近期在信號與系統(tǒng)課程講完了“信號的采樣與恢復(fù)”的內(nèi)容。通常情況下對于信號的采樣都是沿著時間軸對信號的幅值進行采樣，獲得信號的離散時間點上的數(shù)據(jù)。
將隨時間連續(xù)變化的模擬信號的大小(振幅)，按一定的時間間隔采集樣值，這樣形成在時間上不連續(xù)的脈沖序列，這一操作稱為采樣。圖4-5是采樣過程示意圖。
圖4-5 采樣過程示意圖
關(guān)于音頻信號采樣要說明下列幾點。
(1)從圖4-5中可看出，在tA時刻，模擬信號在圖中的A點，此時的幅度是5，采樣的作用就是要在tA時刻測出信號幅度為5。同樣的道理，在tB時刻得到的采樣值是模擬量的7。每一個采樣點，都可以得到一個與該時刻信號振幅對應(yīng)的樣本，這一對應(yīng)的信號幅度值稱為本值或采樣值。通過采樣已經(jīng)將在時間上連續(xù)變化的模擬信號變成了一列的樣本值，注意這一樣本值還不屬于數(shù)字信號的范疇，因為它還不符合數(shù)字信號的定義。
(2)對一個模擬信號的采樣是不斷進行的，相鄰兩個采樣點的時間間隔是相同的。采樣點選取應(yīng)有一定的規(guī)律，每隔一段時間就進行一次采樣，單位時間對模擬信號的采樣次數(shù)稱為采樣頻率。
(3)采樣頻率的選擇要科學(xué)，香農(nóng)采樣定理可以解決這一問題。該定理說，如果將隨時間變化的信號波形用該信號所含最高頻率信號的2倍的頻率進行采樣，就可以通過稱為插補的方法，正確地將原采樣值還原成原來的信號波形。
重要提示
在音頻系統(tǒng)的兩頭是模擬電路(或稱為模擬器件)，對模擬信號的數(shù)字化處理只是為了傳輸、記錄和信號處理的方便，最終數(shù)字信號必須還原成模擬信號，所以對模擬信號的數(shù)字化處理必須考慮數(shù)字化的信號還要還原這一點。香農(nóng)采樣定理從采樣頻率這一角度上講述了還原成模擬信號對采樣頻率的要求。
(4)所謂插補又稱為內(nèi)插，它是采樣的反過程，就是將一列樣本值之間的空隙補上，使之恢復(fù)原來的波形特征。
音頻信號采樣保持電路采樣保持電路用于對模擬信號采集樣本值，圖4-6所示是音頻信號采樣保持原理電路圖。電路中，輸入信號Ui是模擬信號，其輸出信號是一種階梯信號，注意它還不是數(shù)字信號，只有對這種階梯信號進行量化處理后其才能成為數(shù)字信號。
圖4-6 音頻信號采樣保持電路
從圖4-6中可看出，采樣保持電路主要由輸入緩沖放大器電路、模擬開關(guān)電路、采樣保持電容和輸出緩沖放大器電路組成。
(1)輸入緩沖放大器。這一放大器用來將輸入信號源與采樣保持電路之間進行隔離，以防止輸入信號源電路對采樣保持電路正常工作的影響。
輸入緩沖放大器的輸出信號加到模擬開關(guān)的輸入端。
(2)模擬開關(guān)。所謂模擬開關(guān)就是采樣開關(guān)，在開關(guān)接通這一時刻將輸入信號加到采樣保持電容上，由于采樣開關(guān)的速度很快，即接通后立即斷開，這樣在開關(guān)接通時刻的輸入信號幅度的大小就是該時刻電容C1上充電電壓的大小，這就是該時刻對輸入模擬信號的采樣值。
重要提示
采樣開關(guān)受一個專門的脈沖開關(guān)控制信號的控制，在開關(guān)脈沖出現(xiàn)時模擬開關(guān)接通，在開關(guān)脈沖消失時模擬開關(guān)斷開，該開關(guān)斷開后等待下一次的脈沖開關(guān)信號的出現(xiàn)，然后進行第二次采樣。
模擬開關(guān)每秒鐘接通的次數(shù)就是采樣頻率，接通的時間就是采樣時間。如音樂信號采樣頻率為44.1 kHz，采樣時間一般小于25 μs。
(3)保持電路。保持電路由采樣保持電容和輸出緩沖放大器構(gòu)成。為便于量化處理，將模擬開關(guān)采集到的樣本電平值送到采樣保持電容，通過采樣保持電容保持采樣得到的電平值，這一電平經(jīng)輸出緩沖放大器放大后輸出。
當(dāng)下一個采樣值送到采樣保持電容上，采樣保持電容和輸出緩沖放大器又保持和輸出最新的采樣電平值。
采樣保持電路的輸出信號波形如圖4-7所示。
從圖4-7中可看出，模擬信號經(jīng)過采樣保持電路處理后變成了一種階梯信號，該階梯信號在時間軸上仍然是連續(xù)的，所以它還是一種模擬信號而不是數(shù)字信號，這一階梯信號要經(jīng)過量化、編碼處理后才能變成數(shù)字信號。
圖4-7 采樣保持電路的輸出信號波形
負(fù)半周信號的采樣和保持上面介紹了正半周信號的采樣和保持過程，對于負(fù)半周信號的采樣和保持工作過程同正半周一樣，圖4-8所示可以說明這一點。圖4-8中，Ui為一個具有正、負(fù)半周的輸入模擬信號，Uo是經(jīng)過采樣保持電路后的輸出信號， fs是采樣脈沖。從圖4-8中可看出，負(fù)半周信號經(jīng)過采樣保持電路后輸出的是負(fù)階梯信號。
圖4-8 負(fù)半周信號的采樣保持示意圖
重要提示
采樣保持電路輸出的正、負(fù)半周階梯信號從幅值上講采樣過程是相同的，但在后面的量化、編碼時，要將正、負(fù)半周信號區(qū)分出來，即會出現(xiàn)表示負(fù)數(shù)的二進制編碼方法。
采樣頻率、采樣時間和保持時間(1)采樣頻率。采樣頻率是指模擬開關(guān)的工作頻率，即該開關(guān)單位時間內(nèi)(每秒鐘)開、關(guān)動作的次數(shù)。見采樣脈沖fs的波形，采樣信號是一個矩形脈沖信號，它等幅、等寬，在時間軸上均勻分布。
重要提示
從采樣保持電路輸出的信號波形就能夠看出，采樣頻率愈高，采樣保持電路輸出信號的波形與原模擬信號愈相近，恢復(fù)原信號時的失真就愈小。
采樣頻率高將增大所需要記錄的信息量，對信號處理器件和電路提出了更高的要求，這必將增加成本。所以，對于各種模擬信號的采樣頻率有專門的標(biāo)準(zhǔn)，對采樣頻率等做出了科學(xué)的規(guī)定。
(2)采樣時間。采樣時間是指模擬開關(guān)的接通時間，也就是采樣脈沖的脈沖寬度。
(3)保持時間。相鄰兩個采樣時間的間隔就是保持時間。采樣時間和保持時間之和等于采樣周期，采樣周期的倒數(shù)就是采樣頻率。
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