百科解釋
Digital Signal -- 數(shù)字信號(hào) 數(shù)字信號(hào)的概述 在時(shí)間上是離散的且對(duì)某一參量可取有限個(gè)值的信號(hào)。最常用的是具有高、低兩個(gè)電壓,只有兩個(gè)取值范圍的信號(hào),因此信號(hào)可由一個(gè)值直接跳變至另一個(gè)值,通常在0與1之間變換。它通常冠以特定數(shù)字率,以示區(qū)別,如140Mb/s數(shù)字信號(hào)等。它的每個(gè)信號(hào)單元都具有相等的持續(xù)時(shí)間,其時(shí)間寬度等于其數(shù)字率的倒數(shù)。 數(shù)字信號(hào)指幅度的取值是離散的,幅值表示被限制在有限個(gè)數(shù)值之內(nèi)。二進(jìn)制碼就是一種數(shù)字信號(hào)。二進(jìn)制碼受噪聲的影響小,易于有數(shù)字電路進(jìn)行處理,所以得到了廣泛的應(yīng)用。 數(shù)字信號(hào)的特點(diǎn) (1)抗干擾能力強(qiáng)、無(wú)噪聲積累。在模擬通信中,為了提高信噪比,需要在信號(hào)傳輸過(guò)程中及時(shí)對(duì)衰減的傳輸信號(hào)進(jìn)行放大,信號(hào)在傳輸過(guò)程中不可避免地疊加上的噪聲也被同時(shí)放大。隨著傳輸距離的增加,噪聲累積越來(lái)越多,以致使傳輸質(zhì)量嚴(yán)重惡化。 對(duì)于數(shù)字通信,由于數(shù)字信號(hào)的幅值為有限個(gè)離散值(通常取兩個(gè)幅值),在傳輸過(guò)程中雖然也受到噪聲的干擾,但當(dāng)信噪比惡化到一定程度時(shí),即在適當(dāng)?shù)木嚯x采用判決再生的方法,再生成沒(méi)有噪聲干擾的和原發(fā)送端一樣的數(shù)字信號(hào),所以可實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)距離高質(zhì)量的傳輸。 (2)便于加密處理。信息傳輸?shù)陌踩院捅C苄栽絹?lái)越重要,數(shù)字通信的加密處理的比模擬通信容易得多,以話音信號(hào)為例,經(jīng)過(guò)數(shù)字變換后的信號(hào)可用簡(jiǎn)單的數(shù)字邏輯運(yùn)算進(jìn)行加密、解密處理。 (3)便于存儲(chǔ)、處理和交換。數(shù)字通信的信號(hào)形式和計(jì)算機(jī)所用信號(hào)一致,都是二進(jìn)制代碼,因此便于與計(jì)算機(jī)聯(lián)網(wǎng),也便于用計(jì)算機(jī)對(duì)數(shù)字信號(hào)進(jìn)行存儲(chǔ)、處理和交換,可使通信網(wǎng)的管理、維護(hù)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化、智能化。 (4)設(shè)備便于集成化、微型化。數(shù)字通信采用時(shí)分多路復(fù)用,不需要體積較大的濾波器。設(shè)備中大部分電路是數(shù)字電路,可用大規(guī)模和超大規(guī)模集成電路實(shí)現(xiàn),因此體積小、功耗低。 (5)便于構(gòu)成綜合數(shù)字網(wǎng)和綜合業(yè)務(wù)數(shù)字網(wǎng)。采用數(shù)字傳輸方式,可以通過(guò)程控?cái)?shù)字交換設(shè)備進(jìn)行數(shù)字交換,以實(shí)現(xiàn)傳輸和交換的綜合。另外,電話業(yè)務(wù)和各種非話業(yè)務(wù)都可以實(shí)現(xiàn)數(shù)字化,構(gòu)成綜合業(yè)務(wù)數(shù)字網(wǎng)。 (6)占用信道頻帶較寬。一路模擬電話的頻帶為4kHz帶寬,一路數(shù)字電話約占64kHz,這是模擬通信目前仍有生命力的主要原因。隨著寬頻帶信道(光纜、數(shù)字微波)的大量利用(一對(duì)光纜可開(kāi)通幾千路電話)以及數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)的發(fā)展(可將一路數(shù)字電話的數(shù)碼率由64kb/s壓縮到32kb/s甚至更低的數(shù)碼率),數(shù)字電話的帶寬問(wèn)題已不是主要問(wèn)題了。 以上介紹可知,數(shù)字通信具有很多優(yōu)點(diǎn),所以各國(guó)都在積極發(fā)展數(shù)字通信。近年來(lái),我國(guó)數(shù)字通信得到迅速發(fā)展,正朝著高速化、智能化、寬帶化和綜合化方向邁進(jìn)。 數(shù)字信號(hào)的產(chǎn)生 (1)模擬信號(hào) 信號(hào)波形模擬著信息的變化而變化,模擬信號(hào)其特點(diǎn)是幅度連續(xù)(連續(xù)的含義是在某一取值范圍內(nèi)可以取無(wú)限多個(gè)數(shù)值)。模擬信號(hào),其信號(hào)波形在時(shí)間上也是連續(xù)的,因此它又是連續(xù)信號(hào)。模擬信號(hào)按一定的時(shí)間間隔T抽樣后的抽樣信號(hào),由于其波形在時(shí)間上是離散的,它又叫離散信號(hào)。但此信號(hào)的幅度仍然是連續(xù)的,所以仍然是模擬信號(hào)。電話、傳真、電視信號(hào)都是模擬信號(hào)。 (2)數(shù)字信號(hào) 數(shù)字信號(hào)其特點(diǎn)是幅值被限制在有限個(gè)數(shù)值之內(nèi),它不是連續(xù)的而是離散的。二進(jìn)碼,每一個(gè)碼元只取兩個(gè)幅值(0,A):四進(jìn)碼,每個(gè)碼元取四(3、1、-1、-3)中的一個(gè)。這種幅度是離散的信號(hào)稱數(shù)字信號(hào)。 信號(hào)數(shù)字化過(guò)程 信號(hào)的數(shù)字化需要三個(gè)步驟:抽樣、量化和編碼。抽樣是指用每隔一定時(shí)間的信號(hào)樣值序列來(lái)代替原來(lái)在時(shí)間上連續(xù)的信號(hào),也就是在時(shí)間上將模擬信號(hào)離散化。量化是用有限個(gè)幅度值近似原來(lái)連續(xù)變化的幅度值,把模擬信號(hào)的連續(xù)幅度變?yōu)橛邢迶?shù)量的有一定間隔的離散值。編碼則是按照一定的規(guī)律,把量化后的值用二進(jìn)制數(shù)字表示,然后轉(zhuǎn)換成二值或多值的數(shù)字信號(hào)流。這樣得到的數(shù)字信號(hào)可以通過(guò)電纜、微波干線、衛(wèi)星通道等數(shù)字線路傳輸。在接收端則與上述模擬信號(hào)數(shù)字化過(guò)程相反,再經(jīng)過(guò)后置濾波又恢復(fù)成原來(lái)的模擬信號(hào)。上述數(shù)字化的過(guò)程又稱為脈沖編碼調(diào)制。 抽樣 話音信號(hào)是模擬信號(hào),它不僅在幅度取值上是連續(xù)的,而且在時(shí)間上也是連續(xù)的。要使話音信號(hào)數(shù)字化并實(shí)現(xiàn)時(shí)分多路復(fù)用,首先要在時(shí)間上對(duì)話音信號(hào)進(jìn)行離散化處理,這一過(guò)程叫抽樣。所謂抽樣就是每隔一定的時(shí)間間隔T,抽取話音信號(hào)的一個(gè)瞬時(shí)幅度值(抽樣值),抽樣后所得出的一系列在時(shí)間上離散的抽樣值稱為樣值序列,如圖2-4所示。抽樣后的樣值序列在時(shí)間上是離散的,可進(jìn)行時(shí)分多路復(fù)用,也可將各個(gè)抽樣值經(jīng)過(guò)量化、編碼變換成二進(jìn)制數(shù)字信號(hào)。理論和實(shí)踐證明,只要抽樣脈沖的間隔T≤12fm(或≥2fm)(fm是話音信號(hào)的最高頻率),則抽樣后的樣值序列可不失真地還原成原來(lái)的話音信號(hào)。 例如,一路電話信號(hào)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(duì)300~3400Hz的電話信號(hào)抽樣,則抽樣后的樣值序列可不失真地還原成原來(lái)的話音信號(hào),話音信號(hào)的抽樣頻率通常取8000Hz/s。對(duì)于PAL制電視信號(hào)。視頻帶寬為6MHz,按照CCIR601建議,亮度信號(hào)的抽樣頻率為13.5MHz,色度信號(hào)為6.75MHz。 量化 抽樣把模擬信號(hào)變成了時(shí)間上離散的脈沖信號(hào),但脈沖的幅度仍然是模擬的,還必須進(jìn)行離散化處理,才能最終用數(shù)碼來(lái)表示。這就要對(duì)幅值進(jìn)行舍零取整的處理,這個(gè)過(guò)程稱為量化。量化有兩種方式,示于圖2-5中。圖2-5(a)所示的量化方式中,取整時(shí)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。采用這種量化方式,輸入電壓總是大于輸出電壓,因此產(chǎn)生的量化誤差總是正的,最大量化誤差等于兩個(gè)相鄰量化級(jí)的間隔Δ。圖(b)所示的量化方式在取整時(shí)有舍有入,即0~0.5伏間的輸入電壓都輸出0伏,0.5~15伏間的輸出電壓都輸出1伏等等。采用這種量化方式量化誤差有正有負(fù),量化誤差的絕對(duì)值最大為Δ/2。因此,采用有舍有入法進(jìn)行量化,誤差較小。 實(shí)際信號(hào)可以看成量化輸出信號(hào)與量化誤差之和,因此只用量化輸出信號(hào)來(lái)代替原信號(hào)就會(huì)有失真。一般說(shuō)來(lái),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(lái)表示一定幅度的模擬信號(hào)時(shí)所需要的量化級(jí)數(shù)就越多,因此處理和傳輸就越復(fù)雜。所以,量化既要盡量減少量化級(jí)數(shù),又要使量化失真看不出來(lái)。一般都用一個(gè)二進(jìn)制數(shù)來(lái)表示某一量化級(jí)數(shù),經(jīng)過(guò)傳輸在接收端再按照這個(gè)二進(jìn)制數(shù)來(lái)恢復(fù)原信號(hào)的幅值。所謂量化比特?cái)?shù)是指要區(qū)分所有量化級(jí)所需幾位二進(jìn)制數(shù)。例如,有8個(gè)量化級(jí),那么可用三位二進(jìn)制數(shù)來(lái)區(qū)分,因?yàn),稱8個(gè)量化級(jí)的量化為3比特量化。8比特量化則是指共有個(gè)量化級(jí)的量化。 量化誤差與噪聲是有本質(zhì)的區(qū)別的。因?yàn)槿我粫r(shí)刻的量化誤差是可以從輸入信號(hào)求出,而噪聲與信號(hào)之間就沒(méi)有這種關(guān)系。可以證明,量化誤差是高階非線性失真的產(chǎn)物。但量化失真在信號(hào)中的表現(xiàn)類似于噪聲,也有很寬的頻譜,所以也被稱為量化噪聲并用信噪比來(lái)衡量。 上面所述的采用均勻間隔量化級(jí)進(jìn)行量化的方法稱為均勻量化或線性量化,這種量化方式會(huì)造成大信號(hào)時(shí)信噪比有余而小信號(hào)時(shí)信噪比不足的缺點(diǎn)。如果使小信號(hào)時(shí)量化級(jí)間寬度小些,而大信號(hào)時(shí)量化級(jí)間寬度大些,就可以使小信號(hào)時(shí)和大信號(hào)時(shí)的信噪比趨于一致。這種非均勻量化級(jí)的安排稱為非均勻量化或非線性量化。數(shù)字電視信號(hào)大多采用非均勻量化方式,這是由于模擬視頻信號(hào)要經(jīng)過(guò)校正,而校正類似于非線性量化特性,可減輕小信號(hào)時(shí)誤差的影響。 對(duì)于音頻信號(hào)的非均勻量化也是采用壓縮、擴(kuò)張的方法,即在發(fā)送端對(duì)輸入的信號(hào)進(jìn)行壓縮處理再均勻量化,在接收端再進(jìn)行相應(yīng)的擴(kuò)張?zhí)幚。?BR> 目前國(guó)際上普遍采用容易實(shí)現(xiàn)的A律13折線壓擴(kuò)特性和μ律15折線的壓擴(kuò)特性。我國(guó)規(guī)定采用A律13折線壓擴(kuò)特性。 采用13折線壓擴(kuò)特性后小信號(hào)時(shí)量化信噪比的改善量可達(dá)24dB,而這是靠犧牲大信號(hào)量化信噪比(虧損12dB)換來(lái)的。 編碼 抽樣、量化后的信號(hào)還不是數(shù)字信號(hào),需要把它轉(zhuǎn)換成數(shù)字編碼脈沖,這一過(guò)程稱為編碼。最簡(jiǎn)單的編碼方式是二進(jìn)制編碼。具體說(shuō)來(lái),就是用n比特二進(jìn)制碼來(lái)表示已經(jīng)量化了的樣值,每個(gè)二進(jìn)制數(shù)對(duì)應(yīng)一個(gè)量化值,然后把它們排列,得到由二值脈沖組成的數(shù)字信息流,整個(gè)過(guò)程見(jiàn)圖2-7。編碼過(guò)程在接收端,可以按所收到的信息重新組成原來(lái)的樣值,再經(jīng)過(guò)低通濾波器恢復(fù)原信號(hào)。用這樣方式組成的脈沖串的頻率等于抽樣頻率與量化比特?cái)?shù)的積,稱為所傳輸數(shù)字信號(hào)的數(shù)碼率。顯然,抽樣頻率越高,量化比特?cái)?shù)越大,數(shù)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(jìn)制碼,還有其他形式的二進(jìn)制碼,如格雷碼和折疊二進(jìn)制碼等,表2-1示出了這三種二進(jìn)制碼。這三種碼各有優(yōu)缺點(diǎn):(1)自然二進(jìn)制碼和二進(jìn)制數(shù)一一對(duì)應(yīng),簡(jiǎn)單易行,它是權(quán)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(jìn)行大小比較和算術(shù)運(yùn)算。自然二進(jìn)制碼可以直接由數(shù)/模轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào),但在某些情況,例如從十進(jìn)制的3轉(zhuǎn)換為4時(shí)二進(jìn)制碼的每一位都要變,使數(shù)字電路產(chǎn)生很大的尖峰電流脈沖。(2)格雷碼則沒(méi)有這一缺點(diǎn),它在相鄰電平間轉(zhuǎn)換時(shí),只有一位生變化,格雷碼不是權(quán)重碼,每一位碼沒(méi)有確定的大小,不能直接進(jìn)行比較大小和算術(shù)運(yùn)算,也不能直接轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào),要經(jīng)過(guò)一次碼變換,變成自然二進(jìn)制碼。(3)折疊二進(jìn)制碼沿中心電平上下對(duì)稱,適于表示正負(fù)對(duì)稱的雙極性信號(hào)。它的最高位用來(lái)區(qū)分信號(hào)幅值的正負(fù)。折疊碼的抗誤碼能力強(qiáng)。 表2-1各種二進(jìn)制碼量化電平 量化電平自然二進(jìn)制碼格雷碼折疊二進(jìn)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(hào)源中多余的信息除去,形成一個(gè)適合用來(lái)傳輸?shù)男盘?hào)。為了抑制信道噪聲對(duì)信號(hào)的干擾,往往還需要對(duì)信號(hào)進(jìn)行再編碼,編成在接收端不易為干擾所弄錯(cuò)的形式,這稱為信道編碼。為了對(duì)付干擾,必須花費(fèi)更多的時(shí)間,傳送一些多余的重復(fù)信號(hào),從而占用了更多頻帶,這是通信理論中的一條基本原理。 數(shù)字視頻信號(hào) 數(shù)字視頻信號(hào)的編碼方式和格式 (1)復(fù)合編碼和分量編碼 視頻信號(hào)有兩種編碼方式,即復(fù)合編碼和分量編碼。復(fù)合編碼是將復(fù)合彩色信號(hào)直接編碼成PCM形式。復(fù)合彩色信號(hào)是指彩色全電視信號(hào),它包含有亮度信號(hào)和以不同方式編碼的色度信號(hào)。分量編碼是將三基色信號(hào)R、G、B分量或亮度和色差信號(hào)Y、(B-Y)、(R-Y)分別編碼成PCM形式。 復(fù)合編碼的優(yōu)點(diǎn)是碼率低些,設(shè)備較簡(jiǎn)單,適用于在模擬系統(tǒng)中插入單個(gè)數(shù)字設(shè)備的情況。它的缺點(diǎn)是由于數(shù)字電視的抽樣頻率必須與彩色副載頻保持一定的關(guān)系,而各種制式的副載頻各不相同,難以統(tǒng)一。采用復(fù)合編碼時(shí)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(zhì)量。 分量編碼的優(yōu)點(diǎn)是編碼與制式無(wú)關(guān),只要抽樣頻率與行頻有一定的關(guān)系,便于制式轉(zhuǎn)換和統(tǒng)一,而且由于Y、(R-Y)、(B-Y)分別編碼,可采用時(shí)分復(fù)用方式,避免亮色互串,可獲得高質(zhì)量的圖像。在分量編碼中,亮度信號(hào)用較高的碼率傳送,兩個(gè)色差信號(hào)的碼率可低一些,但總的碼率比較高,設(shè)備價(jià)格相應(yīng)較貴。 (2)數(shù)字視頻信號(hào)的抽樣頻率和格式現(xiàn)行的掃描制式主要有625行/50場(chǎng)和525行/60場(chǎng)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(biāo)準(zhǔn)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(shù)倍,對(duì)于625行/50場(chǎng),每行的抽樣點(diǎn)數(shù)為個(gè),對(duì)于525行/60場(chǎng),每行的抽樣點(diǎn)數(shù)為個(gè),按照國(guó)際現(xiàn)行電視制式,亮度信號(hào)最大帶寬是6兆赫。根據(jù)奈奎斯特抽樣定理,抽樣頻率至少要大于2×6=12兆赫,因此取13.5兆赫也是合適的。 由于色差信號(hào)的帶寬比亮度信號(hào)窄得多,所以在分量編碼時(shí)兩個(gè)色差信號(hào)的抽樣頻率可以低一些,同時(shí)也考慮到抽樣的樣點(diǎn)結(jié)構(gòu)滿足正交結(jié)構(gòu)的要求,ITU-R建議兩個(gè)色差信號(hào)的抽樣頻率均為亮度信號(hào)抽樣頻率的一半,即6.75兆赫,每行的樣值點(diǎn)數(shù)也是亮度信號(hào)樣值點(diǎn)數(shù)的一半,即分別為432個(gè)/行和429個(gè)/行。因此,對(duì)演播室數(shù)字電視設(shè)備進(jìn)行分量編碼的標(biāo)準(zhǔn)是:亮度信號(hào)的抽樣頻率是13.5兆赫,兩個(gè)色差信號(hào)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(duì)于用于信號(hào)源信號(hào)處理的質(zhì)量要求更高的設(shè)備,還可以采用4:4:4的抽樣關(guān)系。 數(shù)字通信系統(tǒng) 數(shù)字通信系統(tǒng)的主要性能指標(biāo) (1)信道傳輸速率 信道的傳輸速率通常是以每秒所傳輸?shù)男畔⒘慷嗌賮?lái)衡量。信息論中定義信源發(fā)生信息量的度量單位是“比特”(bit)。一個(gè)二進(jìn)制碼元所含的信息量是一個(gè)“比特”,所以信息傳輸速率的單位是比特/秒(bit/s)。例如一個(gè)數(shù)字通信系統(tǒng),它每秒傳輸600個(gè)二進(jìn)制碼元,它的信息傳輸速率是600比特/秒(600bit/s)。 (2)符號(hào)傳輸速率 它是指單位時(shí)間(秒)內(nèi)傳輸?shù)拇a元數(shù)目,其單位為波特。這里的碼元可以是二進(jìn)制的,也可以是多進(jìn)制的。符號(hào)傳輸速率M和信息傳輸速率R的關(guān)系為R=Nlog2M當(dāng)碼元為二進(jìn)制時(shí)M為2;碼元為四進(jìn)制時(shí)M為4……如果符號(hào)速率為600波特,在二進(jìn)制時(shí),信息傳輸速率為600比特/秒,在四進(jìn)制時(shí)為1200比特/秒。 (3)誤碼率 信碼在傳輸過(guò)程中,由于信道不理想以及噪聲的干擾,以致在接收端判決再生后的碼元可能出現(xiàn)錯(cuò)誤,這叫誤碼。誤碼的多少用誤碼率來(lái)衡量,誤碼率是數(shù)字通信系統(tǒng)中單位時(shí)間內(nèi)錯(cuò)誤碼元數(shù)與發(fā)送總碼元數(shù)之比。誤碼越多,誤碼率越大。 。4)傳輸速率和帶寬的關(guān)系 數(shù)字信號(hào)的傳輸要求與模擬信號(hào)的要求不同,模擬信號(hào)的傳輸要求接收端無(wú)波形失真,而數(shù)字信號(hào)的傳輸是要求接收端無(wú)差錯(cuò)地恢復(fù)成原來(lái)的二進(jìn)數(shù)碼(可以允許接收波形失真,只要不影響正確恢復(fù)信碼即可)。 由于數(shù)字信號(hào)的頻帶非常寬(從直流一直到無(wú)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(guò)的低通信道。當(dāng)一系列數(shù)字脈沖信號(hào)通過(guò)帶限的電纜信由于高頻成分被濾去,使輸出波形出現(xiàn)了失真。 這種波形頂部變圓,底部展寬。一個(gè)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(zhǎng),碼間干擾將影響到數(shù)個(gè)碼元。波形的拖尾可以是正的也可能是負(fù)的。如果所有的拖尾相加后是正值,而且達(dá)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后在某個(gè)碼元位置的值是負(fù)的,就可能將“1”碼誤判為“0”碼。為了減少碼間干擾,數(shù)字信號(hào)傳輸?shù)幕纠碚摗慰固氐谝粶?zhǔn)則規(guī)定帶限信道的理想低道截止頻率為fH時(shí),最高的無(wú)碼間干擾傳輸?shù)臉O限速度為2fH。例如,信道帶寬為2000Hz時(shí),每秒最多可傳送4000個(gè)二進(jìn)制碼元。一路數(shù)字電話速率為64kbit/s,則無(wú)碼間干擾的信道帶寬為32kHz。
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