模拟信号广泛存在于我们的生产生活中。它在时间上连续, 在幅度上连续的特点, 让其无法直接运用先进的数字信号处理设备, 无法有效的抗击噪声的干扰和影响, 无法充分利用有限的信道和无线频谱资源。因此将模拟信号转化成数字信号, 采用数字传输提高信息传输性能, 就显得特别的重要。模拟信号在数字传输时会遇到什么问题呢?我们来看一个案例。
一、案例展示
由图1可以看出模拟信号在时间和幅度上的连续出现, 噪声在传输过程中越积越多, 传输距离越远失真越大, 性能不好;而数字信号能通过中继再生减小干扰, 数字信号抗干扰能力强, 并且可以采用数字芯片高效高速处理, 可以利用加密和编码技术提高保密性和可靠性, 数字传输的优势非常明显。
现实生活中通常的信号大都多是连续的模拟信号, 模拟信号不适合远距离传递, 也不适合高速的信号处理。因此有必要将其进行数字化, 即发送端通过ADC对信号进行离散化, 变成数字信号后进行数字传输;在接收端对其进行DAC后还原信号本来面目。但是问题来了:能保证信号在处理中不失真吗?
二、相关理论
在学习现代通信技术这门课时, 我们会接触PCM这个名词, PCM又叫脉冲编码调制。经过时间上的离散化 (抽样过程) , 幅度上的离散化 (量化过程) , 数字序列的产生 (编码过程) 这三个步骤, 最终实现信号的数字化。
抽样又叫采样, 一般通过等间隔采样实现信号在时间上的离散化。采样的过程特别重要, 因为采样频率选择不合适, 就会导致信息的丢失, 信号的失真, 信号的无法恢复。在采样时, 理论上应满足抽样定理, 也就是采样定理, 要求抽样频率要足够高, 至少为原信号最高频率的两倍以上。也就是说只有采样频率足够高, 才能保证采样不失真, 信息不丢失, 信号才能还原, 受信者才能获得原始的消息。
量化过程就是把采样值进行幅度上的离散化, 常用的量化方式有两种, 均匀量化和非均匀量化。均匀量化也就是在幅度方向上对采集样本进行的等间隔量化分割。非均匀量化可按照A率或μ率进行量化。非均匀量化在具体实现时, 可以借助幅度的压缩和幅度的扩张来实现。
编码过程就是用一串二进制序列表示量化后的数值。选择二进制的位数非常重要, 例如量化电平个数为L时, 二进制编码位数为n, 就必须满足L小于等于2n。
模拟信号经过抽样、量化、编码就转换成了数字信号, 在具备了离散型的特点后就可以借助数字手段来传输和处理了。
三、案例分析
(一) 操作环境
为了更好的进行系统搭建和观测, 采用SystemView仿真软件。通过模块化的系统搭建与连接, 参数的设定与更改, 时钟的添加与运行, 可视化的进行系统分析。
(二) 模块搭建
信号源的产生:产生一个随机的带限信号作为原始模拟信号。设计时可以采用高斯噪声去模拟信号源, 体现信号的随机性。由于信号大多是频带受限的, 因此让产生的随机信号通过一个低通滤波器, 例如设置其截止频率为10Hz, 得到带限信号。
压缩器的调用:在ADC之前加上压缩操作, 改变原来信号幅值间的比例。压缩器与ADC一起构成了非均匀量化操作, 使得对于小信号的量化噪声减小了。
ADC的调用:在逻辑库下的Mix Signal中选出模数转换器模块, 对压缩的模拟信号进行抽样量化编码, 最终转换为数字信号。
采样时钟的设置:采用周期性的脉冲信号作为采样时钟。因为要产生同步的脉冲信号, 所以要控制脉冲信号的频率, 脉冲信号的频率也就是采样频率。这是一个重要参数, 直接影响了信号能够被不失真的还原。
DAC的调用:DAC也叫数模转换器, 将数字信号重新还原为模拟信号。它的参数设置要和ADC一致, 例如转换位数是8位, 就需要将模数转换器的8个数据位分别与数模转换器相对应的8个数据位相连。
扩展器的设置:接收端需要一个和发送端的逆向操作器件还原信号。DAC后添加扩张器, 参数的设置与压缩器基本相同。接收从数模转换器产生的经过压缩的模拟信号, 通过扩展过程还原原模拟信号的幅值比例。
仿真系统如下图2所示。
(三) 观测验证
情形1、设置采样时钟频率大于等于2倍原始带限模拟信号最高频率, 观察能否还原信号 (对比记录输入输出波形) ?
结果:能还原, 输出信号与输入信号波形一致, 如图3所示。
说明:改变满足要求的频率进行多次验证, 并观测记录波形。
情形2、设置采样时钟频率小于2倍原始带限模拟信号最高频率, 观察能否还原信号 (对比记录输入输出波形) ?
结果:不能还原, 输出信号相对于输入信号有明显的失真, 如图4所示。
说明:改变满足要求的频率进行多次验证, 并观测记录波形。
四、总结
数字信号相对于模拟信号来说, 有着很大的优势。数字信号抗干扰能力强, 可以采用数字芯片高效高速处理, 可以加密和编码提高保密性和可靠性。
往往需要将模拟信号数字化后传输或处理, 来提高系统性能。因此有必要将其进行数字化, 即发送端通过ADC对信号进行离散化, 变成数字信号后进行数字传输;在接收端对其进行DAC后还原信号本来面目。但是在信号处理的过程中, 若要保证信号不失真, 采样频率必须满足奈奎斯特定理, 简称抽样定理, 即只要对模拟信号的抽样频率fs大于或等于信号最高频率fH的2倍, 即fs≥2fH, 就能够无不失真地恢复原来的模拟信号。
摘要：数字传输方式相对于模拟传输来说, 有着与生俱来的优势, 有必要将模拟信号进行数字化处理。通过模拟信号数字传输的教学案例分析, 验证了无失真采样的条件, 让学生熟悉数字传输的工作流程与信号的恢复。
关键词：数字传输,采样定理,仿真
参考文献
[1] 李永忠, 编著.现代通信原理与技术[M].北京:国防工业出版社, 2010.
[2] 张定祥.通信原理教学中引入SystemView仿真分析[J].数字技术与应用, 2018 (6) :45-46.
[3] 别志松.信息与通信系统仿真[M].北京:北京邮电大学出版社, 2010.
[4] 李莉, 赵蓉, 项东.通信原理综合实验教学改革的实践[J].实验室研究与探索.2015 (08) :78-79.