模拟信号数字化基础

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1、TPUB北邮信息理论与技术教研中心第三章模拟信号数字化基础TPUB本章内容•模拟信号的数字化处理•采样/保持器•AD转换器•DA转换器•压缩感知——新型的采样技术rteneC2TPUBrteneC3TPUB3.1模拟信号的数字化处理连续模拟信号采样量化r编码teneC离散数字信号4TPUB3.1.1模拟信号数字化的基本原理rteneC图3-1脉冲编码调制的系统流程5TPUB3.1.1.1采样•采样：在时间上对信号进行离散化处理rteneCxs(nTs)x(nTs)(tnTs)n06TPUB3.1.1.1采样•采样周期Ts决定了采样信号的质量和数量r

2、teØ需要某种准则来确定Ts的合理取值neCØ奈奎斯特采样定理7TPUB3.1.1.1采样•奈奎斯特采样定理条件1rteneC8TPUB3.1.1.1采样•奈奎斯特采样定理条件2rteneC9TPUB3.1.1.1采样•奈奎斯特采样定理信号重建sin(tnT)sTx(t)x(nT)sssn(tnT)sTsrteneC10TPUB3.1.1.1采样•奈奎斯特采样定理作用：避免频率混淆rteneC11TPUB3.1.1.1采样•奈奎斯特采样定理如果信号不满足带限条件？•频域衰减较快的信号：增大采样率•频域衰减较慢的信号：在采样之前，先用一个低通

3、滤波器对信号进行滤波rteneC12TPUB3.1.1.1采样•过采样机制采样过程中可能引入多种噪声热噪声杂色噪声rten相位噪声eC等等13TPUB3.1.1.1采样•过采样机制Ø远大于fc的采样率，4倍、8倍、16倍甚至更高。Ø定义*，，R(R>1)*称为过采样比例f2ffRfscssrteneC14TPUB3.1.1.1采样•过采样机制–噪声功率不变，而频谱分布变化–通过低通滤波操作提高信噪比rteneC图3-7系统过采样后的噪声功率谱15TPUB3.1.1.1采样•模拟信号的采样方式定时采样实时采样定点采样采样方式r顺序采样ten等效时间采样eC随机

4、采样16TPUB3.1.1.1采样•实时采样–定时采样：等间隔采样，每两个采样点之间的时间间隔相同–定点采样：不论被测信号频率多少，一个信号周期内均匀采样点数不变–优点：信号波形一到就可以开始采样，所有采样是以时间为顺序的rten–缺点：对信号的捕捉能力受到采样速率的约束eC17TPUB3.1.1.1采样•等效时间采样——顺序采样–输入信号周期变化–利用具有时序的采样脉冲在信号各个周期的不同相位上逐次进行采样rte–将慢速采样的样本重neC组来得到原信号18TPUB3.1.1.1采样•等效时间采样——随机采样–每次采样的位置是随机的rteneC19TPUB3.1

5、.1.1采样•等效时间采样–优点：降低了实际的采样速率，降低了对数据存储速度和容量的要求–缺点：获取相同信息的时间变长rteneC20TPUB3.1.1.1采样无条件采样查询方式采样控制方式条件采样中断方式rDMA方式teneC21TPUB3.1.1.1采样•无条件采样–运行采样程序后就立即开始采集数据–优点：无需控制信号接入，简单易实现–缺点：每个采样点数据的采集、量化、编码和存储必须在一个采样时间间隔完成，必须确保AD转换器已经准备好rteneC22TPUB3.1.1.1采样•条件采样–需要等到系统满足一定的条件才开始采样–查询：•CPU需不断检查模数转换状

6、态•编程简单，要求硬件资源少，但占用较多CPU机时–中断：•通过响应中断来暂停主程序，以执行中断服务程序rte•占用的CPU机时较少，要求硬件资源多，编程复杂neC–DMA：由硬件完成数据的传输操作23TPUB3.1.1.2量化•量化的基本概念–量化单位：q–量化器位数：n–满量程电压：FSRFSRr–关系：qte2nneC24TPUB3.1.1.2量化•量化的方式量化方式rtene截断法舍入法C25TPUB3.1.1.2量化•截断法rteneC图3-8截断法方式的量化过程示意图26TPUB3.1.1.2量化•舍入法rteneC图3-9舍入法方式的量化过程示意

7、图27TPUB3.1.1.2量化•假设传感器采集的模拟信号的电压在0～5V范围内变化。定义量化单位为1V，量化输出电平为1V、2V、3V、4V、5V。分别采用截断法和舍入法的方式对采样信号进行量化rteneC28TPUB3.1.1.2量化量化将幅度连续变化的信号变成幅度值为有限序列的量化信号rteneC29TPUB3.1.1.2量化•量化误差：量化器输入输出之间的差值ex(nT)x(nT)ssqs•量化误差的大小与采用的量化方法有关rteneC30TPUB3.1.1.2量化•截断法rteneC31TPUB3.1.1.2量化•截断法图3-12截断法量化误差的概

8、率分布图rq1qte