$2.2.3 模擬數(shù)據(jù)的數(shù)字信號編碼
對模擬數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)字信號編碼的最常用方法是脈碼調(diào)制PCM(Pulse Code Mod111ation),它常用于對聲音信號進(jìn)行編碼。脈碼調(diào)制是以采樣定理為基礎(chǔ)的,該定理從數(shù)學(xué)上證明:若對連續(xù)變化的模擬信號進(jìn)行周期性采樣,只要采樣頻率大于等于有效信號頻率或其帶寬的兩倍,則采樣值便可包含原始信號的全部信息,利用低通濾波器可以從這些采樣中重新構(gòu)造出原始信號。設(shè)原始信號的頻率為Fm,采樣頻率為孔,則采樣定理可以下式表示:
式中Ts為采樣周期,為原始信號的帶寬。信號數(shù)字化的轉(zhuǎn)換過程可包括采樣、量化和編碼三個步驟。圖2.11說明了脈碼調(diào)制的原理,圖中的波形按幅度被劃分成8個量化級,如要提高精度,則可以分成更多的量級。
第一步是采樣,以采樣頻率Fs把模擬信號的值采出;第二步是量化,使連續(xù)模擬信號變?yōu)闀r間軸上的離散值,也就是分級的過程,把采樣的值按量級"取整"得到的是一個不連續(xù)的值;第三步是編碼,將離散值編成一定位數(shù)的二進(jìn)制數(shù)碼。圖中是8個量化級,故取3位二進(jìn)制編碼就可以了。如果有N個量化級,那么每次采樣將需要log2N位二進(jìn)制數(shù)碼。目前在語音數(shù)字化脈碼調(diào)制系統(tǒng)中,通常分為128或256個量級,即用7位或8位二進(jìn)制數(shù)碼來表示,這樣的二進(jìn)制碼組稱為一個碼字,其位數(shù)稱為字長。
在發(fā)送端經(jīng)過這樣的變換過程,就可把模擬信號轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制數(shù)碼脈沖序列,然后經(jīng)過信道進(jìn)行傳輸。在接收端,先進(jìn)行譯碼,將二進(jìn)制數(shù)碼轉(zhuǎn)換成代表原來模擬信號的幅度不等的量化脈沖,然后再經(jīng)過濾波(如低通濾波器),就可使幅度不同的量化脈沖還原成原來的模擬信號。
根據(jù)原始信號的頻寬,可以估算出脈碼調(diào)制的數(shù)碼脈沖速度。如果語音數(shù)據(jù)限于4000Efz以下的頻率,那么每秒鐘8000次的采樣可以滿足完整地表示語音信號的特征。使用7位二進(jìn)制表示每次采樣的話,就允許有128個量化級,這就意味著,僅僅是語音信號就需要有每秒鐘8000次采樣×每次采樣7位=56000bps(即56kbps)的數(shù)據(jù)傳輸速率。
模擬數(shù)據(jù)(例如語音)經(jīng)過PCM編碼轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號后,就可以和計(jì)算機(jī)中的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)統(tǒng)一采用數(shù)字傳輸方式進(jìn)行傳輸了。對于數(shù)字傳輸?shù)臄?shù)字電話、數(shù)字傳真、數(shù)字電視等數(shù)字通信系統(tǒng)而言,它具有下列兩個顯著的優(yōu)點(diǎn):
(1)抗干擾性強(qiáng)。在模擬通信中,當(dāng)外部干擾和機(jī)內(nèi)噪聲疊加在有用的信號上時,就很難完全將干擾和噪聲去掉,因而使輸出信號的信噪比降低。而當(dāng)數(shù)字信號在傳輸過程中出現(xiàn)上述情況時,通過數(shù)字信號再生的方法,可以容易地將干擾和噪聲消除。當(dāng)發(fā)送數(shù)字信號"1"時,干擾噪聲與有用信號疊加,若這結(jié)果值不小于某一門限電平,即仍可再生為‘"‘1,",同樣,當(dāng)發(fā)送"0"信號時,干擾和噪聲電平只要小于這一門限電平,就仍能再生為"0"。
(2)保密性好。信息被數(shù)字化后,產(chǎn)生一個二進(jìn)制數(shù)字編碼序列I(t),可以將I(t)與數(shù)字密碼機(jī)產(chǎn)生的二進(jìn)制密碼序列C(t)進(jìn)行"模2加"運(yùn)算,得到傳送序列B(t)。這樣送到信道上傳送的信號為:B(t)=I(t)+C(t),(此處的"+"為模2加)。由于它人無法知道密碼序列C(t),所以就無法破譯原始信息I(t)。密碼序列C(t)可以任意變換,這樣就使通信系統(tǒng)的保密性大大提高。
當(dāng)然,數(shù)字通信也有它的一些問題,例如模擬信號變成數(shù)字信號后占有較寬的頻帶、數(shù)字設(shè)備和聯(lián)網(wǎng)技術(shù)較復(fù)雜、與現(xiàn)有的模擬通信設(shè)備之間也不免存在一些矛盾等等。
對模擬數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)字信號編碼的最常用方法是脈碼調(diào)制PCM(Pulse Code Mod111ation),它常用于對聲音信號進(jìn)行編碼。脈碼調(diào)制是以采樣定理為基礎(chǔ)的,該定理從數(shù)學(xué)上證明:若對連續(xù)變化的模擬信號進(jìn)行周期性采樣,只要采樣頻率大于等于有效信號頻率或其帶寬的兩倍,則采樣值便可包含原始信號的全部信息,利用低通濾波器可以從這些采樣中重新構(gòu)造出原始信號。設(shè)原始信號的頻率為Fm,采樣頻率為孔,則采樣定理可以下式表示:
式中Ts為采樣周期,為原始信號的帶寬。信號數(shù)字化的轉(zhuǎn)換過程可包括采樣、量化和編碼三個步驟。圖2.11說明了脈碼調(diào)制的原理,圖中的波形按幅度被劃分成8個量化級,如要提高精度,則可以分成更多的量級。
第一步是采樣,以采樣頻率Fs把模擬信號的值采出;第二步是量化,使連續(xù)模擬信號變?yōu)闀r間軸上的離散值,也就是分級的過程,把采樣的值按量級"取整"得到的是一個不連續(xù)的值;第三步是編碼,將離散值編成一定位數(shù)的二進(jìn)制數(shù)碼。圖中是8個量化級,故取3位二進(jìn)制編碼就可以了。如果有N個量化級,那么每次采樣將需要log2N位二進(jìn)制數(shù)碼。目前在語音數(shù)字化脈碼調(diào)制系統(tǒng)中,通常分為128或256個量級,即用7位或8位二進(jìn)制數(shù)碼來表示,這樣的二進(jìn)制碼組稱為一個碼字,其位數(shù)稱為字長。
在發(fā)送端經(jīng)過這樣的變換過程,就可把模擬信號轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制數(shù)碼脈沖序列,然后經(jīng)過信道進(jìn)行傳輸。在接收端,先進(jìn)行譯碼,將二進(jìn)制數(shù)碼轉(zhuǎn)換成代表原來模擬信號的幅度不等的量化脈沖,然后再經(jīng)過濾波(如低通濾波器),就可使幅度不同的量化脈沖還原成原來的模擬信號。
根據(jù)原始信號的頻寬,可以估算出脈碼調(diào)制的數(shù)碼脈沖速度。如果語音數(shù)據(jù)限于4000Efz以下的頻率,那么每秒鐘8000次的采樣可以滿足完整地表示語音信號的特征。使用7位二進(jìn)制表示每次采樣的話,就允許有128個量化級,這就意味著,僅僅是語音信號就需要有每秒鐘8000次采樣×每次采樣7位=56000bps(即56kbps)的數(shù)據(jù)傳輸速率。
模擬數(shù)據(jù)(例如語音)經(jīng)過PCM編碼轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號后,就可以和計(jì)算機(jī)中的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)統(tǒng)一采用數(shù)字傳輸方式進(jìn)行傳輸了。對于數(shù)字傳輸?shù)臄?shù)字電話、數(shù)字傳真、數(shù)字電視等數(shù)字通信系統(tǒng)而言,它具有下列兩個顯著的優(yōu)點(diǎn):
(1)抗干擾性強(qiáng)。在模擬通信中,當(dāng)外部干擾和機(jī)內(nèi)噪聲疊加在有用的信號上時,就很難完全將干擾和噪聲去掉,因而使輸出信號的信噪比降低。而當(dāng)數(shù)字信號在傳輸過程中出現(xiàn)上述情況時,通過數(shù)字信號再生的方法,可以容易地將干擾和噪聲消除。當(dāng)發(fā)送數(shù)字信號"1"時,干擾噪聲與有用信號疊加,若這結(jié)果值不小于某一門限電平,即仍可再生為‘"‘1,",同樣,當(dāng)發(fā)送"0"信號時,干擾和噪聲電平只要小于這一門限電平,就仍能再生為"0"。
(2)保密性好。信息被數(shù)字化后,產(chǎn)生一個二進(jìn)制數(shù)字編碼序列I(t),可以將I(t)與數(shù)字密碼機(jī)產(chǎn)生的二進(jìn)制密碼序列C(t)進(jìn)行"模2加"運(yùn)算,得到傳送序列B(t)。這樣送到信道上傳送的信號為:B(t)=I(t)+C(t),(此處的"+"為模2加)。由于它人無法知道密碼序列C(t),所以就無法破譯原始信息I(t)。密碼序列C(t)可以任意變換,這樣就使通信系統(tǒng)的保密性大大提高。
當(dāng)然,數(shù)字通信也有它的一些問題,例如模擬信號變成數(shù)字信號后占有較寬的頻帶、數(shù)字設(shè)備和聯(lián)網(wǎng)技術(shù)較復(fù)雜、與現(xiàn)有的模擬通信設(shè)備之間也不免存在一些矛盾等等。