模擬信號數字傳輸教學案例分析

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摘要：數字傳輸方式相對于模擬傳輸來說，有著與生俱來的優勢，有必要將模擬信號進行數字化處理。通過模擬信號數字傳輸的教學案例分析，驗證了無失真采樣的條件，讓學生熟悉數字傳輸的工作流程與信號的恢復。

關鍵詞：數字傳輸；采樣定理；仿真模擬

信號廣泛存在于我們的生產生活中。它在時間上連續，在幅度上連續的特點，讓其無法直接運用先進的數字信號處理設備，無法有效的抗擊噪聲的干擾和影響，無法充分利用有限的信道和無線頻譜資源。因此將模擬信號轉化成數字信號，采用數字傳輸提高信息傳輸性能，就顯得特別的重要。模擬信號在數字傳輸時會遇到什么問題呢？我們來看一個案例。

一、案例展示

由圖1可以看出模擬信號在時間和幅度上的連續出現，噪聲在傳輸過程中越積越多，傳輸距離越遠失真越大，性能不好；而數字信號能通過中繼再生減小干擾，數字信號抗干擾能力強，并且可以采用數字芯片高效高速處理，可以利用加密和編碼技術提高保密性和可靠性，數字傳輸的優勢非常明顯。現實生活中通常的信號大都多是連續的模擬信號，模擬信號不適合遠距離傳遞，也不適合高速的信號處理。因此有必要將其進行數字化，即發送端通過ADC對信號進行離散化，變成數字信號后進行數字傳輸；在接收端對其進行DAC后還原信號本來面目。但是問題來了：能保證信號在處理中不失真嗎？

二、相關理論

在學習現代通信技術這門課時，我們會接觸PCM這個名詞，PCM又叫脈沖編碼調制。經過時間上的離散化（抽樣過程），幅度上的離散化（量化過程），數字序列的產生（編碼過程）這三個步驟，最終實現信號的數字化。抽樣又叫采樣，一般通過等間隔采樣實現信號在時間上的離散化。采樣的過程特別重要，因為采樣頻率選擇不合適，就會導致信息的丟失，信號的失真，信號的無法恢復。在采樣時，理論上應滿足抽樣定理，也就是采樣定理，要求抽樣頻率要足夠高，至少為原信號最高頻率的兩倍以上。也就是說只有采樣頻率足夠高，才能保證采樣不失真，信息不丟失，信號才能還原，受信者才能獲得原始的消息。量化過程就是把采樣值進行幅度上的離散化，常用的量化方式有兩種，均勻量化和非均勻量化。均勻量化也就是在幅度方向上對采集樣本進行的等間隔量化分割。非均勻量化可按照A率或μ率進行量化。非均勻量化在具體實現時，可以借助幅度的壓縮和幅度的擴張來實現。編碼過程就是用一串二進制序列表示量化后的數值。選擇二進制的位數非常重要，例如量化電平個數為L時，二進制編碼位數為n，就必須滿足L小于等于2n。模擬信號經過抽樣、量化、編碼就轉換成了數字信號，在具備了離散型的特點后就可以借助數字手段來傳輸和處理了。

三、案例分析

（一）操作環境。為了更好的進行系統搭建和觀測，采用SystemView仿真軟件。通過模塊化的系統搭建與連接，參數的設定與更改，時鐘的添加與運行，可視化的進行系統分析。（二）模塊搭建。信號源的產生：產生一個隨機的帶限信號作為原始模擬信號。設計時可以采用高斯噪聲去模擬信號源，體現信號的隨機性。由于信號大多是頻帶受限的，因此讓產生的隨機信號通過一個低通濾波器，例如設置其截止頻率為10Hz，得到帶限信號。壓縮器的調用：在ADC之前加上壓縮操作，改變原來信號幅值間的比例。壓縮器與ADC一起構成了非均勻量化操作，使得對于小信號的量化噪聲減小了。ADC的調用：在邏輯庫下的MixSignal中選出模數轉換器模塊，對壓縮的模擬信號進行抽樣量化編碼，最終轉換為數字信號。采樣時鐘的設置：采用周期性的脈沖信號作為采樣時鐘。因為要產生同步的脈沖信號，所以要控制脈沖信號的頻率，脈沖信號的頻率也就是采樣頻率。這是一個重要參數，直接影響了信號能夠被不失真的還原。DAC的調用：DAC也叫數模轉換器，將數字信號重新還原為模擬信號。它的參數設置要和ADC一致，例如轉換位數是8位，就需要將模數轉換器的8個數據位分別與數模轉換器相對應的8個數據位相連。擴展器的設置：接收端需要一個和發送端的逆向操作器件還原信號。DAC后添加擴張器，參數的設置與壓縮器基本相同。接收從數模轉換器產生的經過壓縮的模擬信號，通過擴展過程還原原模擬信號的幅值比例。仿真系統如下圖2所示。（三）觀測驗證。情形1、設置采樣時鐘頻率大于等于2倍原始帶限模擬信號最高頻率，觀察能否還原信號（對比記錄輸入輸出波形）？結果：能還原，輸出信號與輸入信號波形一致，如圖3所示。說明：改變滿足要求的頻率進行多次驗證，并觀測記錄波形。情形2、設置采樣時鐘頻率小于2倍原始帶限模擬信號最高頻率，觀察能否還原信號（對比記錄輸入輸出波形）？結果：不能還原，輸出信號相對于輸入信號有明顯的失真，如圖4所示。說明：改變滿足要求的頻率進行多次驗證，并觀測記錄波形。

四、總結

數字信號相對于模擬信號來說，有著很大的優勢。數字信號抗干擾能力強，可以采用數字芯片高效高速處理，可以加密和編碼提高保密性和可靠性。往往需要將模擬信號數字化后傳輸或處理，來提高系統性能。因此有必要將其進行數字化，即發送端通過ADC對信號進行離散化，變成數字信號后進行數字傳輸；在接收端對其進行DAC后還原信號本來面目。但是在信號處理的過程中，若要保證信號不失真，采樣頻率必須滿足奈奎斯特定理，簡稱抽樣定理，即只要對模擬信號的抽樣頻率fs大于或等于信號最高頻率fH的2倍，即fs≥2fH，就能夠無不失真地恢復原來的模擬信號。

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作者:管宇 單位:南京交通職業技術學院電子信息工程學院