導(dǎo)語(yǔ)：模擬信號(hào)數(shù)字傳輸教學(xué)案例分析一文來(lái)源于網(wǎng)友上傳，不代表本站觀點(diǎn)，若需要原創(chuàng)文章可咨詢客服老師，歡迎參考。

摘要：數(shù)字傳輸方式相對(duì)于模擬傳輸來(lái)說(shuō)，有著與生俱來(lái)的優(yōu)勢(shì)，有必要將模擬信號(hào)進(jìn)行數(shù)字化處理。通過(guò)模擬信號(hào)數(shù)字傳輸的教學(xué)案例分析，驗(yàn)證了無(wú)失真采樣的條件，讓學(xué)生熟悉數(shù)字傳輸?shù)墓ぷ髁鞒膛c信號(hào)的恢復(fù)。

關(guān)鍵詞：數(shù)字傳輸；采樣定理；仿真模擬

信號(hào)廣泛存在于我們的生產(chǎn)生活中。它在時(shí)間上連續(xù)，在幅度上連續(xù)的特點(diǎn)，讓其無(wú)法直接運(yùn)用先進(jìn)的數(shù)字信號(hào)處理設(shè)備，無(wú)法有效的抗擊噪聲的干擾和影響，無(wú)法充分利用有限的信道和無(wú)線頻譜資源。因此將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號(hào)，采用數(shù)字傳輸提高信息傳輸性能，就顯得特別的重要。模擬信號(hào)在數(shù)字傳輸時(shí)會(huì)遇到什么問(wèn)題呢？我們來(lái)看一個(gè)案例。

一、案例展示

由圖1可以看出模擬信號(hào)在時(shí)間和幅度上的連續(xù)出現(xiàn)，噪聲在傳輸過(guò)程中越積越多，傳輸距離越遠(yuǎn)失真越大，性能不好；而數(shù)字信號(hào)能通過(guò)中繼再生減小干擾，數(shù)字信號(hào)抗干擾能力強(qiáng)，并且可以采用數(shù)字芯片高效高速處理，可以利用加密和編碼技術(shù)提高保密性和可靠性，數(shù)字傳輸?shù)膬?yōu)勢(shì)非常明顯?，F(xiàn)實(shí)生活中通常的信號(hào)大都多是連續(xù)的模擬信號(hào)，模擬信號(hào)不適合遠(yuǎn)距離傳遞，也不適合高速的信號(hào)處理。因此有必要將其進(jìn)行數(shù)字化，即發(fā)送端通過(guò)ADC對(duì)信號(hào)進(jìn)行離散化，變成數(shù)字信號(hào)后進(jìn)行數(shù)字傳輸；在接收端對(duì)其進(jìn)行DAC后還原信號(hào)本來(lái)面目。但是問(wèn)題來(lái)了：能保證信號(hào)在處理中不失真嗎？

二、相關(guān)理論

在學(xué)習(xí)現(xiàn)代通信技術(shù)這門課時(shí)，我們會(huì)接觸PCM這個(gè)名詞，PCM又叫脈沖編碼調(diào)制。經(jīng)過(guò)時(shí)間上的離散化（抽樣過(guò)程），幅度上的離散化（量化過(guò)程），數(shù)字序列的產(chǎn)生（編碼過(guò)程）這三個(gè)步驟，最終實(shí)現(xiàn)信號(hào)的數(shù)字化。抽樣又叫采樣，一般通過(guò)等間隔采樣實(shí)現(xiàn)信號(hào)在時(shí)間上的離散化。采樣的過(guò)程特別重要，因?yàn)椴蓸宇l率選擇不合適，就會(huì)導(dǎo)致信息的丟失，信號(hào)的失真，信號(hào)的無(wú)法恢復(fù)。在采樣時(shí)，理論上應(yīng)滿足抽樣定理，也就是采樣定理，要求抽樣頻率要足夠高，至少為原信號(hào)最高頻率的兩倍以上。也就是說(shuō)只有采樣頻率足夠高，才能保證采樣不失真，信息不丟失，信號(hào)才能還原，受信者才能獲得原始的消息。量化過(guò)程就是把采樣值進(jìn)行幅度上的離散化，常用的量化方式有兩種，均勻量化和非均勻量化。均勻量化也就是在幅度方向上對(duì)采集樣本進(jìn)行的等間隔量化分割。非均勻量化可按照A率或μ率進(jìn)行量化。非均勻量化在具體實(shí)現(xiàn)時(shí)，可以借助幅度的壓縮和幅度的擴(kuò)張來(lái)實(shí)現(xiàn)。編碼過(guò)程就是用一串二進(jìn)制序列表示量化后的數(shù)值。選擇二進(jìn)制的位數(shù)非常重要，例如量化電平個(gè)數(shù)為L(zhǎng)時(shí)，二進(jìn)制編碼位數(shù)為n，就必須滿足L小于等于2n。模擬信號(hào)經(jīng)過(guò)抽樣、量化、編碼就轉(zhuǎn)換成了數(shù)字信號(hào)，在具備了離散型的特點(diǎn)后就可以借助數(shù)字手段來(lái)傳輸和處理了。

三、案例分析

（一）操作環(huán)境。為了更好的進(jìn)行系統(tǒng)搭建和觀測(cè)，采用SystemView仿真軟件。通過(guò)模塊化的系統(tǒng)搭建與連接，參數(shù)的設(shè)定與更改，時(shí)鐘的添加與運(yùn)行，可視化的進(jìn)行系統(tǒng)分析。（二）模塊搭建。信號(hào)源的產(chǎn)生：產(chǎn)生一個(gè)隨機(jī)的帶限信號(hào)作為原始模擬信號(hào)。設(shè)計(jì)時(shí)可以采用高斯噪聲去模擬信號(hào)源，體現(xiàn)信號(hào)的隨機(jī)性。由于信號(hào)大多是頻帶受限的，因此讓產(chǎn)生的隨機(jī)信號(hào)通過(guò)一個(gè)低通濾波器，例如設(shè)置其截止頻率為10Hz，得到帶限信號(hào)。壓縮器的調(diào)用：在ADC之前加上壓縮操作，改變?cè)瓉?lái)信號(hào)幅值間的比例。壓縮器與ADC一起構(gòu)成了非均勻量化操作，使得對(duì)于小信號(hào)的量化噪聲減小了。ADC的調(diào)用：在邏輯庫(kù)下的MixSignal中選出模數(shù)轉(zhuǎn)換器模塊，對(duì)壓縮的模擬信號(hào)進(jìn)行抽樣量化編碼，最終轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)。采樣時(shí)鐘的設(shè)置：采用周期性的脈沖信號(hào)作為采樣時(shí)鐘。因?yàn)橐a(chǎn)生同步的脈沖信號(hào)，所以要控制脈沖信號(hào)的頻率，脈沖信號(hào)的頻率也就是采樣頻率。這是一個(gè)重要參數(shù)，直接影響了信號(hào)能夠被不失真的還原。DAC的調(diào)用：DAC也叫數(shù)模轉(zhuǎn)換器，將數(shù)字信號(hào)重新還原為模擬信號(hào)。它的參數(shù)設(shè)置要和ADC一致，例如轉(zhuǎn)換位數(shù)是8位，就需要將模數(shù)轉(zhuǎn)換器的8個(gè)數(shù)據(jù)位分別與數(shù)模轉(zhuǎn)換器相對(duì)應(yīng)的8個(gè)數(shù)據(jù)位相連。擴(kuò)展器的設(shè)置：接收端需要一個(gè)和發(fā)送端的逆向操作器件還原信號(hào)。DAC后添加擴(kuò)張器，參數(shù)的設(shè)置與壓縮器基本相同。接收從數(shù)模轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生的經(jīng)過(guò)壓縮的模擬信號(hào)，通過(guò)擴(kuò)展過(guò)程還原原模擬信號(hào)的幅值比例。仿真系統(tǒng)如下圖2所示。（三）觀測(cè)驗(yàn)證。情形1、設(shè)置采樣時(shí)鐘頻率大于等于2倍原始帶限模擬信號(hào)最高頻率，觀察能否還原信號(hào)（對(duì)比記錄輸入輸出波形）？結(jié)果：能還原，輸出信號(hào)與輸入信號(hào)波形一致，如圖3所示。說(shuō)明：改變滿足要求的頻率進(jìn)行多次驗(yàn)證，并觀測(cè)記錄波形。情形2、設(shè)置采樣時(shí)鐘頻率小于2倍原始帶限模擬信號(hào)最高頻率，觀察能否還原信號(hào)（對(duì)比記錄輸入輸出波形）？結(jié)果：不能還原，輸出信號(hào)相對(duì)于輸入信號(hào)有明顯的失真，如圖4所示。說(shuō)明：改變滿足要求的頻率進(jìn)行多次驗(yàn)證，并觀測(cè)記錄波形。

四、總結(jié)

數(shù)字信號(hào)相對(duì)于模擬信號(hào)來(lái)說(shuō)，有著很大的優(yōu)勢(shì)。數(shù)字信號(hào)抗干擾能力強(qiáng)，可以采用數(shù)字芯片高效高速處理，可以加密和編碼提高保密性和可靠性。往往需要將模擬信號(hào)數(shù)字化后傳輸或處理，來(lái)提高系統(tǒng)性能。因此有必要將其進(jìn)行數(shù)字化，即發(fā)送端通過(guò)ADC對(duì)信號(hào)進(jìn)行離散化，變成數(shù)字信號(hào)后進(jìn)行數(shù)字傳輸；在接收端對(duì)其進(jìn)行DAC后還原信號(hào)本來(lái)面目。但是在信號(hào)處理的過(guò)程中，若要保證信號(hào)不失真，采樣頻率必須滿足奈奎斯特定理，簡(jiǎn)稱抽樣定理，即只要對(duì)模擬信號(hào)的抽樣頻率fs大于或等于信號(hào)最高頻率fH的2倍，即fs≥2fH，就能夠無(wú)不失真地恢復(fù)原來(lái)的模擬信號(hào)。

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作者:管宇 單位:南京交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子信息工程學(xué)院