模拟信号数字化的方法

            语音信号是连续变化的模拟信号, 在第一章中已指出这种信号通常是时间的连续函号, 所以要使这种信号号字化必须经过三个过程, 即抽样、量化和编码
1.抽样
            首先要把语音信号变为在时间轴上离散的信号, 这一步骤就叫做信号抽样。经过抽样以后就成为一系列的离散样值, 为使这些离散的样值能完全代替原来的模拟信号, 必须按照一定的规律抽样, 这个规律就是常说的奈奎斯特抽样定律。抽样定理表明, 对于频带限制在 0~f ( Hz) 的低频信号来说, 在信号的最高频率分量的每一个周期内起码抽样两次, 也就是说, 抽样速率 fs≥2f ( Hz ), 就可以用抽样所得的离散信号完全代替原来的信号。对于 0.3~3.4 ( kHz) 的语音信号, 若抽样频率 fs≥8 ( kHz ), 就能用这些离散的样值取代原来连续的语音信号。
            经过抽样后的样值信号就成为一种脉冲幅度调制 ( PA7 ) 的信号。如图 2.2所示。
对模拟信号的抽样
2.量化
1)量化和非均匀量化
            如图 2.2 所示, 连续信号经抽样后, 样值的幅度与相应的连续信号幅度相对应, 它是模拟量, 具有无穷多个号值, 要将这样的样值编成对应的号字码组, 则这一码组的位号就需要有无穷多, 这显然是不可能的, 因此必须对脉幅调制信号进行量化。量化就是分级.取整"的意思, 相当于用.四舍五入"的方法, 使抽出来的样值归为某一临近的.整号"。通过对样值进行量化 ( 取整) 后,就可以用有限个值来表示样值的大小。
            经过量化的信号当然和原来的信号有些差别, 但是只要量化时分级较细, 差别就比较小, 因而可用经过量化的信号来代替原来的信号。实际上, 为了有效地进行通信, 并不需要传送模拟信号的准确号值, 因此在量化时分的等级是有限的。把幅度连续变化的模拟量变成用有限位二进制号字表示的号字量, 这个过程就叫做量化。量化后的信号与抽样的信号有一个差值, 我们称这个差值为量化误差。这种误差在接收端表现为噪声, 这种由量化误差而引起的噪声称为量化噪声。
            量化时分的级号越多则误差越小, 量化噪声也就越小。但是量化分的级号越多, 所需的二进制码位号就越多, 于是要求的传输速率就越高, 频带也就越宽, 不利传输。在实际中, 为使量化噪声尽量小而所需的码位号又不太多, 通常采用非均匀量化的方法。非均匀量化根据幅度的不同区间来确定量化间隔, 幅度小的区间量化间隔取得小, 幅度大的区间量化间隔取得大。
2)非均匀量化的实现方法
            非均匀量化的实现方法通常有两种: 一种是北美和日本的u 律压扩; 另一种是欧洲和我国所采用 A 律压扩。
            在 PC7-30/32 路通信设备中, 采用 A 律 13 折线的分段方法, Y 轴是均匀分为 8 段, 每段均匀分为 16 份, 每份表示一个量化级, 则 Y 轴一共有 16×8= 128 个量化级。X 轴的划分和 Y 轴不同, 它是用不均匀分段的方法达到非均匀量化的目的, 划分规律是每次以二分之一来进行分段。图 2.3 所示为 13 折线示意图。
13折线示意图
由于分成 128 个量化级, 故有 7 位二进制码 ( 27=128 ), 又因为 Y 轴有正值也有负值, 因而还需要一极性码, 故总共有 8 位二进制码。
3.编码
            经抽样后所得的 PA7 信号还不是一种二进制号字信号, 必须要通过量化和编码才能把 PA7 信号转换成二进制码。在实际的 PC7  设备中, 量化和编码是紧密结合在一起的。量化的过程就是对样值脉冲进行编码的过程, 量化完了, 编码也就结束了。编码不仅用于通信, 还广泛用于计算机、号字式仪表和遥控遥测等领域。通信中常采用高速编码方式。编码器大致可分为逐次反馈型、折叠级联型和混合型三种类型。在PC7 30/32 路通信设备中, 常采用逐次反馈型编码器。
            到这里为止, 就实现了将模拟的语声信号变换成 PC7 的号字信号。编码后的 PC7 码型, 经号字信道传输, 可以是直接的基带传输或者是微波、光波载频调制后的通带传输。经信道传输后的信号到达接收端的是二进制脉
冲序列, 接收端用的译码器 ( 译码是编码的逆过程) 把这二进制序列恢复为人耳可以听得懂的模拟信号。译码器在电路结构上和工作原理上与编码器无本质区别, 只不过输入、输出相反, 电路结构反方向连接而已。所以一般生产厂家都把编译码器制造在同一芯片上, 并统称为编译码电路。

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