數字信號檢視原始碼討論檢視歷史
| 數字信號 | |
|---|---|
數字信號，指自變量是離散的、因變量也是離散的信號，這種信號的自變量用整數表示，因變量用有限數字中的一個數字來表示。在計算機中，數字信號的大小常用有限位的二進制數表示，例如，字長為2位的二進制數可表示4種大小的數字信號，它們是00、01、10和11;若信號的變化範圍在-1~1，則這4個二進制數可表示4段數字範圍，即[-1, -0.5)、[-0.5, 0)、[0, 0.5)和[0.5, 1]。
由於數字信號是用兩種物理狀態來表示0和1的，故其抵抗材料本身干擾和環境干擾的能力都比模擬信號強很多;在現代技術的信號處理中，數字信號發揮的作用越來越大，幾乎複雜的信號處理都離不開數字信號;或者說，只要能把解決問題的方法用數學公式表示，就能用計算機來處理代表物理量的數字信號。
基本介紹
數字信號指自變量是離散的、因變量也是離散的信號，這種信號的自變量用整數表示，因變量用有限數字中的一個數字來表示。在計算機中，數字信號的大小常用有限位的二進制數表示，例如，字長為2位的二進制數可表示4種大小的數字信號，它們是00、01、10和11;若信號的變化範圍在-1~1，則這4個二進制數可表示4段數字範圍，即[-1, -0.5)、[-0.5, 0)、[0, 0.5)和[0.5, 1]。
由於數字信號是用兩種物理狀態來表示0和1的，故其抵抗材料本身干擾和環境干擾的能力都比模擬信號強很多;在現代技術的信號處理中，數字信號發揮的作用越來越大，幾乎複雜的信號處理都離不開數字信號;或者說，只要能把解決問題的方法用數學公式表示，就能用計算機來處理代表物理量的數字信號。
基本信息
簡介
在數字電路中，由於數字信號只有0、1兩個狀態，它的值是通過中央值來判斷的，在中央值以下規定為0，以上規定為1，所以即使混人了其他干擾信號，只要干擾信號的值不超過閾值範圍，就可以再現出原來的信號。即使因干擾信號的值超過閾值範圍而出現了誤碼，只要採用一定的編碼技術，也很容易將出錯的信號檢測出來並加以糾正因此，與模擬信號相比，數字信號在傳輸過程中具有更高的抗干擾能力，更遠的傳輸距離，且失真幅度小 。[1]
數字信號在傳輸過程中不僅具有較高的抗干擾性，還可以通過壓縮，占用較少的帶寬，實現在相同的帶寬內傳輸更多、更高音頻、視頻等數字信號的效果。此外，數字信號還可用半導體存儲器來存儲，並可直接用於計算機處理。若將電話、傳真、電視所處理的音頻、文本、視頻等數據及其他各種不同形式的信號都轉換成數字脈衝來傳輸，還有利於組成統一的通信網，實現今天rr界人士和電信工業者們極力推崇的綜合業務數字網絡(IS-DN).從而為人們提供全新的，更靈活、更方便的服務。正因為數字信號具有上述突出的優點，它正在迅速而且已經取得了十分廣泛的應用 。
從原始信號轉換到數字信號一般要經地抽樣、量化和編碼這樣三個過程。抽樣是指每隔一小段時間,取原始信號的一個值。間隔時間越短,單位時間內取的樣值也越多,這樣取出的一組樣值也就越接近原來的信號。抽樣以後要進行量化,正如我們常常把成績80~100分以上歸為優,60~79分歸為及格,60分以下歸為不及格一樣,量化就是把取出的各種各樣的樣值僅用我們指定的若干個值來表示。在上面的成績"量化"中,我們就是把0~100分僅用三個度"優"、"及格"、"不及格"來量化。最後就是編碼,把量化後的值分別編成僅由0和1這兩個數字組成的序列,由脈衝信號發生器生成相應的數字信號。這樣就可以用數字信號進行傳送了 。
數字信號的優點很多,首先是它抗干擾的能力特別強,它不但可以用於通訊技術,而且還可以用於信息處理技術,時髦的高保真音響、高清晰度電視、VCD、DVD激光機都採用了數字信號處理技術。其次,我們使用的電子計算機都是數字的,它們處理的信號本來就是數字信號。在通訊上使用了數字信號,就可以很方便地將計算機與通訊結合起來,將計算機處理信息的優勢用於通訊事業。如電話通訊中採用了程控數字交換機,用計算機來代替接線員的工作,不僅接線迅速準確,而且占地小、效率高,省去不少人工和設備,使電話通訊產生了一個質的飛躍。再次,數字信號便於存儲,現在流行的CD、MP3唱盤,VCD、DVD視盤及電腦光盤都是用數字信號來存儲的信息。此外,數字通信還可以兼容電話、電報、數據和圖像等多類信息的傳送,能在同一條線路上傳送電話、有線電視、多媒體等多種信息。數字信號還便於加密和糾錯,具有較強的保密性和可靠性 。
數字信號概述
數字信號指自變量是離散的、因變量也是離散的信號，這種信號的自變量用整數表示，因變量用有限數字中的一個數字來表示。在計算機中，數字信號的大小常用有限位的二進制數表示，例如，字長為2位的二進制數可表示4種大小的數字信號，它們是00、01、10和11;若信號的變化範圍在-1~1，則這4個二進制數可表示4段數字範圍，即[-1, -0.5)、[-0.5, 0)、[0, 0.5)和[0.5, 1] 。
數字信號與離散時間信號的區別在因變量。離散時間信號的自變量是離散的、因變量是連續的，其自變量用整數表示，因變量用於物理量大小相對應的數字表示。離散時間信號的大小用有限位二進制數表示後，就是數字信號。[2]
對於離散時間信號x(n)=sin(0.3n)，當自變量n=6時，因變量x(6)=sin(0.3×6)≈0.9738;若用2位二進制把它轉變為數字信號，根據[-1, -0.5)、[-0.5, 0)、[0, 0.5)和[0.5, 1]對應00、01、10和11，用二進制數11表示0.9738最合適。
在學習和研究數字信號理論時，用二進制數表示信號是很麻煩的;為了方便，這時人們一般把離散時間信號當作數字信號，而不考慮它們之間的區別。
由於數字信號是用兩種物理狀態來表示0和1的，故其抵抗材料本身干擾和環境干擾的能力都比模擬信號強很多;在現代技術的信號處理中，數字信號發揮的作用越來越大，幾乎複雜的信號處理都離不開數字信號;或者說，只要能把解決問題的方法用數學公式表示，就能用計算機來處理代表物理量的數字信號 。
數字信號特點:抗干擾能力強、無噪聲積累。
在模擬通信中，為了提高信噪比，需要在信號傳輸過程中及時對衰減的傳輸信號進行放大，信號在傳輸過程中不可避免地疊加上的噪聲也被同時放大。隨着傳輸距離的增加，噪聲累積越來越多，以致使傳輸質量嚴重惡化。
對於數字通信，由於數字信號的幅值為有限個離散值(通常取兩個幅值)，在傳輸過程中雖然也受到噪聲的干擾，但當信噪比惡化到一定程度時，即在適當的距離採用判決再生的方法，再生成沒有噪聲干擾的和原發送端一樣的數字信號，所以可實現長距離高質量的傳輸。
便於加密處理
信息傳輸的安全性和保密性越來越重要，數字通信的加密處理的比模擬通信容易得多，以話音信號為例，經過數字變換後的信號可用簡單的數字邏輯運算進行加密、解密處理。
便於存儲、處理和交換
數字通信的信號形式和計算機所用信號一致，都是二進制代碼，因此便於與計算機聯網，也便於用計算機對數字信號進行存儲、處理和交換，可使通信網的管理、維護實現自動化、智能化。
設備便於集成化、微型
數字通信採用時分多路復用，不需要體積較大的濾波器。設備中大部分電路是數字電路，可用大規模和超大規模集成電路實現，因此體積小、功耗低。
便於構成綜合數字網和綜合業務數字網
採用數字傳輸方式，可以通過程控數字交換設備進行數字交換，以實現傳輸和交換的綜合。另外，電話業務和各種非話業務都可以實現數字化，構成綜合業務數字網。
占用信道頻帶較寬
一路模擬電話的頻帶為4kHz帶寬，一路數字電話約占64kHz。隨着寬頻帶信道(光纜、數字微波)的大量利用(一對光纜可開通幾千路電話)以及數字信號處理技術的發展(可將一路數字電話的數碼率由64kb/s壓縮到32kb/s甚至更低的數碼率)，數字電話的帶寬問題已不是主要問題了。
以上介紹可知，數字通信具有很多優點，所以各國都在積極發展數字通信。我國數字通信得到迅速發展，正朝着高速化、智能化、寬帶化和綜合化方向邁進。
模擬信號
信號波形模擬隨着信息的變化而變化，模擬信號其特點是幅度連續(連續的含義是在某一取值範圍內可以取無限多個數值)。模擬信號，其信號波形在時間上也是連續的，因此它又是連續信號。模擬信號按一定的時間間隔T抽樣後的抽樣信號，由於其波形在時間上是離散的，但此信號的幅度仍然是連續的，所以仍然是模擬信號。電話、傳真、電視信號都是模擬信號。
信號抽樣後時間離散，但輻值不離散。常見的抽樣信號是周期矩形脈衝和周期衝激脈衝抽樣。模擬信號在整個時間軸上都是有定義的，在"沒有幅值"的區域的意義是幅值為零。而離散時間信號只在離散時刻上才有定義，其他地方沒有定義，和幅值為零是不同概念，這兩種信號在時間軸看上去很相似，其實是以不同類型的系統為基礎的兩種有本質區別的信號。直觀的說，離散時間信號的橫軸可以認為已經不代表時間了。
數字信號
數字信號其特點是幅值被限制在有限個數值之內，它不是連續的而是離散的。二進碼，每一個碼元只取兩個幅值(0，A):四進碼，每個碼元取四(3、1、-1、-3)中的一個。這種幅度是離散的信號稱數字信號。
數字化
信號的數字化需要三個步驟:抽樣、量化和編碼。抽樣是指用每隔一定時間的信號樣值序列來代替原來在時間上連續的信號，也就是在時間上將模擬信號離散化。量化是用有限個幅度值近似原來連續變化的幅度值，把模擬信號的連續幅度變為有限數量的有一定間隔的離散值。編碼則是按照一定的規律，把量化後的值用二進制數字表示，然後轉換成二值或多值的數字信號流。這樣得到的數字信號可以通過電纜、微波幹線、衛星通道等數字線路傳輸。在接收端則與上述模擬信號數字化過程相反，再經過後置濾波又恢復成原來的模擬信號。上述數字化的過程又稱為脈衝編碼調製。
抽樣
話音信號是模擬信號，它不僅在幅度取值上是連續的，而且在時間上也是連續的。要使話音信號數字化並實現時分多路復用，首先要在時間上對話音信號進行離散化處理，這一過程叫抽樣。所謂抽樣就是每隔一定的時間間隔T，抽取話音信號的一個瞬時幅度值(抽樣值)，抽樣後所得出的一系列在時間上離散的抽樣值稱為樣值序列。抽樣後的樣值序列在時間上是離散的，可進行時分多路復用，也可將各個抽樣值經過量化、編碼變換成二進制數字信號。理論和實踐證明，只要抽樣脈衝的間隔T≤1/(2fm)(或f≥2fm)(fm是話音信號的最高頻率)，則抽樣後的樣值序列可不失真地還原成原來的話音信號。
例如，一路電話信號的頻帶為300~3400Hz，fm=3400Hz，則抽樣頻率fs≥2×3400=6800Hz。如按6800Hz的抽樣頻率對300~3400Hz的電話信號抽樣，則抽樣後的樣值序列可不失真地還原成原來的話音信號，話音信號的抽樣頻率通常取8000Hz。對於PAL制電視信號。視頻帶寬為6MHz，按照CCIR601建議，亮度信號的抽樣頻率為13.5MHz，色度信號為6.75MHz。
量化
抽樣把模擬信號變成了時間上離散的脈衝信號，但脈衝的幅度仍然是模擬的，還必須進行離散化處理，才能最終用數碼來表示。這就要對幅值進行舍零取整的處理，這個過程稱為量化。量化有兩種方式，量化方式中，取整時只舍不入，即0~1伏間的所有輸入電壓都輸出0伏，1~2伏間所有輸入電壓都輸出1伏等。採用這種量化方式，輸入電壓總是大於輸出電壓，因此產生的量化誤差總是正的，最大量化誤差等於兩個相鄰量化級的間隔Δ。量化方式在取整時有舍有入，即0~0.5伏間的輸入電壓都輸出0伏，0.5~1?5伏間的輸出電壓都輸出1伏等等。採用這種量化方式量化誤差有正有負，量化誤差的絕對值最大為Δ/2。因此，採用有舍有入法進行量化，誤差較小。
實際信號可以看成量化輸出信號與量化誤差之和，因此只用量化輸出信號來代替原信號就會有失真。一般說來，可以把量化誤差的幅度概率分布看成在-Δ/2~+Δ/2之間的均勻分布。可以證明，量化失真功率?，即與最小量化間隔的平方成正比。最小量化間隔越小，失真就越小。最小量化間隔越小，用來表示一定幅度的模擬信號時所需要的量化級數就越多，因此處理和傳輸就越複雜。所以，量化既要儘量減少量化級數，又要使量化失真看不出來。一般都用一個二進制數來表示某一量化級數，經過傳輸在接收端再按照這個二進制數來恢復原信號的幅值。所謂量化比特數是指要區分所有量化級所需幾位二進制數。例如，有8個量化級，那麼可用三位二進制數來區分，因為，稱8個量化級的量化為3比特量化。8比特量化則是指共有個量化級的量化。
量化誤差與噪聲是有本質的區別的。因為任一時刻的量化誤差是可以從輸入信號求出，而噪聲與信號之間就沒有這種關係。可以證明，量化誤差是高階非線性失真的產物。但量化失真在信號中的表現類似於噪聲，也有很寬的頻譜，所以也被稱為量化噪聲並用信噪比來衡量。
上面所述的採用均勻間隔量化級進行量化的方法稱為均勻量化或線性量化，這種量化方式會造成大信號時信噪比有餘而小信號時信噪比不足的缺點。如果使小信號時量化級間寬度小些，而大信號時量化級間寬度大些，就可以使小信號時和大信號時的信噪比趨於一致。這種非均勻量化級的安排稱為非均勻量化或非線性量化。數字電視信號大多採用非均勻量化方式，這是由於模擬視頻信號要經過校正，而校正類似於非線性量化特性，可減輕小信號時誤差的影響。
對於音頻信號的非均勻量化也是採用壓縮、擴張的方法，即在發送端對輸入的信號進行壓縮處理再均勻量化，在接收端再進行相應的擴張處理。
國際上普遍採用容易實現的A律13折線壓擴特性和μ律15折線的壓擴特性。我國規定採用A律13折線壓擴特性。
採用13折線壓擴特性後小信號時量化信噪比的改善量可達24dB，而這是靠犧牲大信號量化信噪比(虧損12dB)換來的。
抽樣、量化後的信號還不是數字信號，需要把它轉換成數字編碼脈衝，這一過程稱為編碼。最簡單的編碼方式是二進制編碼。具體說來，就是用n比特二進制碼來表示已經量化了的樣值，每個二進制數對應一個量化值，然後把它們排列，得到由二值脈衝組成的數字信息流。編碼過程在接收端，可以按所收到的信息重新組成原來的樣值，再經過低通濾波器恢復原信號。用這樣方式組成的脈衝串的頻率等於抽樣頻率與量化比特數的積，稱為所傳輸數字信號的數碼率。顯然，抽樣頻率越高，量化比特數越大，數碼率就越高，所需要的傳輸帶寬就越寬
除了上述的自然二進制碼，還有其他形式的二進制碼，如格雷碼和摺疊二進制碼等，表2-1示出了這三種二進制碼。這三種碼各有優缺點:(1)自然二進制碼和二進制數一一對應，簡單易行，它是權重碼，每一位都有確定的大小，從最高位到最低位依次為，可以直接進行大小比較和算術運算。自然二進制碼可以直接由數/模轉換器轉換成模擬信號，但在某些情況，例如從十進制的3轉換為4時二進制碼的每一位都要變，使數字電路產生很大的尖峰電流脈衝。(2)格雷碼則沒有這一缺點，它在相鄰電平間轉換時，只有一位生變化，格雷碼不是權重碼，每一位碼沒有確定的大小，不能直接進行比較大小和算術運算，也不能直接轉換成模擬信號，要經過一次碼變換，變成自然二進制碼。(3)摺疊二進制碼沿中心電平上下對稱，適於表示正負對稱的雙極性信號。它的最高位用來區分信號幅值的正負。摺疊碼的抗誤碼能力強。
表2-1各種二進制碼量化電平
量化電平自然二進制碼格雷碼摺疊二進制碼
0000000011
1001001010
2010011001
3011010000
4100110100
5101111101
6110101110
7111100111
在通信理論中，編碼分為信源編碼和信道編碼兩大類。所謂信源編碼是指將信號源中多餘的信息除去，形成一個適合用來傳輸的信號。為了抑制信道噪聲對信號的干擾，往往還需要對信號進行再編碼，編成在接收端不易為干擾所弄錯的形式，這稱為信道編碼。為了對付干擾，必須花費更多的時間，傳送一些多餘的重複信號，從而占用了更多頻帶，這是通信理論中的一條基本原理。
複合分量
定義
視頻信號有兩種編碼方式，即複合編碼和分量編碼。複合編碼是將複合彩色信號直接編碼成PCM形式。複合彩色信號是指彩色全電視信號，它包含有亮度信號和以不同方式編碼的色度信號。分量編碼是將三基色信號R、G、B分量或亮度和色差信號Y、(B-Y)、(R-Y)分別編碼成PCM形式。
複合編碼的優點是碼率低些，設備較簡單，適用於在模擬系統中插入單個數字設備的情況。它的缺點是由於數字電視的抽樣頻率必須與彩色副載頻保持一定的關係，而各種制式的副載頻各不相同，難以統一。採用複合編碼時由抽樣頻率和副載頻間的差拍造成的干擾將影響圖像的質量。
分量編碼的優點是編碼與制式無關，只要抽樣頻率與行頻有一定的關係，便於制式轉換和統一，而且由於Y、(R-Y)、(B-Y)分別編碼，可採用時分復用方式，避免亮色互串，可獲得高質量的圖像。在分量編碼中，亮度信號用較高的碼率傳送，兩個色差信號的碼率可低一些，但總的碼率比較高，設備價格相應較貴。
數字視頻信號的抽樣頻率和格式 現行的掃描制式主要有625行/50場和525行/60場兩種，它們的行頻分別為15625赫和15734.265赫。
ITU-R建議的分量編碼標準的亮度抽樣頻率為13.5兆赫，這恰好是上述兩種行頻的整數倍，對於625行/50場，每行的抽樣點數為864個，對於525行/60場，每行的抽樣點數為858個，按照國際現行電視制式，亮度信號最大帶寬是6兆赫。根據奈奎斯特抽樣定理，抽樣頻率至少要大於2×6=12兆赫，因此取13.5兆赫也是合適的。
由於色差信號的帶寬比亮度信號窄得多，所以在分量編碼時兩個色差信號的抽樣頻率可以低一些，同時也考慮到抽樣的樣點結構滿足正交結構的要求，ITU-R建議兩個色差信號的抽樣頻率均為亮度信號抽樣頻率的一半，即6.75兆赫，每行的樣值點數也是亮度信號樣值點數的一半，即分別為432個/行和429個/行。因此，對演播室數字電視設備進行分量編碼的標準是:亮度信號的抽樣頻率是13.5兆赫，兩個色差信號的抽樣頻率是6.75兆赫，其抽樣頻率之比為4:2:2，因此也稱為4:2:2格式。對於用於信號源信號處理的質量要求更高的設備，還可以採用4:4:4的抽樣關係。
數字通信
數字通信系統的主要性能指標
信道傳輸速率
信道的傳輸速率通常是以每秒所傳輸的信息量多少來衡量。信息論中定義信源發生信息量的度量單位是"比特"(bit)。一個二進制碼元所含的信息量是一個"比特"，所以信息傳輸速率的單位是比特/秒(bit/s)。例如一個數字通信系統，它每秒傳輸600個二進制碼元，它的信息傳輸速率是600比特/秒(600bit/s)。?
符號傳輸速率
它是指單位時間(秒)內傳輸的碼元數目，其單位為波特。這裡的碼元可以是二進制的，也可以是多進制的。符號傳輸速率M和信息傳輸速率R的關係為R=Nlog2M當碼元為二進制時M為2;碼元為四進制時M為4……如果符號速率為600波特，在二進制時，信息傳輸速率為600比特/秒，在四進制時為1200比特/秒。?
誤碼率 信碼在傳輸過程中，由於信道不理想以及噪聲的干擾，以致在接收端判決再生後的碼元可能出現錯誤，這叫誤碼。誤碼的多少用誤碼率來衡量，誤碼率是數字通信系統中單位時間內錯誤碼元數與發送總碼元數之比。誤碼越多，誤碼率越大。
傳輸速率帶寬
數字信號的傳輸要求與模擬信號的要求不同，模擬信號的傳輸要求接收端無波形失真，而數字信號的傳輸是要求接收端無差錯地恢復成原來的二進數碼(可以允許接收波形失真，只要不影響正確恢覆信碼即可)。
由於數字信號的頻帶非常寬(從直流一直到無限高的頻率)，但其主要能量則集中在低頻段，而電纜傳輸信道是只允許比較低的頻率成分通過的低通信道。當一系列數字脈衝信號通過帶限的電纜信由於高頻成分被濾去，使輸出波形出現了失真。
這種波形頂部變圓，底部展寬。一個碼元的波形展寬到其他碼元位置，影響到其他碼元，這種影響稱碼間干擾。由于波形的拖尾很長，碼間干擾將影響到數個碼元。波形的拖尾可以是正的也可能是負的。如果所有的拖尾相加後是正值，而且達到門限判決電平就可能將"0"誤判為"1"碼;反之，如果所有的拖尾相加後在某個碼元位置的值是負的，就可能將"1"碼誤判為"0"碼。為了減少碼間干擾，數字信號傳輸的基本理論--奈奎斯特第一準則規定帶限信道的理想低道截止頻率為fH時，最高的無碼間干擾傳輸的極限速度為2fH。例如，信道帶寬為2000Hz時，每秒最多可傳送4000個二進制碼元。一路數字電話速率為64kbit/s，則無碼間干擾的信道帶寬為32kHz。