[工学]模拟信号的数字化处理.ppt

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 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 2.2 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 2.6 模拟信号的采样控制方式 无条件采样 无需控制信号介入，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 2.7.3 量化误差 量化误差 由量化引起的误差叫做量化误差（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平用数字代码来表示