什么是數(shù)字信號.docx

1、什么是數(shù)字信號數(shù)字信號指自變量是離散的、因變量也是離散的信號, 這種信號的自變量用整數(shù)表示，因變量用有限數(shù)字中的一個 數(shù)字來表示。在計算機中，數(shù)字信號的大小常用有限位的二 進制數(shù)表示，例如，字長為2位的二進制數(shù)可表示4種數(shù)字 信號，它們是00、01、10和11 o由于數(shù)字信號是用兩種物理狀態(tài)來表示0和1的，故其 抵抗材料本身干擾和環(huán)境干擾的能力都比模擬信號強很多； 在現(xiàn)代技術的信號處理中，數(shù)字信號發(fā)揮的作用越來越大, 幾乎復雜的信號處理都離不開數(shù)字信號；或者說，只要能把 解決問題的方法用數(shù)學公式表示，就能用計算機來處理代表 物理量的數(shù)字信號。在數(shù)字電路中，由于數(shù)字信號只有0、1兩個狀態(tài)，它 的

2、值是通過中央值來判斷的，在中央值以下規(guī)定為0,以上 規(guī)定為1,所以即使混人了其他干擾信號，只要干擾信號的 值不超過閩值范圍，就可以再現(xiàn)出原來的信號。即使因干擾 信號的值超過閡值范圍而出現(xiàn)了誤碼，只要采用一定的編碼 技術，也很容易將出錯的信號檢測出來并加以糾正因此，與 模擬信號相比，數(shù)字信號在傳輸過程中具有更高的抗干擾能 力，更遠的傳輸距離，且失真幅度小。數(shù)字信號在傳輸過程中不僅具有較高的抗干擾性，還可 以通過壓縮，占用較少的帶寬，實現(xiàn)在一樣的帶寬內(nèi)傳輸更 多、更高音頻、視頻等數(shù)字信號的效果。此外，數(shù)字信號還 可用半導體存儲器來存儲，并可直接用于計算機處理。假設將 、 、電視所處理的音頻、文本、

3、視頻等數(shù)據(jù)及其他 各種不同形式的信號都轉換成數(shù)字脈沖來傳輸，還有利于組 成統(tǒng)一的通信網(wǎng)。從原始信號轉換到數(shù)字信號一般要經(jīng)地抽樣、量化和編 碼這樣三個過程。抽樣是指每隔一小段時間，取原始信號的 一個值。間隔時間越短，單位時間內(nèi)取的樣值也越多，這樣取 出的一組樣值也就越接近原來的信號。抽樣以后要開展量化, 量化就是把取出的各種各樣的樣值僅用我們指定的假設干個 值來表示。最后就是編碼，把量化后的值分別編成僅由0和1 這兩個數(shù)字組成的序列，由脈沖信號發(fā)生器生成相應的數(shù)字 信號。這樣就可以用數(shù)字信號開展傳送了。首先介紹抽樣話音信號是模擬信號，它不僅在幅度取值上是連續(xù)的， 而且在時間上也是連續(xù)的。所謂抽樣

4、就是每隔一定的時間間 隔T,抽取話音信號的一個瞬時幅度值（抽樣值），抽樣后所 得出的一系列在時間上離散的抽樣值稱為樣值序列。抽樣后 的樣值序列在時間上是離散的，可將各個抽樣值經(jīng)過量化、 編碼變換成二進制數(shù)字信號。理論和實踐證明，只要抽樣脈 沖頻率fN2fni （fm是話音信號的最高頻率），那么抽樣后的樣 值序列可不失真地復原成原來的話音信號。例如，一路 信號的頻帶為3003400Hz, fm=3400Hz, 那么抽樣頻率f 22X3400=6800Hz。如按6800Hz的抽樣頻率對 3003400Hz的 信號抽樣，那么抽樣后的樣值序列可不失 真地復原成原來的話音信號，話音信號的抽樣頻率通常取8

5、000Hzo接下來介紹量化抽樣把模擬信號變成了時間上離散的脈沖信號，但脈沖 的幅度仍然是模擬的，還必須開展離散化處理，才能最終用 數(shù)碼來表示。這就要對幅值開展舍零取整的處理，這個過程 稱為量化。量化有兩種方式，量化方式中，取整時只舍不入， 即01伏間的所有輸入電壓都輸出0伏，12伏間所有輸 入電壓都輸出1伏等。采用這種量化方式，輸入電壓總是大 于輸出電壓，因此產(chǎn)生的量化誤差總是正的，最大量化誤差 等于兩個相鄰量化級的間隔八。量化方式在取整時有舍有入, 即00.5伏間的輸入電壓都輸出0伏，0. 51?5伏間的輸 出電壓都輸出1伏等等。采用這種量化方式量化誤差有正有 負，量化誤差的絕對值最大為4/

6、2。因此，采用有舍有入法 開展量化，誤差較小。實際信號可以看成量化輸出信號與量化誤差之和，因此 只用量化輸出信號來代替原信號就會有失真。一般說來，可 以把量化誤差的幅度概率分布看成在-4/2+A/2之間的 均勻分布。可以證明，量化失真功率？，即與最小量化間隔 的平方成正比。最小量化間隔越小，失真就越小。最小量化 間隔越小，用來表示一定幅度的模擬信號時所需要的量化級 數(shù)就越多，因此處理和傳輸就越復雜。所以，量化既要盡量 減少量化級數(shù)，又要使量化失真看不出來。一般都用一個二 進制數(shù)來表示某一量化級數(shù)，經(jīng)過傳輸在接收端再按照這個 二進制數(shù)來恢復原信號的幅值。所謂量化比特數(shù)是指要區(qū)分 所有量化級所需幾

7、位二進制數(shù)。例如，有8個量化級，那么 可用三位二進制數(shù)來區(qū)分，因為，稱8個量化級的量化為3 比特量化。8比特量化那么是指共有個量化級的量化。最后介紹編碼抽樣、量化后的信號還不是數(shù)字信號，需要把它轉換成 數(shù)字編碼脈沖，這一過程稱為編碼。最簡單的編碼方式是二 進制編碼。具體說來，就是用n比特二進制碼來表示已經(jīng)量 化了的樣值，每個二進制數(shù)對應一個量化值，然后把它們排 列，得到由二值脈沖組成的數(shù)字信息流。編碼過程在接收端, 可以按所收到的信息重新組成原來的樣值，再經(jīng)過低通濾波 器恢復原信號。用這樣方式組成的脈沖串的頻率等于抽樣頻 率與量化比特數(shù)的積，稱為所傳輸數(shù)字信號的數(shù)碼率。顯然, 抽樣頻率越高，量化比特數(shù)越大，數(shù)碼率就越高，所需要的 傳輸帶寬就越寬。除了上述的自然二進制碼，還有其他形式 的二進制碼，如格雷碼和折疊二進制碼等。在通信理論中，編碼分為信源編碼和信道編碼兩大類。 所謂信源編碼是指將信號源中多余的信息除去，形成一個適 合用來傳輸?shù)男盘?。為了抑制信道噪聲對信號的干擾，往往 還需要對信號開展再編碼，編成在接收端不易為干擾所弄錯 的形式，這稱為信道編碼。為了對付干擾，必須花費更多的 時間，傳送一