分類(lèi)歸納如下： 無(wú)條件采樣無(wú)條件采樣條件采樣條件采樣采樣采樣定時(shí)采樣定時(shí)采樣等點(diǎn)采樣等點(diǎn)采樣查詢(xún)采樣查詢(xún)采樣中斷控制采樣中斷控制采樣DMA方式采樣方式采樣342. 采樣控制方式的應(yīng)用采樣控制方式的應(yīng)用無(wú)條件采樣：無(wú)條件采樣： 僅適于僅適于A(yíng)D轉(zhuǎn)換快，且要轉(zhuǎn)換快，且要求求CPU與與AD

15、轉(zhuǎn)換器同時(shí)轉(zhuǎn)換器同時(shí)工作，使用時(shí)不方便。工作，使用時(shí)不方便。 中斷方式：中斷方式： 用于系統(tǒng)要同時(shí)采集數(shù)據(jù)和用于系統(tǒng)要同時(shí)采集數(shù)據(jù)和控制的場(chǎng)合。控制的場(chǎng)合。35DMA方式方式： 用于高速數(shù)據(jù)采集。用于高速數(shù)據(jù)采集。 查詢(xún)方式：查詢(xún)方式： 用于系統(tǒng)只采集幾個(gè)模擬信用于系統(tǒng)只采集幾個(gè)模擬信號(hào)的場(chǎng)合。號(hào)的場(chǎng)合。 361. 量化量化什么是什么是量化量化？ 量化量化 采樣信號(hào)的幅值與某個(gè)最小數(shù)量采樣信號(hào)的幅值與某個(gè)最小數(shù)量單位的一系列倍數(shù)比較，用最接單位的一系列倍數(shù)比較，用最接近采樣信號(hào)幅值的最小數(shù)量單位近采樣信號(hào)幅值的最小數(shù)量單位倍數(shù)來(lái)代替該幅值。倍數(shù)來(lái)代替該幅值。 37最小數(shù)量單位最小數(shù)量單位 量化

16、單位，量化單位，用用 q 表示。表示。量化單位定義：量化單位定義： 量化器滿(mǎn)量程電壓量化器滿(mǎn)量程電壓FSR (Full Scale Range)與與2n 的比值的比值。 即即)192(2nFSRq其中其中 n量化器的位數(shù)。量化器的位數(shù)。38【例例2.1】當(dāng)當(dāng)FSR = 10V，n = 8時(shí)時(shí)，q = 39.1 mV；當(dāng)當(dāng) FSR= 10V，n = 12時(shí)時(shí)，q = 2.44 mV；當(dāng)當(dāng) FSR= 10V，n = 16時(shí)時(shí)，q = 0.15 mV。由此可見(jiàn)：由此可見(jiàn)：量化器的位數(shù)量化器的位數(shù)n，量化單位量化單位q。 392. 量化方法量化方法 日常生活中，在計(jì)算某個(gè)貨物的價(jià)值時(shí)，日常生活中，在計(jì)

17、算某個(gè)貨物的價(jià)值時(shí)，對(duì)不到一分錢(qián)的剩余部分，對(duì)不到一分錢(qián)的剩余部分，一概忽略一概忽略四舍五入四舍五入處理方法處理方法類(lèi)似地，類(lèi)似地，AD轉(zhuǎn)換器也有兩種量化方法。轉(zhuǎn)換器也有兩種量化方法。 40只舍不入只舍不入有舍有入有舍有入量化方法量化方法1. 只舍不入只舍不入的量化的量化如圖如圖2.12所示。所示。41 將信號(hào)幅值軸分成若干層，各層之間的間將信號(hào)幅值軸分成若干層，各層之間的間隔均等于量化單位隔均等于量化單位q。 量化方法：量化方法： 信號(hào)幅值小于量化單位信號(hào)幅值小于量化單位 q 倍數(shù)的部倍數(shù)的部分，一律舍去。分，一律舍去。 t0q2q3qxS(nTS)TS2TS3TS. . . .txq(nT

18、S)0q2q3q. . . .TS2TS3TS(a)(b)圖圖2.12 “ “只舍不入只舍不入”量化過(guò)程量化過(guò)程42量化信號(hào)用量化信號(hào)用xq(nTs ) 來(lái)表示來(lái)表示： 當(dāng)當(dāng) 0 xnTqSS()時(shí)時(shí)，0)(SqnTx當(dāng)當(dāng) qxnTqSS()2時(shí)，時(shí)，qnTxSq)(當(dāng)當(dāng) 23qxnTqSS()時(shí)，時(shí)，qnTxSq2)( 2. 有舍有入有舍有入的量化的量化如圖如圖2.13示示。 43量化方法：量化方法： 信號(hào)幅值小于信號(hào)幅值小于 q2的部分，舍去，大于的部分，舍去，大于或等于或等于q2的部分，計(jì)入。的部分，計(jì)入。 t0q2q3qxS(nTS)TS2TS3TS. . . .txq(nTS)0q2

19、q3q. . . .TS2TS3TS(a)(b)圖圖2.13 “ “有舍有入有舍有入”量化過(guò)程量化過(guò)程44量化信號(hào)仍用量化信號(hào)仍用xq(nTs )表示表示： 當(dāng)當(dāng) qxnTqSS22()時(shí)，時(shí)，0)(SqnTx當(dāng)當(dāng)qxnTqSS232()時(shí)，時(shí)，qnTxSq)(當(dāng)當(dāng)3252qxnTqSS()時(shí)，時(shí)，qnTxSq2)( 45【例【例2.2】設(shè)來(lái)自傳感器的模擬信號(hào)的電設(shè)來(lái)自傳感器的模擬信號(hào)的電壓是在壓是在05 V范圍內(nèi)變化，如圖范圍內(nèi)變化，如圖2.14(a) 中中虛線(xiàn)所示?，F(xiàn)用虛線(xiàn)所示?，F(xiàn)用1V，2V，3V，4V，5V（即量化單位即量化單位1V）五個(gè)電平近似取代五個(gè)電平近似取代 05 V范圍內(nèi)變化

20、的采樣信號(hào)范圍內(nèi)變化的采樣信號(hào)。46x(t)解：采用解：采用有舍有入有舍有入的方法對(duì)采樣信號(hào)進(jìn)行的方法對(duì)采樣信號(hào)進(jìn)行 量化。量化時(shí)按以下規(guī)律處理采樣信號(hào)：量化。量化時(shí)按以下規(guī)律處理采樣信號(hào)： tUi圖圖2.14 量化實(shí)例量化實(shí)例00.511.522.533.544.55t1TSt20.73.5t34.6t44.7t53.6t62.7(a)tUq12345t1t2t3t4t5t6(b)47 電壓值處于電壓值處于0.51.4V范圍內(nèi)的采樣信號(hào)，范圍內(nèi)的采樣信號(hào)，都將電壓值視為都將電壓值視為1 V； 電壓值處于電壓值處于1.5V2.4V范圍內(nèi)的采樣信范圍內(nèi)的采樣信號(hào)，則視為號(hào)，則視為2 V； 其它依

21、次類(lèi)推其它依次類(lèi)推。 結(jié)果：結(jié)果：把原來(lái)幅值連續(xù)變化的采樣信號(hào)，變把原來(lái)幅值連續(xù)變化的采樣信號(hào)，變成了幅值為有限序列的量化信號(hào)。成了幅值為有限序列的量化信號(hào)。48由以上討論可知由以上討論可知: : 量化信號(hào)的精度取決于所量化信號(hào)的精度取決于所選的量化單位選的量化單位q。 很顯然：很顯然： q，信號(hào)精度信號(hào)精度。 量化始終存在著誤差量化始終存在著誤差，這是因?yàn)榱炕怯?，這是因?yàn)榱炕怯媒浦荡嫘盘?hào)精確值的緣故。近似值代替信號(hào)精確值的緣故。 3. 量化誤差量化誤差什么是什么是量化誤差量化誤差？49量化誤差量化誤差 由量化引起的誤差，記為由量化引起的誤差，記為e。 即即)202()()(SqSSn

22、TxnTxe式中式中 xs(nTs ) 采樣信號(hào)采樣信號(hào)； xq(nTs ) 量化信號(hào)量化信號(hào)。量化誤差的大小與所采用的量化方法有關(guān)。量化誤差的大小與所采用的量化方法有關(guān)。 只舍不入只舍不入法引起的量化誤差法引起的量化誤差量化特性曲線(xiàn)與量化誤差如圖量化特性曲線(xiàn)與量化誤差如圖2.15所示。所示。 50q.-qq(a)(b)xq( )nT x( )nTeq.xS( )nTSSSS圖圖2 2. .1 15 5 “只只舍舍不不入入”量量化化特特 性性曲曲線(xiàn)線(xiàn)與與量量化化誤誤差差 由圖可知：由圖可知： 量化誤差只能是量化誤差只能是正誤差。正誤差。 它可以取它可以取0q 之間的任意值。之間的任意值。 51

23、平均誤差為平均誤差為 )212(2d1d)(0qqeeqeeepe式中式中，p(e)為概率密度函數(shù)，為概率密度函數(shù)，其概率分布見(jiàn)圖其概率分布見(jiàn)圖2.17（a）。）。 qe(a)1qp e( )圖圖2 2. .1 17 7 概概率率密密度度函函數(shù)數(shù)52 由于平均誤差不等于零，故稱(chēng)為有偏由于平均誤差不等于零，故稱(chēng)為有偏的。最大量化誤差為的。最大量化誤差為)222(maxqe量化誤差的方差為量化誤差的方差為 eqeep eeeqqeq222022112()( )()dd53上式表明：上式表明：xq(nTs )將包含噪聲將包含噪聲q212即使模擬信號(hào)即使模擬信號(hào)x(t)為無(wú)噪聲信號(hào)，為無(wú)噪聲信號(hào)，經(jīng)過(guò)

24、量化器量化后，量化信號(hào)經(jīng)過(guò)量化器量化后，量化信號(hào)量化誤差的標(biāo)準(zhǔn)差為量化誤差的標(biāo)準(zhǔn)差為)232(29. 032qqe2. 有舍有入有舍有入法引起的量化誤差法引起的量化誤差量化特性曲線(xiàn)與量化誤差如圖量化特性曲線(xiàn)與量化誤差如圖2.16所示。所示。 54q/2-q/2q-q.q2q-q.(a)(b)x ( )nTqx( )nTe-q22q+2q2q-2q-x S( )nTSSSS圖圖2 2. .1 16 6“有有舍舍有有入入”量量化化特特性性曲曲線(xiàn)線(xiàn) 與與量量化化誤誤差差由圖可知：由圖可知：量化誤差有正有負(fù)量化誤差有正有負(fù)它可以取它可以取22qq之間的任意值。之間的任意值。 55平均誤差為平均誤差為)

25、242(0d1d)(22qqeeqeeepe式中式中，p(e)為概率密度函數(shù)，為概率密度函數(shù)，其概率分布見(jiàn)圖其概率分布見(jiàn)圖2.17（b）。）。 p e( )e(b)1q-q2q2圖圖2 2. .1 17 7 概概率率密密度度函函數(shù)數(shù)56 由于平均誤差等于零，故稱(chēng)為無(wú)偏的。由于平均誤差等于零，故稱(chēng)為無(wú)偏的。最大量化誤差為最大量化誤差為)252(2maxqe量化誤差的方差為量化誤差的方差為 eqqeep eeeqeq222222112()( )dd57 量化誤差的標(biāo)準(zhǔn)差與量化誤差的標(biāo)準(zhǔn)差與只舍不入只舍不入的的情況相同：情況相同： )262(29. 032qqe 由以上分析可知：由以上分析可知： 量

26、化誤差是一種原理量化誤差是一種原理性誤差，它只能減小性誤差，它只能減小而無(wú)法完全消除。而無(wú)法完全消除。58兩種量化方法的比較：兩種量化方法的比較： 有舍有入有舍有入的方法好，這是因?yàn)?，的方法好，這是因?yàn)?，有舍有入有舍有入法的最大量化誤差只是法的最大量化誤差只是只只舍不入舍不入法法12的的。 目前大部分目前大部分AD轉(zhuǎn)換器都是采用轉(zhuǎn)換器都是采用有有有舍有入有舍有入的量化方法。的量化方法。 593. 量化誤差對(duì)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)動(dòng)態(tài)平滑性的影響量化誤差對(duì)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)動(dòng)態(tài)平滑性的影響 不考慮采樣過(guò)程，只專(zhuān)注于研究模擬信號(hào)不考慮采樣過(guò)程，只專(zhuān)注于研究模擬信號(hào)經(jīng)過(guò)量化后的情況。如圖經(jīng)過(guò)量化后的情況。如圖2.1

27、8所示，其量化信所示，其量化信號(hào)將呈階梯形狀。號(hào)將呈階梯形狀。600q2q3q-qq/2-q/20ttx( )txq( )nTeS(a)0q2q3q-qq/2-q/20ttx( )txq( )nTeS(b)圖圖2.18 模擬信號(hào)的量化噪聲模擬信號(hào)的量化噪聲 61 由于量化誤差由于量化誤差e的大小取決于量化單位的大小取決于量化單位q 和和模擬信號(hào)模擬信號(hào)x(t)。當(dāng)量化單位當(dāng)量化單位q與與x(t)的電平相比足的電平相比足夠小時(shí)，量化誤差夠小時(shí)，量化誤差e可作為噪聲考慮可作為噪聲考慮。 比較圖比較圖2.18中的中的（a）、（）、（b）兩種情況，兩種情況，可以發(fā)現(xiàn)：可以發(fā)現(xiàn)： 對(duì)于相同的模擬信號(hào)對(duì)于

28、相同的模擬信號(hào) AD轉(zhuǎn)換器位數(shù)轉(zhuǎn)換器位數(shù)n，q，噪聲噪聲e 峰峰 峰峰值值，噪聲噪聲e變化的頻率變化的頻率。62AD轉(zhuǎn)換器位數(shù)轉(zhuǎn)換器位數(shù)n，q，則產(chǎn)生高則產(chǎn)生高頻、小振幅的量化噪聲。頻、小振幅的量化噪聲。 對(duì)相同的量化單位對(duì)相同的量化單位q信號(hào)變化信號(hào)變化，量化噪聲的變化頻率量化噪聲的變化頻率； 信號(hào)變化信號(hào)變化，量化噪聲的變化頻率量化噪聲的變化頻率。63總結(jié)以上情況，可得出以下結(jié)論：總結(jié)以上情況，可得出以下結(jié)論： 模擬信號(hào)經(jīng)過(guò)量化后，產(chǎn)生了跳躍狀模擬信號(hào)經(jīng)過(guò)量化后，產(chǎn)生了跳躍狀 的量化噪聲的量化噪聲； 量化噪聲的峰量化噪聲的峰 峰值等于量化單位峰值等于量化單位q； 量化噪聲的變化頻率取決于量

29、化單位量化噪聲的變化頻率取決于量化單位q 和模擬信號(hào)和模擬信號(hào)x(t) 的變化情況的變化情況： q，x(t) 變化變化，噪聲的頻率噪聲的頻率。64 由此可知，量化噪聲的大小受由此可知，量化噪聲的大小受AD轉(zhuǎn)換器位數(shù)的影響。轉(zhuǎn)換器位數(shù)的影響。 4. 量化誤差量化誤差（噪聲噪聲）與量化器位數(shù)的關(guān)系與量化器位數(shù)的關(guān)系量化誤差可按一系列在量化誤差可按一系列在qq22之間的之間的斜率不同的線(xiàn)性段處理，如圖斜率不同的線(xiàn)性段處理，如圖2.19所示。所示。65 設(shè)設(shè)為時(shí)間間為時(shí)間間隔隔 -t1t2 內(nèi)直內(nèi)直線(xiàn)段的斜率：線(xiàn)段的斜率： qtqt2212te-q/2q/2-t1t2圖圖2.19 量化誤差的線(xiàn)性化處理

30、量化誤差的線(xiàn)性化處理66誤差誤差e = t，則其方差為則其方差為eqttqtt2221212() d相應(yīng)的量化信噪比為相應(yīng)的量化信噪比為 )282()(1212)(22222qFSRqFSReFSRNS67 qFSRn2 ()SNn1222或或 )292(8 .106)(B nNSd式中式中nAD轉(zhuǎn)換器位數(shù)轉(zhuǎn)換器位數(shù)。68由式由式（2-29）可看出可看出： 位數(shù)每增加一位，信噪比將增加位數(shù)每增加一位，信噪比將增加6dB。也就意味著量化誤差減小也就意味著量化誤差減小。結(jié)論：結(jié)論：增加增加AD轉(zhuǎn)換器的位數(shù)能減小量轉(zhuǎn)換器的位數(shù)能減小量化誤差化誤差。69編碼編碼 將量化信號(hào)的電平用數(shù)字代碼將量化信號(hào)的

31、電平用數(shù)字代碼來(lái)表示。來(lái)表示。 單極性信號(hào)，電壓從單極性信號(hào)，電壓從 0V + xV 變化變化；雙極性信號(hào)雙極性信號(hào)，電壓從電壓從 -xV + xV 變化變化。70單極性二進(jìn)制碼單極性二進(jìn)制碼二進(jìn)制碼類(lèi)型二進(jìn)制碼類(lèi)型雙極性二進(jìn)制碼雙極性二進(jìn)制碼1. 單極性編碼單極性編碼單極性編碼的方式有以下幾種：?jiǎn)螛O性編碼的方式有以下幾種： 二進(jìn)制碼二進(jìn)制碼 在數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換中，經(jīng)常使用的是二進(jìn)制分?jǐn)?shù)碼。在數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換中，經(jīng)常使用的是二進(jìn)制分?jǐn)?shù)碼。71 在這種碼制中，一個(gè)（十進(jìn)制）數(shù)的在這種碼制中，一個(gè)（十進(jìn)制）數(shù)的量化電平可表示為量化電平可表示為)302(22221221 ninniiaaaaD式中式中：第第1位位（

32、MSB）的權(quán)是的權(quán)是 12，第第2位的位的41，.， 第第n位位（LSB）的權(quán)的權(quán)12n權(quán)是權(quán)是是是72ai 或?yàn)榛驗(yàn)?0 或?yàn)榛驗(yàn)?1，n 是位數(shù)是位數(shù)。 數(shù)數(shù)D 的值就是所有非的值就是所有非0位的值與它的位的值與它的權(quán)的積累加的和。權(quán)的積累加的和。 【例【例2.3】 設(shè)有一個(gè)設(shè)有一個(gè)DA轉(zhuǎn)換器，輸入二轉(zhuǎn)換器，輸入二 進(jìn)制數(shù)碼為進(jìn)制數(shù)碼為：110101，基準(zhǔn)電壓基準(zhǔn)電壓 UREF = FSR = 10V，求，求 UOUT =?解：根據(jù)式解：根據(jù)式（2-30）可得可得73828125. 0)641132101611810411211 (D則則)V(28125. 8828125. 010REFO

33、UTDUU注意：注意： 由于二進(jìn)制數(shù)碼的位數(shù)由于二進(jìn)制數(shù)碼的位數(shù)n是有限的，即是有限的，即使二進(jìn)制數(shù)碼的各位使二進(jìn)制數(shù)碼的各位 ai =1 ( i =1，2 ，n)。最大輸出電壓最大輸出電壓Umax也不與也不與FSR相等，而是差一個(gè)量化單位相等，而是差一個(gè)量化單位q，可可用下式確定用下式確定：74例如：例如：Umax = 111 111 111 111 = + 9.9976 VUmin = 000 000 000 000 = 0.0000 V )322()211 (maxnFSRU對(duì)于一個(gè)工作電壓是對(duì)于一個(gè)工作電壓是0V+10V的的12位單極性轉(zhuǎn)換器而言：位單極性轉(zhuǎn)換器而言： 75表表2.3

34、8位單極性二進(jìn)制碼與滿(mǎn)量程的關(guān)系位單極性二進(jìn)制碼與滿(mǎn)量程的關(guān)系 標(biāo)標(biāo) 度度 滿(mǎn)量程電壓滿(mǎn)量程電壓 (+10V) 二進(jìn)制數(shù)碼二進(jìn)制數(shù)碼 高高4位位 低低4位位 +FSR-1LSB +3/4 FSR +1/2 FSR +1/4 FSR +1LSB 0 +9.96 +7.50 +5.00 +2.50 +0.04 0.00 1111 1111 1100 0000 1000 0000 0100 0000 0000 0001 0000 0000762. 二二 十進(jìn)制十進(jìn)制（BCD）編碼編碼 在在BCD編碼中，用一組編碼中，用一組4位二進(jìn)制碼位二進(jìn)制碼來(lái)表示一位來(lái)表示一位09的十進(jìn)制數(shù)字。例如，一的十進(jìn)制數(shù)

35、字。例如，一個(gè)電壓按個(gè)電壓按 8421（即即 23222120) 進(jìn)行進(jìn)行BCD編編碼，則有碼，則有UFSRaaaaOUT108421234()332()248(1004321 bbbbFSR77表表2.4 3位十進(jìn)制數(shù)字的位十進(jìn)制數(shù)字的BCD編碼表編碼表 標(biāo)標(biāo) 度度 電壓電壓 ( V ) BCD碼碼 +FSR-1LSB +3/4 FSR +1/2 FSR +1/4 FSR +1/8 FSR +1LSB 0 +9.99 +7.50 +5.00 +2.50 +1.25 +0.01 +0.00 1001 1001 1001 0111 0101 0000 0101 0000 0000 0010 01

36、01 0000 0001 0010 0101 0000 0000 0001 0000 0000 000078表表2.5 十進(jìn)制數(shù)與二進(jìn)制碼、二十進(jìn)制數(shù)與二進(jìn)制碼、二- -十進(jìn)制碼的對(duì)應(yīng)關(guān)系十進(jìn)制碼的對(duì)應(yīng)關(guān)系 十進(jìn)制數(shù)十進(jìn)制數(shù) 二進(jìn)制碼二進(jìn)制碼 二二 - - 十進(jìn)制碼十進(jìn)制碼 8 - 4 - 2 - 1 15 14 13 12 11 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0 1111 1110 1101 1100 1011 1010 1001 1000 0111 0110 0101 0100 0011 0010 0001 0000 0001 0101 0001 0100 0001 0011

37、0001 0010 0001 0001 0001 0000 1001 1000 0111 0110 0101 0100 0011 0010 0001 0000792. 雙極性編碼雙極性編碼符號(hào)符號(hào) 數(shù)值碼數(shù)值碼特點(diǎn)：特點(diǎn)： 最高位為符號(hào)位最高位為符號(hào)位：0表示正表示正；1表示負(fù)，其它各位是數(shù)值位。表示負(fù)，其它各位是數(shù)值位。 優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：信號(hào)在零的附近變動(dòng)信號(hào)在零的附近變動(dòng)1LSB時(shí)，數(shù)值時(shí)，數(shù)值碼只有最低位改變，這意味著不會(huì)碼只有最低位改變，這意味著不會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的瞬態(tài)效應(yīng)。產(chǎn)生嚴(yán)重的瞬態(tài)效應(yīng)。80缺點(diǎn)：缺點(diǎn)： 有兩個(gè)碼表示零有兩個(gè)碼表示零 0+ 為為0000 0- 為為1000。 轉(zhuǎn)換器電路比

38、其它雙極性碼復(fù)雜，其造轉(zhuǎn)換器電路比其它雙極性碼復(fù)雜，其造 價(jià)也較昂貴。價(jià)也較昂貴。812. 偏移二進(jìn)制碼偏移二進(jìn)制碼 特點(diǎn)：特點(diǎn)： 其代碼完全按照二進(jìn)制碼的方式變其代碼完全按照二進(jìn)制碼的方式變化，不同之處，只是代碼簡(jiǎn)單地用化，不同之處，只是代碼簡(jiǎn)單地用滿(mǎn)量程值加以偏移。滿(mǎn)量程值加以偏移。以以4位二進(jìn)制碼為例，代碼的偏移情況如下：位二進(jìn)制碼為例，代碼的偏移情況如下： 代碼為代碼為0000時(shí)，表示模擬負(fù)滿(mǎn)量程時(shí)，表示模擬負(fù)滿(mǎn)量程值，即值，即-FSR。 82代碼為代碼為1000時(shí)，表示模擬零，即模擬零時(shí)，表示模擬零，即模擬零電壓對(duì)應(yīng)于電壓對(duì)應(yīng)于2n-1。代碼為代碼為1111時(shí)，表示模擬正滿(mǎn)量程時(shí)，表

39、示模擬正滿(mǎn)量程值減值減1LSB，即即FSRFSRn21以上偏移情況可以用表達(dá)式概括如下：以上偏移情況可以用表達(dá)式概括如下： 83)342(1211OUTniiiaFSRU)352(211)(1maxnFSRU正)362()(minFSRU負(fù)例：例： 對(duì)于一個(gè)滿(mǎn)量程電壓是對(duì)于一個(gè)滿(mǎn)量程電壓是10V +10V的的12位偏移二進(jìn)制轉(zhuǎn)換器而言，位偏移二進(jìn)制轉(zhuǎn)換器而言， 84Umax = 111 111 111 111= + 9.9951 VUmid = 100 000 000 000 = 0.0000 VUmin = 000 000 000 000 = 10.0000 V優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：缺點(diǎn)：缺點(diǎn)：容易實(shí)

40、現(xiàn)，還很容易變換成補(bǔ)碼。容易實(shí)現(xiàn)，還很容易變換成補(bǔ)碼。 在零點(diǎn)附近發(fā)生主碼躍遷。在零點(diǎn)附近發(fā)生主碼躍遷。853. 補(bǔ)碼補(bǔ)碼補(bǔ)碼的構(gòu)成方法：補(bǔ)碼的構(gòu)成方法： 方法方法1： 補(bǔ)碼符號(hào)位與偏移二進(jìn)制碼的符補(bǔ)碼符號(hào)位與偏移二進(jìn)制碼的符號(hào)位相反，而數(shù)值部分則相同號(hào)位相反，而數(shù)值部分則相同。 方法方法2： 正數(shù)的補(bǔ)碼就是二進(jìn)制碼；正數(shù)的補(bǔ)碼就是二進(jìn)制碼；負(fù)數(shù)的補(bǔ)碼是先把相應(yīng)正數(shù)的二進(jìn)制負(fù)數(shù)的補(bǔ)碼是先把相應(yīng)正數(shù)的二進(jìn)制碼所有位取反，然后，在最低位加碼所有位取反，然后，在最低位加1。86例如例如 2)0011(8322)1101() 11100(83補(bǔ)碼的優(yōu)、缺點(diǎn)與偏移二進(jìn)制碼相同。補(bǔ)碼的優(yōu)、缺點(diǎn)與偏移二進(jìn)制

41、碼相同。871) 單極性不歸零單極性不歸零(NRZ)碼碼1：正電平：正電平0：零電平：零電平在表示一個(gè)碼元時(shí)，電壓均無(wú)需回到零，故稱(chēng)不歸零碼在表示一個(gè)碼元時(shí)，電壓均無(wú)需回到零，故稱(chēng)不歸零碼0 1 0 1 1 0 0 1 單極性單極性碼碼88它有如下特點(diǎn)：它有如下特點(diǎn)：(1) 發(fā)送能量大，有利于提高接收端信噪比發(fā)送能量大，有利于提高接收端信噪比 (2) 在信道上占用頻帶較窄在信道上占用頻帶較窄 (3) 有直流分量，將導(dǎo)致信號(hào)的失真與畸變；且由于直流分量有直流分量，將導(dǎo)致信號(hào)的失真與畸變；且由于直流分量 的存在，無(wú)法使用一些交流耦合的線(xiàn)路和設(shè)備的存在，無(wú)法使用一些交流耦合的線(xiàn)路和設(shè)備(4) 不能直

42、接提取位同步信息不能直接提取位同步信息(5) 接收單極性接收單極性NRZ碼的判決電平應(yīng)取碼的判決電平應(yīng)取“1”碼電平的一半碼電平的一半 892） 雙極性不歸零雙極性不歸零(NRZ)碼碼 1 1：正電平：正電平0 0：負(fù)電平：負(fù)電平0 1 0 1 1 0 0 1 雙極性雙極性碼碼90 其特點(diǎn)除與單極性其特點(diǎn)除與單極性NRZ碼特點(diǎn)碼特點(diǎn)(1)、 (2)、 (4)相同外，還有相同外，還有以下特點(diǎn)：以下特點(diǎn)：從統(tǒng)計(jì)平均角度來(lái)看，從統(tǒng)計(jì)平均角度來(lái)看，“1”和和“0”數(shù)目各占一半時(shí)無(wú)直流數(shù)目各占一半時(shí)無(wú)直流分分量，量， 但當(dāng)?shù)?dāng)“1”和和“0”出現(xiàn)概率不相等時(shí)，仍有直流成份出現(xiàn)概率不相等時(shí)，仍有直流成份(

43、2) 接收端判決門(mén)限為接收端判決門(mén)限為0， 容易設(shè)置并且穩(wěn)定，容易設(shè)置并且穩(wěn)定， 因此抗干擾能因此抗干擾能力強(qiáng)力強(qiáng)(3) 可以在電纜等無(wú)接地線(xiàn)上傳輸可以在電纜等無(wú)接地線(xiàn)上傳輸910 1 0 1 1 0 0 1 3) 單極性歸零單極性歸零(RZ)碼碼1：發(fā)送：發(fā)送1個(gè)寬度小于碼元持續(xù)時(shí)間的歸零脈沖個(gè)寬度小于碼元持續(xù)時(shí)間的歸零脈沖0：不發(fā)送脈沖：不發(fā)送脈沖其特征是所用脈沖寬度比碼元寬度窄，即還沒(méi)有到一個(gè)碼其特征是所用脈沖寬度比碼元寬度窄，即還沒(méi)有到一個(gè)碼元終止時(shí)刻就回到零值，因此，稱(chēng)其為單極性歸零碼元終止時(shí)刻就回到零值，因此，稱(chēng)其為單極性歸零碼92脈沖寬度脈沖寬度與碼元寬度與碼元寬度Tb之比之比/

44、Tb叫占空比叫占空比單極性單極性RZ碼與單極性碼與單極性NRZ碼比較，碼比較， 除仍具有單極性碼的一除仍具有單極性碼的一般缺點(diǎn)外，主要優(yōu)點(diǎn)是可以直接提取同步信號(hào)般缺點(diǎn)外，主要優(yōu)點(diǎn)是可以直接提取同步信號(hào)此優(yōu)點(diǎn)雖不意味著單極性歸零碼能廣泛應(yīng)用到信道上傳輸，此優(yōu)點(diǎn)雖不意味著單極性歸零碼能廣泛應(yīng)用到信道上傳輸，但它卻是其它碼型提取同步信號(hào)需采用的一個(gè)過(guò)渡碼型。即但它卻是其它碼型提取同步信號(hào)需采用的一個(gè)過(guò)渡碼型。即它是適合信道傳輸?shù)模荒苤苯犹崛⊥叫盘?hào)的碼型，可它是適合信道傳輸?shù)?，但不能直接提取同步信?hào)的碼型，可先變?yōu)閱螛O性歸零碼，再提取同步信號(hào)先變?yōu)閱螛O性歸零碼，再提取同步信號(hào) 934） 雙極性歸

45、零雙極性歸零(RZ)碼碼1：正脈沖：正脈沖0：負(fù)脈沖：負(fù)脈沖相鄰脈沖間必有零電平區(qū)域存在相鄰脈沖間必有零電平區(qū)域存在0 1 0 1 1 0 0 1 94在接收端根據(jù)接收波形歸于零電平便知道在接收端根據(jù)接收波形歸于零電平便知道1 1比特信息已接收比特信息已接收完畢，完畢， 以便準(zhǔn)備下一比特信息的接收以便準(zhǔn)備下一比特信息的接收所以，在發(fā)送端不必按一定的周期發(fā)送信息所以，在發(fā)送端不必按一定的周期發(fā)送信息可以認(rèn)為正負(fù)脈沖前沿起了啟動(dòng)信號(hào)的作用，后沿起了終止可以認(rèn)為正負(fù)脈沖前沿起了啟動(dòng)信號(hào)的作用，后沿起了終止信號(hào)的作用信號(hào)的作用, , 因此，可以經(jīng)常保持正確的比特同步因此，可以經(jīng)常保持正確的比特同步此外

46、，雙極性歸零碼也具有雙極性不歸零碼的抗干擾能力強(qiáng)此外，雙極性歸零碼也具有雙極性不歸零碼的抗干擾能力強(qiáng)及碼中不含直流成分的優(yōu)點(diǎn)及碼中不含直流成分的優(yōu)點(diǎn)雙極性歸零碼得到了比較廣泛的應(yīng)用雙極性歸零碼得到了比較廣泛的應(yīng)用 955）差分碼）差分碼對(duì)對(duì)0差分碼：利用相鄰前后碼元電平極性改變表示差分碼：利用相鄰前后碼元電平極性改變表示“0”，不變，不變表示表示“1”對(duì)對(duì)1差分碼：差分碼：利用相鄰前后碼元極性改變表示利用相鄰前后碼元極性改變表示“1”，不變表示，不變表示“0”0 1 0 1 1 0 0 1 96特點(diǎn)：即使接收端收到的碼元極性與發(fā)送端完全相反，也能特點(diǎn)：即使接收端收到的碼元極性與發(fā)送端完全相反，

47、也能正確地進(jìn)行判決正確地進(jìn)行判決976)交替極性交替極性(AMI)碼碼雙極方式碼、平衡對(duì)稱(chēng)碼、信號(hào)交替反轉(zhuǎn)碼雙極方式碼、平衡對(duì)稱(chēng)碼、信號(hào)交替反轉(zhuǎn)碼0：零電平：零電平1：交替的正、負(fù)電平：交替的正、負(fù)電平0 1 0 1 1 0 0 1 98這種碼型實(shí)際上把二進(jìn)制脈沖序列變?yōu)槿娖降姆?hào)序列這種碼型實(shí)際上把二進(jìn)制脈沖序列變?yōu)槿娖降姆?hào)序列(故叫偽三元序列故叫偽三元序列)其優(yōu)點(diǎn)如下：其優(yōu)點(diǎn)如下：(1) 在在“1”、“0”碼不等概率情況下，也無(wú)直流成分，碼不等概率情況下，也無(wú)直流成分， 且零頻附近低頻分量小。因此，對(duì)具有變壓器或其他交流耦且零頻附近低頻分量小。因此，對(duì)具有變壓器或其他交流耦合的傳輸信

48、道來(lái)說(shuō)，不易受隔直特性影響合的傳輸信道來(lái)說(shuō)，不易受隔直特性影響99(2) (2) 若接收端收到的碼元極性與發(fā)送端完全相反，若接收端收到的碼元極性與發(fā)送端完全相反， 也能也能正確判決正確判決 (3) (3) 只要進(jìn)行全波整流就可以變?yōu)閱螛O性碼。如果交替只要進(jìn)行全波整流就可以變?yōu)閱螛O性碼。如果交替極性碼是歸零的，變?yōu)閱螛O性歸零碼后就可提取同步信息。極性碼是歸零的，變?yōu)閱螛O性歸零碼后就可提取同步信息。 北美系列的一、二、三次群接口碼均使用經(jīng)擾碼后的北美系列的一、二、三次群接口碼均使用經(jīng)擾碼后的AMIAMI碼碼100 7) 三階高密度雙極性三階高密度雙極性(HDB3)碼碼AMI碼有一個(gè)很大的缺點(diǎn)：連碼

49、有一個(gè)很大的缺點(diǎn)：連“0”碼過(guò)多時(shí)提取定時(shí)信號(hào)困碼過(guò)多時(shí)提取定時(shí)信號(hào)困難難這是因?yàn)樵谶B這是因?yàn)樵谶B“0”時(shí)時(shí)AMI輸出均為零電平，連輸出均為零電平，連“0”碼這段時(shí)碼這段時(shí)間間內(nèi)無(wú)法提取同步信號(hào)，而前面非連內(nèi)無(wú)法提取同步信號(hào)，而前面非連“0”碼時(shí)提取的位同步信碼時(shí)提取的位同步信號(hào)又不能保持足夠的時(shí)間號(hào)又不能保持足夠的時(shí)間HDB3碼就是一系列高密度雙極性碼碼就是一系列高密度雙極性碼(HDB1、HDB2、HDB3等等)中最重要的一種中最重要的一種101編碼原理：編碼原理：先把消息變成先把消息變成AMI碼，然后檢查碼，然后檢查AMI的連的連“0”情況，當(dāng)無(wú)情況，當(dāng)無(wú)3個(gè)個(gè)以上連以上連“0”串時(shí)，則這

50、時(shí)的串時(shí)，則這時(shí)的AMI碼就是碼就是HDB3碼碼當(dāng)出現(xiàn)當(dāng)出現(xiàn)4個(gè)或個(gè)或4個(gè)以上連個(gè)以上連“0”情況，則將每情況，則將每4個(gè)連個(gè)連“0”小段的第小段的第4個(gè)個(gè)“0”變換成變換成“”碼碼這個(gè)由這個(gè)由“0”碼改變來(lái)的碼改變來(lái)的“”碼稱(chēng)為碼稱(chēng)為破壞脈沖破壞脈沖(符號(hào)符號(hào))，用符號(hào)，用符號(hào)V表示，而原來(lái)的二進(jìn)制碼元序列中所有的表示，而原來(lái)的二進(jìn)制碼元序列中所有的“”碼稱(chēng)為信碼，碼稱(chēng)為信碼，用符號(hào)用符號(hào)B表示。下面表示。下面(a)、(b)、(c)分別表示一個(gè)二進(jìn)制碼元序分別表示一個(gè)二進(jìn)制碼元序列、相應(yīng)的列、相應(yīng)的AMI碼以及信碼碼以及信碼B和破壞脈沖和破壞脈沖V的位置的位置102(a) 代碼：代碼： 0

51、1 0 0 0 0 1 1 0 0 0 0 0 1 0 1 0(b) AMI碼：碼： 0 +1 0 0 0 0 -1 +1 0 0 0 0 0 -1 0 +1 0 (c) B和和V： 0 B 0 0 0 V B B 0 0 0 V 0 B 0 B 0(d) B： 0 B+ 0 0 0 V+ B- B+ B- 0 0 V- 0 B+ 0 B- 0(e)HDB3： 0 +1 0 0 0 +1 1 +1 -1 0 0 -1 0 +1 0 -1 0 103(a) 代碼：代碼： 0 0 0 0 0 0 1 1 0 0 0 0 0 1 0 1 0(b) AMI碼：碼： 0 0 0 0 0 0 +1 -1

52、0 0 0 0 0 +1 0 -1 0 (c) B和和V： 0 0 0 V 0 0 B B 0 0 0 V 0 B 0 B 0(d) B： B+ 0 0 V+ 0 0 B- B+ B- 0 0 V- 0 B+ 0 B- 0(e)HDB3： +1 0 0 +1 0 0 1 +1 -1 0 0 -1 0 +1 0 -1 0 104當(dāng)信碼序列中加入破壞脈沖以后，信碼當(dāng)信碼序列中加入破壞脈沖以后，信碼B和破壞脈沖和破壞脈沖V的正的正負(fù)必須滿(mǎn)足如下兩個(gè)條件：負(fù)必須滿(mǎn)足如下兩個(gè)條件： (1) B碼和碼和V碼各自都應(yīng)始終保持碼各自都應(yīng)始終保持極性交替變化極性交替變化的規(guī)律，以的規(guī)律，以便確保編好的碼中沒(méi)有直

53、流成分便確保編好的碼中沒(méi)有直流成分 (2) V碼必須與前一個(gè)碼碼必須與前一個(gè)碼(信碼信碼B)同極性同極性，以便和正常的，以便和正常的AMI碼區(qū)分開(kāi)來(lái)。如果這個(gè)條件得不到滿(mǎn)足，那么應(yīng)該在四碼區(qū)分開(kāi)來(lái)。如果這個(gè)條件得不到滿(mǎn)足，那么應(yīng)該在四個(gè)連個(gè)連“0”碼的第一個(gè)碼的第一個(gè)“0”碼位置上加一個(gè)與碼位置上加一個(gè)與V碼同極性的補(bǔ)碼同極性的補(bǔ)信碼，用符號(hào)信碼，用符號(hào)B表示。此時(shí)表示。此時(shí)B碼和碼和B碼合起來(lái)保持條件碼合起來(lái)保持條件(1)中中信碼極性交替變換的規(guī)律信碼極性交替變換的規(guī)律105是否添加補(bǔ)信碼是否添加補(bǔ)信碼B還可根據(jù)如下規(guī)律來(lái)決定：還可根據(jù)如下規(guī)律來(lái)決定：當(dāng)當(dāng)(c)中中兩個(gè)兩個(gè)V碼間的信碼碼間的

54、信碼B的數(shù)目是偶數(shù)時(shí)的數(shù)目是偶數(shù)時(shí)，應(yīng)該把后面的，應(yīng)該把后面的這個(gè)這個(gè)V碼所表示的連碼所表示的連“0”段中第一個(gè)段中第一個(gè)“0”變?yōu)樽優(yōu)锽，其極性與，其極性與前相鄰前相鄰B碼極性相反，碼極性相反， V碼極性作相應(yīng)變化碼極性作相應(yīng)變化如果兩如果兩V碼間的碼間的B碼數(shù)目是奇數(shù)，就不要再加補(bǔ)信碼碼數(shù)目是奇數(shù)，就不要再加補(bǔ)信碼B了了1060 1 0 1 1 0 0 1 (a) 代碼：代碼： 0 1 0 1 1 0 0 1(b) AMI碼：碼： 0 +1 0 -1 +1 0 0 -1(c) B和和V： 0 B 0 B B 0 0 B(d) B： 0 B+ 0 B- B+ 0 0 B-(e)HDB3： 0

55、 +1 0 1 +1 0 0 1 107在接收端譯碼時(shí)，由兩個(gè)相鄰?fù)瑯O性碼找到在接收端譯碼時(shí)，由兩個(gè)相鄰?fù)瑯O性碼找到V碼，即同極性碼，即同極性碼中后面那個(gè)碼就是碼中后面那個(gè)碼就是V碼碼由由V碼向前的第碼向前的第 3 個(gè)碼如果不是個(gè)碼如果不是“0”碼，表明它是補(bǔ)信碼碼，表明它是補(bǔ)信碼B把把V碼和碼和B碼去掉后留下的全是信碼碼去掉后留下的全是信碼把它全波整流后得到的是單極性碼把它全波整流后得到的是單極性碼108HDB3編碼的步驟可歸納為以下幾點(diǎn)：編碼的步驟可歸納為以下幾點(diǎn)： (1) 從信息碼流中找出四連從信息碼流中找出四連“0”，使四連，使四連“0”的最后一個(gè)的最后一個(gè)“0”變?yōu)樽優(yōu)椤癡”(破壞碼

56、破壞碼)(2) 使兩個(gè)使兩個(gè)“V”之間保持奇數(shù)個(gè)信碼之間保持奇數(shù)個(gè)信碼B，如果不滿(mǎn)足，使，如果不滿(mǎn)足，使四連四連“0”的第一個(gè)的第一個(gè)“0”變?yōu)檠a(bǔ)信碼變?yōu)檠a(bǔ)信碼B，若滿(mǎn)足，則無(wú)需變換，若滿(mǎn)足，則無(wú)需變換(3) 使使B連同連同B按按“+1”、 “-1”交替變化，同時(shí)交替變化，同時(shí)V也要按也要按“+1”、“-1”規(guī)律交替變化，且要求規(guī)律交替變化，且要求V與它前面的相鄰的與它前面的相鄰的B或或者者B同極性同極性 109其解碼的步驟為：其解碼的步驟為： (1) 找找V，從，從HDB3碼中找出相鄰兩個(gè)同極性的碼元，后一碼中找出相鄰兩個(gè)同極性的碼元，后一個(gè)碼元必然是破壞碼個(gè)碼元必然是破壞碼V(2) 找找B

57、，V前面第三位碼元如果為非零，則表明該碼是前面第三位碼元如果為非零，則表明該碼是補(bǔ)信碼補(bǔ)信碼B(3) 將將V和和B還原為還原為“0”，將其他碼元進(jìn)行全波整流，將其他碼元進(jìn)行全波整流,即將即將所有所有“+1”、 “-1”均變?yōu)榫優(yōu)椤?”，這個(gè)變換后的碼流就是原信，這個(gè)變換后的碼流就是原信息碼息碼 110HDB3碼的優(yōu)點(diǎn)是：無(wú)直流成分，低頻成分少，即使有長(zhǎng)連碼的優(yōu)點(diǎn)是：無(wú)直流成分，低頻成分少，即使有長(zhǎng)連“0”碼時(shí)也能提取位同步信號(hào)碼時(shí)也能提取位同步信號(hào)缺點(diǎn)是：編譯碼電路比較復(fù)雜缺點(diǎn)是：編譯碼電路比較復(fù)雜HDB3碼是碼是CCITT建議歐洲系列一、二、三次群的接口碼型建議歐洲系列一、二、三次群的接口

58、碼型1118 8） PSTPST碼碼PSTPST碼是成對(duì)選擇的三進(jìn)碼碼是成對(duì)選擇的三進(jìn)碼其編碼過(guò)程是：先將二進(jìn)制代碼兩兩分組，然后再把每一碼其編碼過(guò)程是：先將二進(jìn)制代碼兩兩分組，然后再把每一碼組編碼成兩個(gè)三進(jìn)制數(shù)字組編碼成兩個(gè)三進(jìn)制數(shù)字 (+(+、 - -、 0)0)。因?yàn)閮晌蝗M(jìn)制數(shù)。因?yàn)閮晌蝗M(jìn)制數(shù)字共有字共有9 9種狀態(tài)，故可靈活地選擇其中的種狀態(tài)，故可靈活地選擇其中的4種狀態(tài)種狀態(tài)0+ 00 0-+0 + +-0 - -+112表表4 - 1列出了其中一種使用最廣的格式：列出了其中一種使用最廣的格式： 代碼：代碼：0 1 0 0 1 1 1 0 1 0 1 1 0 0PST碼（以碼（以

59、+模式開(kāi)頭）：模式開(kāi)頭）：0 + - + + - +0 + 0 + - - +PST碼（以碼（以-模式開(kāi)頭）：模式開(kāi)頭）：0 - - + + - - 0 - 0 + - - + 113為防止為防止PSTPST碼的直流漂移，當(dāng)在一個(gè)碼組中僅發(fā)送單個(gè)脈沖碼的直流漂移，當(dāng)在一個(gè)碼組中僅發(fā)送單個(gè)脈沖時(shí)，即二進(jìn)制碼為時(shí)，即二進(jìn)制碼為1010或或0101，兩個(gè)模式應(yīng)交替變換兩個(gè)模式應(yīng)交替變換；而當(dāng)碼組；而當(dāng)碼組為為00或或11時(shí)，時(shí)， +模式和模式和-模式編碼規(guī)律相同。模式編碼規(guī)律相同。 例如：例如： 代碼：代碼：0 1 0 0 1 1 1 0 1 0 1 1 0 0PST碼（以碼（以+模式開(kāi)頭）：模式開(kāi)

60、頭）：0 + - + + - - 0 + 0 + - - +PST碼（以碼（以-模式開(kāi)頭）：模式開(kāi)頭）：0 - - + + - + 0 - 0 + - - + 114PST碼能提供足夠的定時(shí)分量，且無(wú)直流成分，編碼過(guò)程也碼能提供足夠的定時(shí)分量，且無(wú)直流成分，編碼過(guò)程也較簡(jiǎn)單較簡(jiǎn)單但這種碼在識(shí)別時(shí)需要提供但這種碼在識(shí)別時(shí)需要提供“分組分組”信息，即需要建立幀同信息，即需要建立幀同步步115在某些高速遠(yuǎn)程傳輸系統(tǒng)中，在某些高速遠(yuǎn)程傳輸系統(tǒng)中，lBlB1T1T碼的傳輸效率偏低碼的傳輸效率偏低為此可以將輸入二進(jìn)制碼分成若干位一組，然后用較少位數(shù)為此可以將輸入二進(jìn)制碼分成若干位一組，然后用較少位數(shù)的三元