$2.2.3 模擬數(shù)據(jù)的數(shù)字信號(hào)編碼
對(duì)模擬數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)字信號(hào)編碼的最常用方法是脈碼調(diào)制PCM(Pulse Code Mod111ation),它常用于對(duì)聲音信號(hào)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(duì)連續(xù)變化的模擬信號(hào)進(jìn)行周期性采樣,只要采樣頻率大于等于有效信號(hào)頻率或其帶寬的兩倍,則采樣值便可包含原始信號(hào)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(hào)。設(shè)原始信號(hào)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(hào)的帶寬。信號(hào)數(shù)字化的轉(zhuǎn)換過(guò)程可包括采樣、量化和編碼三個(gè)步驟。圖2.11說(shuō)明了脈碼調(diào)制的原理,圖中的波形按幅度被劃分成8個(gè)量化級(jí),如要提高精度,則可以分成更多的量級(jí)。
第一步是采樣,以采樣頻率Fs把模擬信號(hào)的值采出;第二步是量化,使連續(xù)模擬信號(hào)變?yōu)闀r(shí)間軸上的離散值,也就是分級(jí)的過(guò)程,把采樣的值按量級(jí)"取整"得到的是一個(gè)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(gè)量化級(jí),故取3位二進(jìn)制編碼就可以了。如果有N個(gè)量化級(jí),那么每次采樣將需要log2N位二進(jìn)制數(shù)碼。目前在語(yǔ)音數(shù)字化脈碼調(diào)制系統(tǒng)中,通常分為128或256個(gè)量級(jí),即用7位或8位二進(jìn)制數(shù)碼來(lái)表示,這樣的二進(jìn)制碼組稱為一個(gè)碼字,其位數(shù)稱為字長(zhǎng)。
在發(fā)送端經(jīng)過(guò)這樣的變換過(guò)程,就可把模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制數(shù)碼脈沖序列,然后經(jīng)過(guò)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(lái)模擬信號(hào)的幅度不等的量化脈沖,然后再經(jīng)過(guò)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(lái)的模擬信號(hào)。
根據(jù)原始信號(hào)的頻寬,可以估算出脈碼調(diào)制的數(shù)碼脈沖速度。如果語(yǔ)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(yǔ)音信號(hào)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(gè)量化級(jí),這就意味著,僅僅是語(yǔ)音信號(hào)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(yǔ)音)經(jīng)過(guò)PCM編碼轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)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(duì)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(gè)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(hào)上時(shí),就很難完全將干擾和噪聲去掉,因而使輸出信號(hào)的信噪比降低。而當(dāng)數(shù)字信號(hào)在傳輸過(guò)程中出現(xiàn)上述情況時(shí),通過(guò)數(shù)字信號(hào)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(hào)"1"時(shí),干擾噪聲與有用信號(hào)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(hào)時(shí),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(gè)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(hào)為:B(t)=I(t)+C(t),(此處的"+"為模2加)。由于它人無(wú)法知道密碼序列C(t),所以就無(wú)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(wèn)題,例如模擬信號(hào)變成數(shù)字信號(hào)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(duì)模擬數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)字信號(hào)編碼的最常用方法是脈碼調(diào)制PCM(Pulse Code Mod111ation),它常用于對(duì)聲音信號(hào)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(duì)連續(xù)變化的模擬信號(hào)進(jìn)行周期性采樣,只要采樣頻率大于等于有效信號(hào)頻率或其帶寬的兩倍,則采樣值便可包含原始信號(hào)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(hào)。設(shè)原始信號(hào)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(hào)的帶寬。信號(hào)數(shù)字化的轉(zhuǎn)換過(guò)程可包括采樣、量化和編碼三個(gè)步驟。圖2.11說(shuō)明了脈碼調(diào)制的原理,圖中的波形按幅度被劃分成8個(gè)量化級(jí),如要提高精度,則可以分成更多的量級(jí)。
第一步是采樣,以采樣頻率Fs把模擬信號(hào)的值采出;第二步是量化,使連續(xù)模擬信號(hào)變?yōu)闀r(shí)間軸上的離散值,也就是分級(jí)的過(guò)程,把采樣的值按量級(jí)"取整"得到的是一個(gè)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(gè)量化級(jí),故取3位二進(jìn)制編碼就可以了。如果有N個(gè)量化級(jí),那么每次采樣將需要log2N位二進(jìn)制數(shù)碼。目前在語(yǔ)音數(shù)字化脈碼調(diào)制系統(tǒng)中,通常分為128或256個(gè)量級(jí),即用7位或8位二進(jìn)制數(shù)碼來(lái)表示,這樣的二進(jìn)制碼組稱為一個(gè)碼字,其位數(shù)稱為字長(zhǎng)。
在發(fā)送端經(jīng)過(guò)這樣的變換過(guò)程,就可把模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制數(shù)碼脈沖序列,然后經(jīng)過(guò)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(lái)模擬信號(hào)的幅度不等的量化脈沖,然后再經(jīng)過(guò)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(lái)的模擬信號(hào)。
根據(jù)原始信號(hào)的頻寬,可以估算出脈碼調(diào)制的數(shù)碼脈沖速度。如果語(yǔ)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(yǔ)音信號(hào)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(gè)量化級(jí),這就意味著,僅僅是語(yǔ)音信號(hào)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(yǔ)音)經(jīng)過(guò)PCM編碼轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)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(duì)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(gè)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(hào)上時(shí),就很難完全將干擾和噪聲去掉,因而使輸出信號(hào)的信噪比降低。而當(dāng)數(shù)字信號(hào)在傳輸過(guò)程中出現(xiàn)上述情況時(shí),通過(guò)數(shù)字信號(hào)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(hào)"1"時(shí),干擾噪聲與有用信號(hào)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(hào)時(shí),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(gè)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(hào)為:B(t)=I(t)+C(t),(此處的"+"為模2加)。由于它人無(wú)法知道密碼序列C(t),所以就無(wú)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(wèn)題,例如模擬信號(hào)變成數(shù)字信號(hào)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。