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1、第2章数据米集技术基础现实生活中，多数信号都是模拟信号，但数字信号更适合计算机处理。因此，在运用数字信号处理技术之前，我们必须解决信号的采集以及模拟信号的数字化两方面的问题。2.1简单的DSP系统数字信号处理实质上是数字信号的变换。可计数的信号(如一年内的雨天)可直接用数字信号表示。通过人们感官感觉到的所有信号都是模拟信号(如语音、音乐、图像等)，这些模拟信号在进行处理之前都必须转换为数字信号。一旦找到非常接近模拟信号的数字信 号，就可进行数字信号处理 ，比如，可以滤除语音中的高频噪声、加重音乐中的低频、突出 图像的边缘等。但由于数字信号不能在现实世界中存在，所以处理过的数字信号在处理结束时,
2、还必须在转换成模拟信号。其过程如图所示.2.2采样技术一、采样过程1.采样的定义如图所示，将模拟信号X(t)通过一个采样周期为 Ts,采样时间为T (其中T 520,nI xjn)l|1/T(1) 理想采样信号的频谱是周期为Qs的频率周期函数，其幅度则受1/T= Q s/2 n加权；(2) 理想采样信号的频谱以采样 (角)频率Q s=2n /T为时间间隔重复，即产生周期延拓, 且每一个延拓的谱分量都和原频谱分量相同。因此，对于频谱限定在0WQWQ m的限带信号x (t),如果其最高频率Q m不超过Q s/2, 则原信号的频谱和各次延拓分量的谱彼此不重叠，此时若采用一个截止频率为Qs/2的理想低
3、通滤波器，就可以得到不失真的原信号频谱，即可以不失真地还原出原来的连续信号；反 之,如果信号的最高频率Q m超过Q s/2,则各周期延拓分量产生频谱的混叠现象一般在实际工作中，为了避免频谱混叠现象发生，采样频率Qs总是选得比奈奎斯特频率Q m更大些，例如选到Q s= ( 34) Q m；同时为了避免高于折叠频率的杂散频谱进入采样器 而造成频谱混淆，往往在采样器前加入一个保护性的前置低通滤波器(又称防混叠滤波器),其截止频率为Q S/2,以便滤除掉高于Q s/2的频率分量.注意:关于“采样信号的恢复”的内容参见附录1o三、采样方式一般，工程上有两种基本的数字化采样方式：1. 实时采样所谓“实时采
4、样”，就是从信号波形的第一点就开始采集、数字化(包括量化和编码),并存储起来，然后经过一定的采样间隔，再采集第二点，直至整个信号波形的最后一点。这种采样方式的优点在于：O, 1可适用于任何信号波形(重复的、不重复的、单次的、连续的)；错误!所有采样点都是以时间为顺序，便于实时处理；其缺点在于：由于在较短的采样时间间隔内，必须完成每个采样点的采集、量化、编码、存 储工作，因而这种采样方式的时间分辨率较差。2. 等效时间采样“等效时间采样”的应用前提：要求采样的信号波形能重复产生。这种采样方式中，采集的样本可以是时序的（步进、步退、差频式），也可以是随机的，最后再将采集到的众多的样本合成一个采样密
5、度较高的波形。因此，这种采样方式的优点在于：可实现很高的数字化转换率。2。3量化一、量化的定义由前面的讨论可知，采样信号在时间上是离散的，但其幅值在采样间隔内仍是连续的。为了能使用计算机处理信号，必须将采样信号的幅值用二进制编码表示，但由于二进制编码的位数有限，只能表达有限个信号电平，因此，在编码之前，应先对采样信号进行“量化”其中，量化后的信号称为量化信所谓量化，就是把采样信号的幅值与某个最小数量单位的一系列整倍数比较，以最接近 于采样信号幅值的最小数量单位倍数来代替该幅值的过程。号.二、量化电平量化过程中，最小数量单位称为量化电平q,其定义为VFS2N式中，Vfs为量化器的满量程电压,N为
6、量化器的位数。例如，当Vfs=10V,N=12时，则量化电平 q=2.44mV。三、量化误差由量化所引起的误差称为量化误差e，即e = xs （ nTs） - xq（nTs）式中,xs （nTs）为采样信号，xq（nTs）为量化信号。量化误差的大小与所采用的量化方法有关。一般，量化方法包括两种：1.“只舍不入”的量化为了对采样信号的幅值进行量化，通常将信号的幅值轴分为间隔相等的若干层，其间隔就等于量化电平q。在“只舍不入”的量化过程中，凡信号幅值小于量化电平的部分都舍去（如图所示，P14图）.其最大量化误差为emax = q2. “有舍有入”的量化在“有舍有入”的量化过程中，凡信号幅值小于q/
7、2的部分舍去；大于或等于q/2的部分计入（如图所示，P15图1。2.2）。其最大量化误差为I emax| = q/20:-nST1rrJ I4IKEdi2i込an3?7CfrJa_frfr*M 号亠二二T ALrsnl2。4编码所谓编码，是指将量化信号的数值用二进制代码来表示的过程。量化信号经编码后即 可转换为数字信号。工程上一般是采用模/数（A/D）转换器来完成信号的量化和编码工作的。信号编码的形式有多种，最常用的是二进制编码。这种编码方式按A/D转换器的工作方式又可分为两类（这里，仅介绍最简单的情况）：1. A/D单极性直接二进制编码这种编码中，A/D转换器是在单极性方式下工作的，并满足以
8、下公式：N aVoutVfs-nn 12式中,Vfs A/D转换器的满量程工作电压；an - N位二进制码的每一位数值，即0或1;Vout-对应于aN, aN i,，a2, ai的A/D转换器输出电压.V outan2nVmax（正）1Vfs 12N对于有限的二进制码位数N,其最大输出电压 Vmax为Vmx（负）Vfs例如，对于工作电压为一10+10V （Vfs =叫）.的12位（N=12 ）.偏移二进制转换器，有Vmax（正）=111 111 111 111 =（ 9.9951）10（V）Vmin （负）=000 000 000 000 =（-10。0000）10 （V）2.5孔径时间在A/
9、D转换器完成信号的采样、量化以及编码工作的转换时间Tconv内，如果输入的模拟信号仍在变化，则此时进行量化必然会产生一定的误差。J1r ./冋土扎径时eZL F面我们以常用的正弦信号为例来估计这种误差，如图所示（P19 图 1。 4。1）。例如，如果对正弦信号 V=V Fssin2n ft进行采样，则在A/D转换器的转换时间Tconv内,dVdt t o2 fVFS信号电压的最大变化率为所以在转换时间Tconv内，可能出现的最大误差TconvdVdt2 fVFSTCONV若要在Tconv内输入模拟信号的变化不产生1位以上的量化误差，即要求误差A V应小于量化电平q=VFs/2N （ N为A/D转换器的分辨位数），因此,相应的最大正弦信号频率f 11 maxn 12Tconv为了改善转换时间 Tconv造成的影响，我们可在A/D转换器前加一个采样保持器（S/H ）,这相当于在A/D转换器的转换时间 Tconv内开一个窄“窗孔”，以便在此窗孔的开启瞬时内 对模拟
