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

摘要：數(shù)字傳輸方式相對于模擬傳輸來說，有著與生俱來的優(yōu)勢，有必要將模擬信號進(jìn)行數(shù)字化處理。通過模擬信號數(shù)字傳輸的教學(xué)案例分析，驗證了無失真采樣的條件，讓學(xué)生熟悉數(shù)字傳輸?shù)墓ぷ髁鞒膛c信號的恢復(fù)。

關(guān)鍵詞：數(shù)字傳輸；采樣定理；仿真模擬

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

一、案例展示

由圖1可以看出模擬信號在時間和幅度上的連續(xù)出現(xiàn)，噪聲在傳輸過程中越積越多，傳輸距離越遠(yuǎn)失真越大，性能不好；而數(shù)字信號能通過中繼再生減小干擾，數(shù)字信號抗干擾能力強(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)勢非常明顯?，F(xiàn)實生活中通常的信號大都多是連續(xù)的模擬信號，模擬信號不適合遠(yuǎn)距離傳遞，也不適合高速的信號處理。因此有必要將其進(jìn)行數(shù)字化，即發(fā)送端通過ADC對信號進(jìn)行離散化，變成數(shù)字信號后進(jìn)行數(shù)字傳輸；在接收端對其進(jìn)行DAC后還原信號本來面目。但是問題來了：能保證信號在處理中不失真嗎？

二、相關(guān)理論

在學(xué)習(xí)現(xiàn)代通信技術(shù)這門課時，我們會接觸PCM這個名詞，PCM又叫脈沖編碼調(diào)制。經(jīng)過時間上的離散化（抽樣過程），幅度上的離散化（量化過程），數(shù)字序列的產(chǎn)生（編碼過程）這三個步驟，最終實現(xiàn)信號的數(shù)字化。抽樣又叫采樣，一般通過等間隔采樣實現(xiàn)信號在時間上的離散化。采樣的過程特別重要，因為采樣頻率選擇不合適，就會導(dǎo)致信息的丟失，信號的失真，信號的無法恢復(fù)。在采樣時，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，至少為原信號最高頻率的兩倍以上。也就是說只有采樣頻率足夠高，才能保證采樣不失真，信息不丟失，信號才能還原，受信者才能獲得原始的消息。量化過程就是把采樣值進(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現(xiàn)時，可以借助幅度的壓縮和幅度的擴(kuò)張來實現(xiàn)。編碼過程就是用一串二進(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，例如量化電平個數(shù)為L時，二進(jìn)制編碼位數(shù)為n，就必須滿足L小于等于2n。模擬信號經(jīng)過抽樣、量化、編碼就轉(zhuǎn)換成了數(shù)字信號，在具備了離散型的特點后就可以借助數(shù)字手段來傳輸和處理了。

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，采用SystemView仿真軟件。通過模塊化的系統(tǒng)搭建與連接，參數(shù)的設(shè)定與更改，時鐘的添加與運行，可視化的進(jìn)行系統(tǒng)分析。（二）模塊搭建。信號源的產(chǎn)生：產(chǎn)生一個隨機(jī)的帶限信號作為原始模擬信號。設(shè)計時可以采用高斯噪聲去模擬信號源，體現(xiàn)信號的隨機(jī)性。由于信號大多是頻帶受限的，因此讓產(chǎn)生的隨機(jī)信號通過一個低通濾波器，例如設(shè)置其截止頻率為10Hz，得到帶限信號。壓縮器的調(diào)用：在ADC之前加上壓縮操作，改變原來信號幅值間的比例。壓縮器與ADC一起構(gòu)成了非均勻量化操作，使得對于小信號的量化噪聲減小了。ADC的調(diào)用：在邏輯庫下的MixSignal中選出模數(shù)轉(zhuǎn)換器模塊，對壓縮的模擬信號進(jìn)行抽樣量化編碼，最終轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號。采樣時鐘的設(shè)置：采用周期性的脈沖信號作為采樣時鐘。因為要產(chǎn)生同步的脈沖信號，所以要控制脈沖信號的頻率，脈沖信號的頻率也就是采樣頻率。這是一個重要參數(shù)，直接影響了信號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)字信號重新還原為模擬信號。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個數(shù)據(jù)位分別與數(shù)模轉(zhuǎn)換器相對應(yīng)的8個數(shù)據(jù)位相連。擴(kuò)展器的設(shè)置：接收端需要一個和發(fā)送端的逆向操作器件還原信號。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)過壓縮的模擬信號，通過擴(kuò)展過程還原原模擬信號的幅值比例。仿真系統(tǒng)如下圖2所示。（三）觀測驗證。情形1、設(shè)置采樣時鐘頻率大于等于2倍原始帶限模擬信號最高頻率，觀察能否還原信號（對比記錄輸入輸出波形）？結(jié)果：能還原，輸出信號與輸入信號波形一致，如圖3所示。說明：改變滿足要求的頻率進(jìn)行多次驗證，并觀測記錄波形。情形2、設(shè)置采樣時鐘頻率小于2倍原始帶限模擬信號最高頻率，觀察能否還原信號（對比記錄輸入輸出波形）？結(jié)果：不能還原，輸出信號相對于輸入信號有明顯的失真，如圖4所示。說明：改變滿足要求的頻率進(jìn)行多次驗證，并觀測記錄波形。

四、總結(jié)

數(shù)字信號相對于模擬信號來說，有著很大的優(yōu)勢。數(shù)字信號抗干擾能力強(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數(shù)字化后傳輸或處理，來提高系統(tǒng)性能。因此有必要將其進(jìn)行數(shù)字化，即發(fā)送端通過ADC對信號進(jìn)行離散化，變成數(shù)字信號后進(jìn)行數(shù)字傳輸；在接收端對其進(jìn)行DAC后還原信號本來面目。但是在信號處理的過程中，若要保證信號不失真，采樣頻率必須滿足奈奎斯特定理，簡稱抽樣定理，即只要對模擬信號的抽樣頻率fs大于或等于信號最高頻率fH的2倍，即fs≥2fH，就能夠無不失真地恢復(fù)原來的模擬信號。

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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