04采样信号量化误差分析

实验四采样信号量化误差分析

一. 实验目的

1.通过本实验熟悉A/D、D/A变换中的量化误差。

2.了解A/D、D/A器件位数与量化误差的关系。

二. 实验原理

把连续时间信号转换为与其相对应的数字信号的过程称之为模—数（A/D）转换过程，反之则称为数—模（D/A）转换过程，它们是数字信号处理的必要程序．一般在进行A/D转换之前，需要将模拟信号经抗频混滤波器预处理，变成带限信号，防止采样时出现频率混迭现象,然后再经A/D转换成为数字信号，最后送入数字信号分析仪或数字计算机完成信号处理．如果需要，再由D/A转换器将数字信号转换成模拟信号，去驱动计算机外围执行元件或模拟式显示、记录仪等。

图1 信号A/D转换过程

把采样信号x（nT s）经过舍入或截尾的方法变为只有有限个有效数字的数，这一过程称为量化。若取信号x（t）可能出现的最大值A，令其分为D个间隔，则每个间隔长度为R=A/D，R称为量化增量或量化步长。当采样信号x（nT s）落在某一小间隔内，经过舍入或截尾方法而变为有限值时，则产生量化误差，如图2所示。

图2 信号的6等分量化过程

一般又把量化误差看成是模拟信号作数字处理时的可加噪声，故而又称之为舍入噪声或截尾噪声。量化增量D愈大，则量化误差愈大，量化增量大小，一般取决于计算机A/D卡的位数．例如，8位二进制为28=256，即量化电平R为所测信号最大电压幅值的1／256。

三. 实验内容

采用软件模拟的方法对数字信号进行量化处理,观察量化后信号波形的变化,将原始数字信号和量化后的数字信号转化为音频数据流或音频文件(WAV格式),通过计算机声卡和喇叭播放,感受量化后带来的舍入噪声的影响。

四. 实验仪器和设备

1. 计算机1台

2. DRVI快速可重组虚拟仪器平台1套

3. 打印机1台

五. 实验步骤

1.运行DRVI主程序，点击DRVI快捷工具条上的"联机注册"图标，选择其中的“DRVI

采集仪主卡检测”或“网络在线注册”进行软件注册。

2.在DRVI软件平台的地址信息栏中输入WEB版实验指导书的地址，如“http://服务器IP

地址/GccsLAB/index.htm”，在实验目录中选择“采样信号量化误差分析”实验，点击实验脚本，建立实验环境，如下图所示。观察信号量化误差的影响。

图3 采样信号的量化误差

下面是该实验的装配图和信号流图，图中的线上的数字为连接软件芯片的软件总线数据线号，**IC为使用的软件芯片。

图4 采样信号的量化误差实验装配图

六. 实验报告要求

1.简述实验目的和原理，根据实验要求整理该实验的原理设计图。

2.按实验步骤附上相应的信号波形曲线，说明不同A/D、D/A位数对采样后的数字信号精

度的影响，总结实验得出的主要结论。

3.拷贝实验系统运行界面，插入到Word格式的实验报告中，用Winzip压缩后通过Email

上交实验报告。

七. 趣味应用实验

1.将声卡作为双通道A/D卡，从Line in 口或Mic口输入，用DRVI中的声卡信号采集芯

片设计一个双通道信号采集器。

2.将声卡作为双通道D/A卡，从Line out口或Speaker口输出，用DRVI中的声卡信号输

出芯片设计一个信号发生器。

3.用DRVI声卡芯片采集声音信号，设计一个受声音信号幅度控制的声控路灯模拟实验系

统。拍手则报警灯亮，再拍手则报警灯灭。

图5 声卡信号采集应用实验

八. 思考题

1.常用的A/D转换器件的位数有那几种，当输入的模拟电压的变化范围为-5V~+5V之间

时，对于几种不同的位数，其分辨率和转换精度分别为多少？

2.实际测量中是否A/D转换器件的位数越高越好，如何合理的选择一个A/D转换器件？

九. 附录：声卡简介

声卡是多媒体电脑的主要部件之一，它包含记录和播放声音所需的硬件。声卡的种类很多，功能也不完全相同，但它们有一些共同的基本功能：能选择以单声道或双声道录音，并且能控制采样速率。声卡上有数模转换芯片(DAC)，用来把数字化的声音信号转换成模拟信号，同时还有模数转换芯片(ADC)，用来把模拟声音信号转换成数字信号。

声卡真正的质量取决于它的采样和回放能力。影响音质的两个因素是采样精度和采样频率。

采样精度决定了记录声音的动态范围，它以位(Bit)为单位，比如8位、16位。8位可以把声波分成256级，16位可以把同样的波分成65,536级的信号。位数越高，声音的保真度越高。采样频率指每秒钟采集信号的次数，声卡一般采用11K、22K和44KHz的采样频率，频率越高，失真越小。在录音时，文件大小与采样精度、采样频率和单双声道都是成正比的，如双声道是单声道的两倍，16位是8位的两倍，22K是11K的两倍。

图6 声卡结构示意图

※注意：由于声卡输入默认是外接的MIC或音频设备输出，对采样信号幅度有限制，应该控制在±1V之间，否则会损坏声卡，信号频率在20Hz~20kHz之间，否则测量的波形可能失真。