模擬信號和數(shù)字信號講堂(12)，模擬信號和數(shù)字信號之模擬信號的數(shù)字傳輸

模擬信號和數(shù)字信號是通信世界常見信號，對于模擬信號和數(shù)字信號，電子專業(yè)的朋友均有所了解。為增進(jìn)大家對模擬信號和數(shù)字信號的了解，本文將對模擬信號和數(shù)字信號中的模擬信號、模擬信號和數(shù)字信號的區(qū)別、模擬信號的數(shù)字傳輸加以介紹。如果你對模擬信號和數(shù)字信號具有興趣，不妨繼續(xù)往下閱讀哦。

一、模擬信號

主要是與離散的數(shù)字信號相對的連續(xù)的信號。模擬信號分布于自然界的各個(gè)角落，如每天溫度的變化，而數(shù)字信號是人為的抽象出來的在時(shí)間上不連續(xù)的信號。電學(xué)上的模擬信號是主要是指幅度和相位都連續(xù)的電信號，此信號可以被模擬電路進(jìn)行各種運(yùn)算，如放大，相加，相乘等。

模擬信號是指用連續(xù)變化的物理量表示的信息，其信號的幅度，或頻率，或相位隨時(shí)間作連續(xù)變化，如目前廣播的聲音信號，或圖像信號等。

二、模擬信號和數(shù)字信號的區(qū)別

(1)模擬信號和數(shù)字信號

不同的數(shù)據(jù)必須轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的信號才能進(jìn)行傳輸：模擬數(shù)據(jù)一般采用模擬信號(Analog Signal)，例如用一系列連續(xù)變化的電磁波(如無線電與電視廣播中的電磁波)，或電壓信號(如電話傳輸中的音頻電壓信號)來表示;數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)則采用數(shù)字信號(Digital Signal)，例如用一系列斷續(xù)變化的電壓脈沖(如我們可用恒定的正電壓表示二進(jìn)制數(shù)1，用恒定的負(fù)電壓表示二進(jìn)制數(shù)0)，或光脈沖來表示。 當(dāng)模擬信號采用連續(xù)變化的電磁波來表示時(shí)，電磁波本身既是信號載體，同時(shí)作為傳輸介質(zhì);而當(dāng)模擬信號采用連續(xù)變化的信號電壓來表示時(shí)，它一般通過傳統(tǒng)的模擬信號傳輸線路(例如電話網(wǎng)、有線電視網(wǎng))來傳輸。 當(dāng)數(shù)字信號采用斷續(xù)變化的電壓或光脈沖來表示時(shí)，一般則需要用雙絞線、電纜或光纖介質(zhì)將通信雙方連接起來，才能將信號從一個(gè)節(jié)點(diǎn)傳到另一個(gè)節(jié)點(diǎn)。

(2)模擬信號和數(shù)字信號之間的相互轉(zhuǎn)換

模擬信號和數(shù)字信號之間可以相互轉(zhuǎn)換：模擬信號一般通過PCM脈碼調(diào)制(Pulse Code Modulation)方法量化為數(shù)字信號，即讓模擬信號的不同幅度分別對應(yīng)不同的二進(jìn)制值，例如采用8位編碼可將模擬信號量化為2^8=256個(gè)量級，實(shí)用中常采取24位或30位編碼;數(shù)字信號一般通過對載波進(jìn)行移相(Phase Shift)的方法轉(zhuǎn)換為模擬信號。 計(jì)算機(jī)、計(jì)算機(jī)局域網(wǎng)與城域網(wǎng)中均使用二進(jìn)制數(shù)字信號，目前在計(jì)算機(jī)廣域網(wǎng)中實(shí)際傳送的則既有二進(jìn)制數(shù)字信號，也有由數(shù)字信號轉(zhuǎn)換而得的模擬信號。但是更具應(yīng)用發(fā)展前景的是數(shù)字信號。

三、模擬信號的數(shù)字傳輸

上圖所示為一簡單增量調(diào)制的仿真實(shí)驗(yàn)原理圖。圖中的話音信號源采用了一個(gè)高斯噪聲源經(jīng)過3KHz低通濾波器后的輸出來模擬。調(diào)整圖中的圖符5的增益可以改變差值Δ的大小。在接收端，解調(diào)器未使用與本地解調(diào)器一致的電路，直接使用積分器解調(diào)輸出。如果希望輸出波形平滑，可在積分器和輸出放大器之間加入一個(gè)低通濾波器，以濾除信號中的高頻成分。所示是輸入的模擬話音信號波形。是增量調(diào)制后的輸出波形。為經(jīng)過積分器解調(diào)后的輸出波形。觀察可以比較輸入輸出波形之間的失真。

由理論分析可知，ΔM的量化信噪比與抽樣頻率成三次方關(guān)系，即抽樣頻率每提高一倍則量化信噪比提高9dB。通常ΔM的抽樣頻率至少16KHz以上才能使量化信噪比達(dá)到15dB以上。32KHz時(shí)，量化信噪比約為26dB左右，可以用于一般的通信質(zhì)量要求。如果設(shè)信道可用的最小信噪比為15dB，則信號的動態(tài)范圍僅有11dB，遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足高質(zhì)量通信要求的35-50dB的動態(tài)范圍，除非抽樣頻率提高到100KHz以上采用實(shí)用價(jià)值。上述理論分析的結(jié)論讀者可以通過改變仿真實(shí)驗(yàn)的信號抽樣頻率觀察到。當(dāng)抽樣頻率低于16KHz時(shí)，信號失真已十分明顯，當(dāng)抽樣頻率為128KHz時(shí)失真較小。

改進(jìn)ΔM動態(tài)范圍的方法有很多，其基本原理是采用自適應(yīng)方法使量階Δ的大小隨輸入信號的統(tǒng)計(jì)特性變化而跟蹤變化。如量階能隨信號瞬時(shí)壓擴(kuò)，則稱為瞬時(shí)壓擴(kuò)ΔM，記作ADM。若量階Δ隨音節(jié)時(shí)間問隔(5——20ms)中信號平均斜率變化，則稱為連續(xù)可變斜率增量調(diào)制，記作CVSD。由于這種方法中信號斜率是根據(jù)碼流中連“1”或連“0”的個(gè)數(shù)來檢測的，所以又稱為數(shù)字檢測、音節(jié)壓擴(kuò)的自適應(yīng)增量調(diào)制，簡稱數(shù)字壓擴(kuò)增量調(diào)制。

數(shù)字壓擴(kuò)增量調(diào)制與普通增量調(diào)制相比，其差別在于增加了連“1”連“0”數(shù)字檢測電路和音節(jié)平滑電路。由于CVSD的自適應(yīng)信息(即控制電壓)是從輸出碼流中提取的，所以接收端不需要發(fā)送端傳送專門的自適應(yīng)信息就能自適應(yīng)于原始信號，電路實(shí)現(xiàn)起來比較容易。對于數(shù)字壓擴(kuò)增量調(diào)制感興趣的讀者可以在上述仿真實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上加入連“1”連“0”數(shù)字檢測電路和音節(jié)平滑電路，重新仿真并觀察改善情況。

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