第四讲 信号的数字化过程

第四讲信号的数字化过程

随着数字电子技术的飞速发展，特别是信息技术的发展与普及，数字电视、液晶屏、数字音频、网络视频等用数字电路处理模拟信号的应用越来越广泛。自然界中存在的声音、电压、电流、温度、时间、速度、压力以及利用摄像机摄制的反映客观世界的图像都是连续变化的模拟量，为让计算机等数字设备能够识别这些自然物理量并保证模拟设备和数字设备之间的有效通信，则需要在连续的模拟量和离散的数字量之间进行转换。本讲中，我们将要对模拟信号的数字化过程进行学习，了解模数转换和数模转换的原理和过程。AV系统中，前端信号源设备最初多以模拟电信号形式生成音视频信号，在之后对信号的处理、传输和接收过程中则可能要进过一次或多次模数转换或数模转换。信号的数字化实际上需要进过采样、保持、量化和编码四个过程，这样得到的数字信号可以通过电缆、微波干线、卫星通道等数字线路传输，并在接收端则与上述模拟信号数字化过程相反，再经过后置滤波又恢复成原来的模拟信号。信号的数字化过程又称为脉冲编码调制。

一、信号采样

采样是对模拟信号进行周期性抽取样值的过程，即把随时间连续变化的信号转换成在时间上断续、在幅度上等于采样时间内模拟信号大小的一串脉冲（数码信号），采样间隔时间T称为采样周期，单位是秒，采样频率f=1/T，定义了每秒从连续信号中提取并组成离散信号的采样个数，单位是赫兹（Hz）。为了保证

在采样之后数字信号能完整地保留原始信号中的信息，能不失真地恢复成原模拟信号，采样频率应不小于输入模拟信号频谱中最高频率的两倍。一般实际应用中采样频率为信号最高频率的5至10倍。显然，采样频率越高，采样输出的信号就越接近连续的模拟信号。

在数字音频领域，常用的采样率有：

8,000 Hz 电话所用采样率；

22,050 Hz 无线电广播所用采样率，称为广播音质；

44,100 Hz 音频 CD, 电脑声卡，也常用于 MPEG-1 音频（VCD,

SVCD, MP3）所用采样率；

48,000 Hz 数字电视、DVD、DAT、电影和专业音频所用的数字声音所用采样率；

96,000 或192,000 Hz DVD-Audio、HD-DVD （高清晰度DVD）。

采样频率越高，获得的声音文件质量越好，占用磁(光)盘的空间也就越大。一首CD音质的歌曲会占去45M左右的盘空间。

正弦波表示输入的模拟信号，黄色方格代表采样后得到的脉冲信号，二者越吻合说明采样结果越好

二、采样保持

由于A/D转换需要一定的时间，所以在每次采样结束后，应保持采样电压值在一段时间内不变，直到下一次采样开始，以便对模拟信号进行离散处理。这就要在采样后加上保持电路，一般来说，采样和保持通常做成一个电路。

三、量化

采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。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，一种是在取整时只舍不入，即0～1伏间的所有输入电压都输出0伏，1～2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；另外一种量化方式是在取整时有舍有入，即0～0.5伏间的输入电压都输出0伏，0.5～1.5伏间的输入电压都输出1伏，采用有舍有入法进行量化，误差较小。

四、编码

采样、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，得到由二进制脉冲组成的数字信号流，即用0和1的二进制码构成数字音视频文件。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。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。

将模拟信号转换成数字信号的电路，称为模数转换器（简称A/D转换器或ADC）；将数字信号转换为模拟信号的电路称为数模转换器（简称D/A转换器或DAC），A/D转换过程实际上是对连续模拟信号进行采样、保持、量化和编码的过程，通过采样把连续的信号变成离散的信号，再把离散的信号按二进制进行量化和编码。当前，A/D转换器和D/A 转换器已成为音视频系统中不可缺少的接口电路。