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1、第四章第四章 模拟信号的数字化模拟信号的数字化4.1 引言引言l l两类信源：模拟信号、数字信号两类信源：模拟信号、数字信号两类信源：模拟信号、数字信号两类信源：模拟信号、数字信号l l模模模模/数变换的三步骤：抽样、量化和编码数变换的三步骤：抽样、量化和编码数变换的三步骤：抽样、量化和编码数变换的三步骤：抽样、量化和编码l l最常用的模最常用的模最常用的模最常用的模/数变换方法：脉冲编码调制数变换方法：脉冲编码调制数变换方法：脉冲编码调制数变换方法：脉冲编码调制 (PCM)(PCM)14.2 模拟信号的抽样模拟信号的抽样4.2.1 4.2.1 低通模拟信号的抽样低通模拟信号的抽样低通模拟信号
2、的抽样低通模拟信号的抽样l通常是在等间隔通常是在等间隔T上抽样上抽样l理论上，抽样过程理论上，抽样过程 周期性单位冲激脉冲周期性单位冲激脉冲 模拟信号模拟信号l实际上，实际上，抽样过程抽样过程 周期性单位窄脉冲周期性单位窄脉冲 模拟信号模拟信号l抽样定理：若一个连续模拟信号抽样定理：若一个连续模拟信号s(t)的最高频率小于的最高频率小于fH，则以，则以间隔时间为间隔时间为T 1/2fH的周期性冲激脉冲对其抽样时，的周期性冲激脉冲对其抽样时，s(t)将被将被这些抽样值所完全确定。这些抽样值所完全确定。模拟信号s(t)模拟信号的抽样2l抽样定理的证明：抽样定理的证明：设设：s(t)最高频率小于最高
3、频率小于fH的信号，的信号，T(t)周期性周期性单位冲激脉冲，其重复周期为单位冲激脉冲，其重复周期为T，重复频，重复频率率 为为fs=1/T 则抽样信号为：则抽样信号为：设设sk(t)的傅里叶变换为的傅里叶变换为Sk(f)，则有则有：式中，式中，Sk(f)sk(t)的频谱的频谱 S(f)s(t)的频谱的频谱 (f)T(t)的频谱的频谱 (f)是是周期性单位冲周期性单位冲激脉冲的频谱，它可以求激脉冲的频谱，它可以求出等于：出等于：3将将将将 代入代入代入代入 ，得到，得到，得到，得到 由上式看出：由于由上式看出：由于S(f-nfs)是信号频谱是信号频谱S(f)在频率轴上平移在频率轴上平移了了nf
4、s的结果，所以抽样信号的频谱的结果，所以抽样信号的频谱Sk(f)是无数间隔频率为是无数间隔频率为fs的原信号频谱的原信号频谱S(f)相叠加而成。相叠加而成。因已经假设因已经假设s(t)的最高频率小于的最高频率小于fH，所以若上式中的频率，所以若上式中的频率间隔间隔fs 2fH，则，则Sk(f)中包含的每个原信号频谱中包含的每个原信号频谱S(f)之间互不之间互不重叠，如图所示。这样就能够从重叠，如图所示。这样就能够从Sk(f)中分离出信号中分离出信号s(t)的频的频谱谱S(f)，并能够容易地从，并能够容易地从S(f)得到得到s(t)；也就是能从抽样信号中；也就是能从抽样信号中恢复原信号，或者说能
5、由抽样信号决定原信号。恢复原信号，或者说能由抽样信号决定原信号。这里，恢复原信号的条件是：这里，恢复原信号的条件是：2fH称为称为奈奎斯特奈奎斯特(Nyquist)速率速率。与此相应的最小抽样。与此相应的最小抽样时间间隔称为时间间隔称为奈奎斯特间隔奈奎斯特间隔。4 l l由抽样信号恢复原信号的方法由抽样信号恢复原信号的方法由抽样信号恢复原信号的方法由抽样信号恢复原信号的方法 ：从频域看从频域看从频域看从频域看：当：当：当：当f fs s 2 2f fHH时，用一个截止频率为时，用一个截止频率为时，用一个截止频率为时，用一个截止频率为f fHH的理想低通的理想低通的理想低通的理想低通滤波器就能够
6、从抽样信号中分离出原信号。滤波器就能够从抽样信号中分离出原信号。滤波器就能够从抽样信号中分离出原信号。滤波器就能够从抽样信号中分离出原信号。从时域中看，当用抽样脉冲序列冲激此理想低通滤波器时，从时域中看，当用抽样脉冲序列冲激此理想低通滤波器时，从时域中看，当用抽样脉冲序列冲激此理想低通滤波器时，从时域中看，当用抽样脉冲序列冲激此理想低通滤波器时，滤波器的输出就是一系列冲激响应之和，如图所示。这些滤波器的输出就是一系列冲激响应之和，如图所示。这些滤波器的输出就是一系列冲激响应之和，如图所示。这些滤波器的输出就是一系列冲激响应之和，如图所示。这些冲激响应之和就构成了原信号。冲激响应之和就构成了原信
7、号。冲激响应之和就构成了原信号。冲激响应之和就构成了原信号。理想滤波器是不能实现的。实用滤波器的截止边缘不可能理想滤波器是不能实现的。实用滤波器的截止边缘不可能做到如此陡峭。做到如此陡峭。所以，实用的抽样频率所以，实用的抽样频率fs 必须比必须比 2fH 大较多。大较多。例如，典型电话信号的最高频率限制在例如，典型电话信号的最高频率限制在3400 Hz，而抽样频，而抽样频率采用率采用8000 Hz。54.2.2 4.2.2 带通模拟信号的抽样带通模拟信号的抽样带通模拟信号的抽样带通模拟信号的抽样l带通信号的频带带通信号的频带限制在限制在fL和和fH之间，即其频谱低端截止频率明之间，即其频谱低端
8、截止频率明显大于零。显大于零。l要求抽样频率要求抽样频率fs：式中，式中，B 信号带宽，信号带宽，n 小于小于fH/B的最大整数，的最大整数，0 k 最大跟踪斜率时，将发生过载量化噪声。最大跟踪斜率时，将发生过载量化噪声。避免发生过载量化噪声的途径：使避免发生过载量化噪声的途径：使 fs的乘积足够大。的乘积足够大。因因若取若取 值太大，将增大基本量化噪声。所以，只能用增值太大，将增大基本量化噪声。所以，只能用增大大 fs 的办法增大乘积的办法增大乘积 fs，才能保证基本量化噪声和过载，才能保证基本量化噪声和过载量化噪声两者都不超过要求。量化噪声两者都不超过要求。实际中增量调制采用的抽样频率实际
9、中增量调制采用的抽样频率fs值比值比PCM和和DPCM的抽的抽样频率值都大很多。样频率值都大很多。当输入电压当输入电压 /2 时，输出为时，输出为“1”和和“0”交替序列。交替序列。起始编码电平：起始编码电平：/2 37l量化噪声功率量化噪声功率假设：无过载量化噪声，仅考虑基本量化噪声。假设：无过载量化噪声，仅考虑基本量化噪声。低通滤波前，基本量化低通滤波前，基本量化噪声噪声e(t)为均匀分布：为均匀分布：则则e(t)的平均功率为：的平均功率为：假设此功率均匀分布在假设此功率均匀分布在0fs 间，则其功率谱密度为：间，则其功率谱密度为：故通过截止频率为故通过截止频率为fL的低通滤波器之后，量化
10、噪声功率为的低通滤波器之后，量化噪声功率为 由上式看出，它只和量化台阶由上式看出，它只和量化台阶 与与(fL/fs)有关，和输入有关，和输入信号大小无关。信号大小无关。38l量化信噪比量化信噪比求信号功率：设输入信号为：求信号功率：设输入信号为：则其斜率为：则其斜率为：斜率最大值等于斜率最大值等于A 0为了保证不发生过载，要求为了保证不发生过载，要求：保证不过载的临界振幅保证不过载的临界振幅Amax应该等于：应该等于：由上式得最大信号功率由上式得最大信号功率：求出量化信噪比：求出量化信噪比：上式表明，最大量化信噪比上式表明，最大量化信噪比和和 fs3成正比成正比，而和，而和f02成反比。成反比。所以，提高抽样频所以，提高抽样频率率 fs 将能显著增大量化信噪比。将能显著增大量化信噪比。394.7 小结小结40