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数字信号

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  • 发布时间:2013/9/2 18:54:40
  • 作者:银河电气

一、数字信号概述

  数字信号指幅度的取值是离散的,幅值表示被限制在有限个数值之内。二进制码就是一种数字信号,它受噪声的影响较小,易于数字电路进行处理,所以得到广泛的应用。

  数字信号特点:

  抗干扰能力强、无噪声积累。在模拟通信中,为了提高信噪比,需要在信号传输过程中及时对衰减的传输信号进行放大,信号在传输过程中不可避免地叠加上的噪声也被同时放大。随着传输距离的增加,噪声累积越来越多,以致使传输质量严重恶化。对于数字通信,由于数字信号的幅值为有限个离散值(通常取两个幅值),在传输过程中虽然也受到噪声的干扰,但当信噪比恶化到一定程度时,即在适当的距离采用判决再生的方法,再生成没有噪声干扰的和原发送端一样的数字信号,所以可实现长距离高质量的传输。

  便于加密处理,信息传输的安全性和保密性越来越重要,数字通信的加密处理的比模拟通信容易得多,以话音信号为例,经过数字变换后的信号可用简单的数字逻辑运算进行加密、解密处理。

  便于存储、处理和交换,数字通信的信号形式和计算机所用信号一致,都是二进制代码,因此便于与计算机联网,也便于用计算机对数字信号进行存储、处理和交换,可使通信网的管理、维护实现自动化、智能化。

设备便于集成化、微型,数字通信采用时分多路复用,不需要体积较大的滤波器。设备中大部分电路是数字电路,可用大规模和超大规模集成电路实现,因此体积小、功耗低。

  便于构成综合数字网和综合业务数字网,采用数字传输方式,可以通过程控数字交换设备进行数字交换,以实现传输和交换的综合。另外,电话业务和各种非话业务都可以实现数字化,构成综合业务数字网。

  占用信道频带较宽,一路模拟电话的频带为4kHz带宽,一路数字电话约占64kHz,这是模拟通信目前仍有生命力的主要原因。随着宽频带信道(光缆、数字微波)的大量利用(一对光缆可开通几千路电话)以及数字信号处理技术的发展(可将一路数字电话的数码率由64kb/s压缩到32kb/s甚至更低的数码率),数字电话的带宽问题已不是主要问题了。

二、数字化

  信号的数字化需要三个步骤:抽样、量化和编码。抽样是指用每隔一定时间的信号样值序列来代替原来在时间上连续的信号,也就是在时间上将模拟信号离散化。量化是用有限个幅度值近似原来连续变化的幅度值,把模拟信号的连续幅度变为有限数量的有一定间隔的离散值。编码则是按照一定的规律,把量化后的值用二进制数字表示,然后转换成二值或多值的数字信号流。这样得到的数字信号可以通过电缆、微波干线、卫星通道等数字线路传输。在接收端则与上述模拟信号数字化过程相反,再经过后置滤波又恢复成原来的模拟信号。上述数字化的过程又称为脉冲编码调制。

抽样

  话音信号是模拟信号,它不仅在幅度取值上是连续的,而且在时间上也是连续的。要使话音信号数字化并实现时分多路复用,首先要在时间上对话音信号进行离散化处理,这一过程叫抽样。所谓抽样就是每隔一定的时间间隔T,抽取话音信号的一个瞬时幅度值(抽样值),抽样后所得出的一系列在时间上离散的抽样值称为样值序列。抽样后的样值序列在时间上是离散的,可进行时分多路复用,也可将各个抽样值经过量化、编码变换成二进制数字信号。理论和实践证明,只要抽样脉冲的间隔T≤1/(2fm)(或f≥2fm)(fm是话音信号的最高频率),则抽样后的样值序列可不失真地还原成原来的话音信号。

量化

  抽样把模拟信号变成了时间上离散的脉冲信号,但脉冲的幅度仍然是模拟的,还必须进行离散化处理,才能最终用数码来表示。这就要对幅值进行舍零取整的处理,这个过程称为量化。量化有两种方式,量化方式中,取整时只舍不入,即0~1伏间的所有输入电压都输出0伏,1~2伏间所有输入电压都输出1伏等。采用这种量化方式,输入电压总是大于输出电压,因此产生的量化误差总是正的,最大量化误差等于两个相邻量化级的间隔Δ。量化方式在取整时有舍有入,即0~0.5伏间的输入电压都输出0伏,0.5~1?5伏间的输出电压都输出1伏等等。采用这种量化方式量化误差有正有负,量化误差的绝对值最大为Δ/2。因此,采用有舍有入法进行量化,误差较小。

编码

  抽样、量化后的信号还不是数字信号,需要把它转换成数字编码脉冲,这一过程称为编码。最简单的编码方式是二进制编码。具体说来,就是用n比特二进制码来表示已经量化了的样值,每个二进制数对应一个量化值,然后把它们排列,得到由二值脉冲组成的数字信息流。编码过程在接收端,可以按所收到的信息重新组成原来的样值,再经过低通滤波器恢复原信号。用这样方式组成的脉冲串的频率等于抽样频率与量化比特数的积,称为所传输数字信号的数码率。显然,抽样频率越高,量化比特数越大,数码率就越高,所需要的传输带宽就越宽。

三、数字通信

信道传输速率  

  信道的传输速率通常是以每秒所传输的信息量多少来衡量。信息论中定义信源发生信息量的度量单位是“比特”(bit)。一个二进制码元所含的信息量是一个“比特”,所以信息传输速率的单位是比特/秒(bit/s)。

符号传输速率

  它是指单位时间(秒)内传输的码元数目,其单位为波特。这里的码元可以是二进制的,也可以是多进制的。

误码率

  信码在传输过程中,由于信道不理想以及噪声的干扰,以致在接收端判决再生后的码元可能出现错误,这叫误码。误码的多少用误码率来衡量,误码率是数字通信系统中单位时间内错误码元数与发送总码元数之比。误码越多,误码率越大。

传输速率和带宽

  数字信号的传输要求与模拟信号的要求不同,模拟信号的传输要求接收端无波形失真,而数字信号的传输是要求接收端无差错地恢复成原来的二进数码(可以允许接收波形失真,只要不影响正确恢复信码即可)。

  由于数字信号的频带非常宽(从直流一直到无限高的频率),但其主要能量则集中在低频段,而电缆传输信道是只允许比较低的频率成分通过的低通信道。当一系列数字脉冲信号通过带限的电缆信由于高频成分被滤去,使输出波形出现了失真。

  这种波形顶部变圆,底部展宽。一个码元的波形展宽到其他码元位置,影响到其他码元,这种影响称码间干扰。由于波形的拖尾很长,码间干扰将影响到数个码元。波形的拖尾可以是正的也可能是负的。如果所有的拖尾相加后是正值,而且达到门限判决电平就可能将“0”误判为“1”码;反之,如果所有的拖尾相加后  在某个码元位置的值是负的,就可能将“1”码误判为“0”码。为了减少码间干扰,数字信号传输的基本理论——奈奎斯特第一准则规定带限信道的理想低道截止频率为fH时,最高的无码间干扰传输的极限速度为2fH。例如,信道带宽为2000Hz时,每秒最多可传送4000个二进制码元。一路数字电话速率为64kbit/s,则无码间干扰的信道带宽为32kHz。

 

  作者:vfecc

  单位:湖南银河电气有限公司(www.vfe.cc


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