[工学]模拟信号的数字化处理

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1、数据采集与处理技术第2章模拟信号的数字化处理第2章模拟信号的数字化处理采样过程与采样定理混频的产生与消除模拟信号的采样控制方式量化与编码2.1概述模拟信号能不能直接观察和保存？模拟信号能不能用合适的信号调理电路直接转换为控制信号？为什么要做模拟信号的数字化？怎么做模拟信号的数字化？模拟信号数字化后是否会丢失信息？模拟信号传输与数字信号传输哪个更容易？2.1概述模拟信号转换为数字信号的过程时间离散采样时间离散会带来失真吗？时间离散需要遵循什么样的要求？幅度离散量化量化会带来信号的失真吗？编码2.1概述x(t)0txs(nTs)0xq(nTs)0x(n)0ttnq2q3q4q5q6q0101

2、01101011001010100模拟信号采样保持量化编码2.2采样过程Xs(nTs)为采样信号，0,Ts,2Ts,···采样时刻Ts为采样周期，τ为采样时间x(t)t0xs(nTs)0x(t)xs(nTs)TsTs2Ts3Tsτt2.2采样过程输入输出信号之间的关系2.3采样定理2.3采样定理对有限频谱的连续信号进行采样，当满足采样定理时，能够由采样信号无失真的恢复原信号。频谱有限采样时间无限短不做量化或量化无误差在实际的模拟信号数字化过程中低通滤波来限制频谱宽度采样时间不是无限短量化会带来误差工程上常选用3～5倍截止频率以上的频率采样2.4频混的产生与消除频混的措施2.4.1频混的产

3、生频混是由于不满足采样定理而发生的高频成分叠加到低频成分上去的现象。2.4频混的产生与消除频混的措施不产生频混现象的临界条件：对特定的信号进行采样时，要求采样频率要高于信号最高频率的2倍以上；对于采样频率一定时，要求被采样的信号最高频率不得高于采样频率的一半。信号中能相互混淆的频率满足如下关系2.4频混的产生与消除频混的措施消除频混的方法对于频域衰减较快的信号用提高采样频率的方法对于频域衰减较慢的信号用消除频混滤波器2.6模拟信号的采样控制方式采样无条件采样条件采样DMA方式采样定时采样（等间隔采样）等点采样（变步长采样）程序查询采样中断控制采样2.6模拟信号的采样控制方式无条件采样无需

4、控制信号介入，所要求的硬件和软件最简单；要求A/D随时处于就绪状态，使用不方便中断方式很强的实时处理能力，可充分发挥CPU的效率主要用于主程序要同时处理其他任务不宜查询的情况下，以及一个或多个模拟信号需要实时采集不允许错过的场合2.6模拟信号的采样控制方式查询方式软件开发和调试比较容易，所需硬件少；占用CPU时间，效率较低；通常用于对实时性要求不高的场合DMA方式数据传输基本不占用CPU资源传输速度快硬件成本较高常用于高速数据采集系统2.7量化与量化误差2.7.1量化量化就是把采样信号的幅值与某个最小数量单位的一系列整数倍比较，以最接近于采样信号幅值的最小数量单位倍数来代替该幅值。这一过

5、程称为“量化过程”，简称“量化”量化单位量化器满量程电压FSR与2n的比值，用q表示，n称为量化器的位数量化后的信号称为量化信号，把量化信号的数值用二进制代码来表示，就称为编码2.7量化与量化误差量化是模拟信号转换为数字信号必须经过的一个过程量化是以最接近于采样信号幅值的最小数量单位的整倍数来代替幅值受量化单位的限制，量化过程是会对信号带来误差的，量化的精度取决于量化单位量化与编码之间存在一定的对应关系，即编码应该要能表示所有可能的量化结果2.7量化与量化误差2.7.2量化方法只舍不入的量化有舍有入的量化2.7量化与量化误差只舍不入有舍有入2.7.3量化误差量化误差由量化引起的误差叫做量

6、化误差（量化噪声），记为e量化误差的大小与所采用的量化方法有关2.7.3量化误差只舍不入法引起的量化误差2.7.3量化误差有舍有入法引起的量化误差2.7.3量化误差量化误差是一种原理性误差，它只能减小而无法完全消除量化误差的大小与量化单位有关量化单位与模拟信号幅值相比足够小时，量化误差的影响可作为噪声考虑，称为量化噪声2.7.3量化误差量化误差对数据采集系统动态平滑性的影响2.7.3量化误差对相同的模拟信号量化单位大时，量化误差峰峰值较大，量化误差的变化频率较低，量化噪声为低频、大振幅噪声量化单位小时，量化误差峰峰值较小，但是量化误差的变化频率较高，量化噪声为高频、小振幅噪声对相同的量化

7、单位信号变化越缓慢，量化噪声的变化频率越低信号变化越迅速，量化噪声的变化频率越高2.7.3量化误差结论：模拟信号经过量化后，产生了跳跃状的量化噪声量化噪声的峰峰值等于量化单位q量化噪声的变化频率取决于量化单位q和模拟信号x(t)的变化情况对于频率较高的量化噪声可用低通滤波器滤除，而振幅大、频率低的量化噪声将较严重地影响系统输出的平滑性2.7.3量化误差量化误差（噪声）与量化器（A/D转换器）位数的关系2.8编码编码是指把量化信号的电