數(shù)據(jù)采集與處理2

1、1 2 在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中存在兩種信號(hào)：在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中存在兩種信號(hào)： 模擬信號(hào)模擬信號(hào) 數(shù)字信號(hào)數(shù)字信號(hào) 信號(hào)信號(hào) 種類種類 在開發(fā)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)時(shí)，首先遇到的問題：在開發(fā)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)時(shí)，首先遇到的問題： 如何把傳感器測量到的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換如何把傳感器測量到的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換 成數(shù)字信號(hào)？成數(shù)字信號(hào)？ 被采集物理量的電信號(hào)。被采集物理量的電信號(hào)。 計(jì)算機(jī)運(yùn)算、處理的信息。計(jì)算機(jī)運(yùn)算、處理的信息。 3 連續(xù)模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，經(jīng)歷了以下過程：連續(xù)模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，經(jīng)歷了以下過程： 時(shí)間斷續(xù)時(shí)間斷續(xù) 數(shù)值斷續(xù)數(shù)值斷續(xù) 過程過程 量化量化 編碼編碼 信號(hào)轉(zhuǎn)換過程如圖信號(hào)轉(zhuǎn)換過程如圖2.1所示。所示

2、。 4 x(t) xS(nTS) xq(nTS) x(n) 采樣采樣/ /保持保持 量化量化 編碼編碼 計(jì)算機(jī)計(jì)算機(jī) t t x(t) t t xS(nTS) t t xq(nTS) x(n) n 001 011 100 010 010 011 圖圖2.1 信號(hào)轉(zhuǎn)換過程信號(hào)轉(zhuǎn)換過程 q 2q 3q 4q TS2TS3TS TS2TS3TS 5 采樣過程采樣過程 一個(gè)連續(xù)的模擬信號(hào) 一個(gè)連續(xù)的模擬信號(hào)x(t)，通通 過一個(gè)周期性開閉過一個(gè)周期性開閉（周期為周期為TS， 開關(guān)閉合時(shí)間為開關(guān)閉合時(shí)間為）的采樣開的采樣開 關(guān)關(guān)K 之后，在開關(guān)輸出端輸出之后，在開關(guān)輸出端輸出 一串在時(shí)間上離散的脈沖信號(hào)

3、一串在時(shí)間上離散的脈沖信號(hào) xs(nTs )。 采樣過程如圖采樣過程如圖2.2所示。所示。 6 圖圖2.2中：中： xs(nTs ) 0, TS, 2 TS TS 圖圖2.2 采樣過程采樣過程 t x(t) x(t) K Ts(t) xS(nTS ) t xS(nTS ) TS TS 2TS 3TS 采樣信號(hào)采樣信號(hào);采樣時(shí)刻采樣時(shí)刻 采樣時(shí)間；采樣時(shí)間；采樣周期。采樣周期。 7 應(yīng)該指出，在實(shí)際應(yīng)用中，應(yīng)該指出，在實(shí)際應(yīng)用中， TS 。 采樣周期采樣周期 TS 決定了采樣信號(hào)的質(zhì)量和數(shù)量：決定了采樣信號(hào)的質(zhì)量和數(shù)量： TS ， xs(nTs ) ，內(nèi)存量內(nèi)存量； TS ， xs(nTs )

4、，丟失的某些信息。丟失的某些信息。 因此，采樣周期必須依據(jù)某個(gè)定理來選擇。因此，采樣周期必須依據(jù)某個(gè)定理來選擇。 不能無失真地恢復(fù)成原來的信號(hào)，出現(xiàn)不能無失真地恢復(fù)成原來的信號(hào)，出現(xiàn) 誤差誤差。 8 1. 采樣定理采樣定理 設(shè)有連續(xù)信號(hào)設(shè)有連續(xù)信號(hào)x(t)，其頻譜其頻譜X(f)，以采以采 樣周期樣周期TS采得的信號(hào)為采得的信號(hào)為xs(nTs)。如果頻譜如果頻譜 和采樣周期滿足下列條件：和采樣周期滿足下列條件： 頻譜頻譜X(f)為有限頻譜，即當(dāng)時(shí)為有限頻譜，即當(dāng)時(shí)| f | fc， X(f) =0 TS 或或 f S S 2 fc C f2 1 9 則連續(xù)信號(hào)則連續(xù)信號(hào) )22( )( )(si

5、n )()( n s s s s ss nTt T nTt T nTxtx 唯一確定。唯一確定。 式中式中 n =， ， fc 信號(hào)的截止頻率信號(hào)的截止頻率 10 11 采樣定理指出：采樣定理指出： 對(duì)一個(gè)頻率在對(duì)一個(gè)頻率在0 fc 內(nèi)的連內(nèi)的連 續(xù)信號(hào)進(jìn)行采樣，當(dāng)采樣續(xù)信號(hào)進(jìn)行采樣，當(dāng)采樣 頻率為頻率為 fs 2 fc 時(shí)，由采樣時(shí)，由采樣 信號(hào)信號(hào) xs(nTs )能無失真地恢能無失真地恢 復(fù)為原來信號(hào)復(fù)為原來信號(hào)x(t) 。 2. 采樣定理中兩個(gè)條件的物理意義采樣定理中兩個(gè)條件的物理意義 條件條件1的物理意義的物理意義 模擬信號(hào)模擬信號(hào)x(t)的頻率范圍是有限的，只的頻率范圍是有限的，只

6、 包含低于包含低于fc 的頻率部分。的頻率部分。 12 | |( ) Xf f 1 2T 1 2T - 0fCfC- SS 圖圖2 2. .4 4 與與 的的關(guān)關(guān)系系 fc Ts 條件條件2的物理意義的物理意義 采樣周期采樣周期 Ts 不能大于信號(hào)截止周期不能大于信號(hào)截止周期 Tc 的一半的一半。 13 3. 采樣定理不采樣定理不適用適用的情況的情況 一般來說，采樣定理在一般來說，采樣定理在 f T C S 1 2 時(shí)是不適用的。時(shí)是不適用的。 例如，設(shè)信號(hào)例如，設(shè)信號(hào) x tAft C ( )sin ()202 當(dāng)當(dāng) f T C S 1 2 時(shí)，其采樣值為時(shí)，其采樣值為 ) 2 2 sin(

7、)( S S SS T nT AnTx 14 則有則有 討論：討論： 當(dāng)當(dāng) = 0， xs(nTs ) = 0，即采樣值為零，即采樣值為零， 無法恢復(fù)原來的模擬信號(hào)無法恢復(fù)原來的模擬信號(hào)x(t) 。 xS( (nTS) )= A sin(n + ) = A ( sin n cos + cos n sin ) = A cos n sin = A(-1) n sin 15 當(dāng)當(dāng)0 | sin |1時(shí)，時(shí)， xs(nTs )的幅值均小的幅值均小 于原模擬信號(hào)，出現(xiàn)失真。于原模擬信號(hào)，出現(xiàn)失真。 當(dāng)當(dāng)| sin |= 1 時(shí)，時(shí)， xs(nTs ) = (-1)nA，它它 與原信號(hào)與原信號(hào)x(t)的幅

8、值相同，但必須保證的幅值相同，但必須保證 = / 2。 綜上所述，只有在采樣起始點(diǎn)嚴(yán)格地控制在綜上所述，只有在采樣起始點(diǎn)嚴(yán)格地控制在 = / 2時(shí)，才能由采樣信號(hào)時(shí)，才能由采樣信號(hào)xs(nTs )不失真地恢復(fù)不失真地恢復(fù) 出原模擬信號(hào)出原模擬信號(hào)x(t) ，然而這是難以做到的。然而這是難以做到的。 結(jié)論：結(jié)論： 采樣定理對(duì)于采樣定理對(duì)于f T C S 1 2 不適用的。不適用的。 16 17 18 19 20 21 22 例如：信號(hào) 312KHz552KHz，求fs L H H s B552312240kHz fB f552 n2 B240 2f f552kHz n 23 1. 頻率混淆頻率混

9、淆 什么是頻率混淆？什么是頻率混淆？ 頻率混淆頻率混淆 模擬信號(hào)中的高頻成分模擬信號(hào)中的高頻成分 （ C T f 2 1 | ）被）被疊加到低頻疊加到低頻 成分（成分（ C T f 2 1 | ）上的現(xiàn)象。）上的現(xiàn)象。 24 頻率混淆如圖頻率混淆如圖2.5所示所示。 * t t t x( )t x( )t x( )t f3 900Hz= 1 100Hzf= 2 400Hzf= = 1100 s=0.01s f =500HzS 500Hz f =S 500Hz fS 圖圖2 2. .5 5 高高頻頻與與低低頻頻的的混混淆淆 Ts 0.002s 例如：例如： 某模擬信號(hào)中含有頻率為某模擬信號(hào)中含有

10、頻率為 900Hz，400Hz及及100Hz的成的成 分。分。 若以若以 fs = 500Hz進(jìn)行采樣進(jìn)行采樣， 此時(shí)此時(shí)f S 2100Hz， 9002 S fHz但但 f S 2400 Hz。 25 由圖由圖2.5可見，三種頻率的曲線沒有區(qū)別：可見，三種頻率的曲線沒有區(qū)別： 對(duì)于對(duì)于100Hz的信號(hào)，采樣后的信號(hào)波形的信號(hào)，采樣后的信號(hào)波形 能真實(shí)反映原信號(hào)。能真實(shí)反映原信號(hào)。 對(duì)于對(duì)于400Hz和和900Hz的信號(hào)，則采樣后的信號(hào)，則采樣后 完全失真了，也變成了完全失真了，也變成了100Hz的信號(hào)。的信號(hào)。 于是原來三種不同頻率信號(hào)的采樣值于是原來三種不同頻率信號(hào)的采樣值 相互混淆了。相

11、互混淆了。 26 不產(chǎn)生頻率混淆現(xiàn)象的臨界條件：不產(chǎn)生頻率混淆現(xiàn)象的臨界條件： fS = 2 fC 2. 消除頻混消除頻混 為了減小頻率混淆，通?？梢圆捎脙煞N方法：為了減小頻率混淆，通?？梢圆捎脙煞N方法： 對(duì)于頻域衰減較快的信號(hào)，減小對(duì)于頻域衰減較快的信號(hào)，減小TS。 但是，但是，TS ，內(nèi)存占用量和計(jì)算量內(nèi)存占用量和計(jì)算量 。 27 對(duì)頻域衰減較慢的信號(hào)，可在采樣前，對(duì)頻域衰減較慢的信號(hào)，可在采樣前， 先用一截止頻率為先用一截止頻率為 fC 的濾波器對(duì)信號(hào)的濾波器對(duì)信號(hào) x(t) 低通濾波，濾除高頻成分，然后再低通濾波，濾除高頻成分，然后再 進(jìn)行采樣。這種方法既實(shí)用又簡單。進(jìn)行采樣。這種方法

12、既實(shí)用又簡單。 實(shí)際上，由于信號(hào)頻率都不是嚴(yán)格有實(shí)際上，由于信號(hào)頻率都不是嚴(yán)格有 限的，而且，實(shí)際使用的濾波器也都不具限的，而且，實(shí)際使用的濾波器也都不具 有理想濾波器在截止頻率處的垂直截止特有理想濾波器在截止頻率處的垂直截止特 性，故不足以把稍高于截止頻率的頻率分性，故不足以把稍高于截止頻率的頻率分 量衰減掉。量衰減掉。 28 在信號(hào)分析中，常把上述兩種方法聯(lián)合起來在信號(hào)分析中，常把上述兩種方法聯(lián)合起來 使用。使用。 表表2.1 典型物理量的經(jīng)驗(yàn)采樣周期值典型物理量的經(jīng)驗(yàn)采樣周期值 被測物理量被測物理量 采樣周期采樣周期 (s) 流量流量 12 壓力壓力 液位液位 溫度溫度 成分成分 35

13、68 1015 1520 29 1. 模擬信號(hào)的采樣控制方式模擬信號(hào)的采樣控制方式 無條件采樣無條件采樣 特點(diǎn)：特點(diǎn)： 運(yùn)行采樣程序，立即采集數(shù)據(jù)，直運(yùn)行采樣程序，立即采集數(shù)據(jù)，直 到將一段時(shí)間內(nèi)的模擬信號(hào)的采樣到將一段時(shí)間內(nèi)的模擬信號(hào)的采樣 點(diǎn)數(shù)據(jù)全部采完為止。點(diǎn)數(shù)據(jù)全部采完為止。 優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)： 為無約束采樣。為無約束采樣。 30 缺點(diǎn)：缺點(diǎn)： 不管信號(hào)是否準(zhǔn)備好都采樣，可能不管信號(hào)是否準(zhǔn)備好都采樣，可能 容易出錯(cuò)。容易出錯(cuò)。 定時(shí)采樣：定時(shí)采樣： 變步長采樣：變步長采樣： 方法方法 采樣周期不變采樣周期不變 采樣周期變化采樣周期變化 條件采樣條件采樣 方法方法 查詢方式查詢方式 中斷方式中

14、斷方式 31 查詢方式：查詢方式： CPU不斷檢查不斷檢查AD轉(zhuǎn)換狀態(tài)，轉(zhuǎn)換狀態(tài)， 以確定程序執(zhí)行流程。以確定程序執(zhí)行流程。 優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：硬件少，編程簡單。硬件少，編程簡單。 缺點(diǎn)：缺點(diǎn)： 占用較多占用較多CPU機(jī)時(shí)。機(jī)時(shí)。 中斷方式：中斷方式： 響應(yīng)中斷，暫停主程序，執(zhí)響應(yīng)中斷，暫停主程序，執(zhí) 行中斷服務(wù)程序。行中斷服務(wù)程序。 優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)： 少占用少占用CPU機(jī)時(shí)。機(jī)時(shí)。 缺點(diǎn)：缺點(diǎn)： 要求硬件多，編程復(fù)雜。要求硬件多，編程復(fù)雜。 32 直接存儲(chǔ)器存取直接存儲(chǔ)器存?。―MA）方式方式 特點(diǎn)：特點(diǎn)： 由硬件完成數(shù)據(jù)的傳送操作。由硬件完成數(shù)據(jù)的傳送操作。 在在DMA控制器控控制器控 制下，數(shù)據(jù)直

15、接在外制下，數(shù)據(jù)直接在外 部設(shè)備和存儲(chǔ)器部設(shè)備和存儲(chǔ)器MEM 之間進(jìn)行傳送，而不之間進(jìn)行傳送，而不 通過通過CPU和和IO，因因 而可大大提高數(shù)據(jù)的而可大大提高數(shù)據(jù)的 采集速率。采集速率。 外設(shè)外設(shè) IO CPU 內(nèi)存內(nèi)存 DMA控制器控制器 圖圖2-10 DMA傳送方式傳送方式 33 采樣控制方式的分類歸納如下：采樣控制方式的分類歸納如下： 無條件采樣無條件采樣 條件采樣條件采樣 采樣采樣 定時(shí)采樣定時(shí)采樣 等點(diǎn)采樣等點(diǎn)采樣 查詢采樣查詢采樣 中斷控制采樣中斷控制采樣 DMA方式采樣方式采樣 34 2. 采樣控制方式的應(yīng)用采樣控制方式的應(yīng)用 無條件采樣：無條件采樣： 僅適于僅適于AD轉(zhuǎn)換快，

16、且要轉(zhuǎn)換快，且要 求求CPU與與AD轉(zhuǎn)換器同時(shí)轉(zhuǎn)換器同時(shí) 工作，使用時(shí)不方便。工作，使用時(shí)不方便。 中斷方式：中斷方式： 用于系統(tǒng)要同時(shí)采集數(shù)據(jù)和用于系統(tǒng)要同時(shí)采集數(shù)據(jù)和 控制的場合?？刂频膱龊稀?35 DMA方式方式： 用于高速數(shù)據(jù)采集。用于高速數(shù)據(jù)采集。 查詢方式：查詢方式： 用于系統(tǒng)只采集幾個(gè)模擬信用于系統(tǒng)只采集幾個(gè)模擬信 號(hào)的場合。號(hào)的場合。 36 1. 量化量化 什么是什么是量化量化？ 量化量化 采樣信號(hào)的幅值與某個(gè)最小數(shù)量采樣信號(hào)的幅值與某個(gè)最小數(shù)量 單位的一系列倍數(shù)比較，用最接單位的一系列倍數(shù)比較，用最接 近采樣信號(hào)幅值的最小數(shù)量單位近采樣信號(hào)幅值的最小數(shù)量單位 倍數(shù)來代替該幅值

17、。倍數(shù)來代替該幅值。 37 最小數(shù)量單位最小數(shù)量單位 量化單位，量化單位，用用 q 表示。表示。 量化單位定義：量化單位定義： 量化器滿量程電壓量化器滿量程電壓FSR (Full Scale Range)與與2n 的比值 的比值。 即即)192( 2 n FSR q 其中其中 n量化器的位數(shù)。量化器的位數(shù)。 38 【例例2.1】當(dāng)當(dāng)FSR = 10V，n = 8時(shí)時(shí)，q = 39.1 mV； 當(dāng)當(dāng) FSR= 10V，n = 12時(shí)時(shí)，q = 2.44 mV； 當(dāng)當(dāng) FSR= 10V，n = 16時(shí)時(shí)，q = 0.15 mV。 由此可見：由此可見： 量化器的位數(shù)量化器的位數(shù)n，量化單位量化單位q

18、。 39 2. 量化方法量化方法 日常生活中，在計(jì)算某個(gè)貨物的價(jià)值時(shí)，日常生活中，在計(jì)算某個(gè)貨物的價(jià)值時(shí)， 對(duì)不到一分錢的剩余部分，對(duì)不到一分錢的剩余部分， 一概忽略一概忽略 四舍五入四舍五入 處理方法處理方法 類似地，類似地，AD轉(zhuǎn)換器也有兩種量化方法。轉(zhuǎn)換器也有兩種量化方法。 40 只舍不入只舍不入 有舍有入有舍有入 量化方法量化方法 1. 只舍不入只舍不入的量化的量化 如圖如圖2.12所示。所示。 41 將信號(hào)幅值軸分成若干層，各層之間的間將信號(hào)幅值軸分成若干層，各層之間的間 隔均等于量化單位隔均等于量化單位q。 量化方法：量化方法： 信號(hào)幅值小于量化單位信號(hào)幅值小于量化單位 q 倍數(shù)的

19、部倍數(shù)的部 分，一律舍去。分，一律舍去。 t0 q 2q 3q xS(nTS) TS2TS3TS . . . . . . t xq(nTS) 0 q 2q 3q . . . . . . TS2TS3TS (a)(b) 圖圖2.12 “ “只舍不入只舍不入”量化過程量化過程 42 量化信號(hào)用量化信號(hào)用xq(nTs ) 來表示來表示： 當(dāng)當(dāng) 0 xnTq SS ()時(shí)時(shí)， 0)( Sq nTx 當(dāng)當(dāng) q xnTq SS ()2時(shí)，時(shí)，qnTx Sq )( 當(dāng)當(dāng) 23qxnTq SS ()時(shí)，時(shí)，qnTx Sq 2)( 2. 有舍有入有舍有入的量化的量化 如圖如圖2.13示示。 43 量化方法：量化

20、方法： 信號(hào)幅值小于信號(hào)幅值小于 q 2 的部分，舍去，大于的部分，舍去，大于 或等于或等于 q 2 的部分，計(jì)入。的部分，計(jì)入。 t0 q 2q 3q xS(nTS) TS2TS3TS . . . . . . t xq(nTS) 0 q 2q 3q . . . . . . TS2TS3TS (a)(b) 圖圖2.13 “ “有舍有入有舍有入”量化過程量化過程 44 量化信號(hào)仍用量化信號(hào)仍用xq(nTs )表示表示： 當(dāng)當(dāng) q xnT q SS 22 ()時(shí)，時(shí)，0)( Sq nTx 當(dāng)當(dāng) q xnT q SS 2 3 2 ()時(shí)，時(shí)， qnTx Sq )( 當(dāng)當(dāng) 3 2 5 2 q xnT

21、q SS () 時(shí)，時(shí)，qnTx Sq 2)( 45 【例【例2.2】設(shè)來自傳感器的模擬信號(hào)的電設(shè)來自傳感器的模擬信號(hào)的電 壓是在壓是在05 V范圍內(nèi)變化，如圖范圍內(nèi)變化，如圖2.14(a) 中中 虛線所示?，F(xiàn)用虛線所示。現(xiàn)用1V，2V，3V，4V，5V （即量化單位即量化單位1V）五個(gè)電平近似取代五個(gè)電平近似取代 0 5 V范圍內(nèi)變化的采樣信號(hào)范圍內(nèi)變化的采樣信號(hào)。 46 x(t) 解：采用解：采用有舍有入有舍有入的方法對(duì)采樣信號(hào)進(jìn)行的方法對(duì)采樣信號(hào)進(jìn)行 量化。量化時(shí)按以下規(guī)律處理采樣信號(hào)：量化。量化時(shí)按以下規(guī)律處理采樣信號(hào)： t Ui 圖圖2.14 量化實(shí)例量化實(shí)例 0 0.5 1 1.5

22、 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5 t1 TS t2 0.7 3.5 t3 4.6 t4 4.7 t5 3.6 t6 2.7 (a) t Uq 1 2 3 4 5 t1t2t3t4t5t6 (b) 47 電壓值處于電壓值處于0.51.4V范圍內(nèi)的采樣信號(hào)，范圍內(nèi)的采樣信號(hào)， 都將電壓值視為都將電壓值視為1 V； 電壓值處于電壓值處于1.5V2.4V范圍內(nèi)的采樣信范圍內(nèi)的采樣信 號(hào)，則視為號(hào)，則視為2 V； 其它依次類推其它依次類推。 結(jié)果：結(jié)果： 把原來幅值連續(xù)變化的采樣信號(hào)，變把原來幅值連續(xù)變化的采樣信號(hào)，變 成了幅值為有限序列的量化信號(hào)。成了幅值為有限序列的量化信號(hào)。 48 由以上討

23、論可知由以上討論可知: : 量化信號(hào)的精度取決于所量化信號(hào)的精度取決于所 選的量化單位選的量化單位q。 很顯然：很顯然： q，信號(hào)精度信號(hào)精度。 量化始終存在著誤差量化始終存在著誤差，這是因?yàn)榱炕怯?，這是因?yàn)榱炕怯?近似值代替信號(hào)精確值的緣故。近似值代替信號(hào)精確值的緣故。 3. 量化誤差量化誤差 什么是什么是量化誤差量化誤差？ 49 量化誤差量化誤差 由量化引起的誤差，記為由量化引起的誤差，記為e。 即即)202()()( SqSS nTxnTxe 式中式中 xs(nTs ) 采樣信號(hào)采樣信號(hào)； xq(nTs ) 量化信號(hào)量化信號(hào)。 量化誤差的大小與所采用的量化方法有關(guān)。量化誤差的大小與所

24、采用的量化方法有關(guān)。 只舍不入只舍不入法引起的量化誤差法引起的量化誤差 量化特性曲線與量化誤差如圖量化特性曲線與量化誤差如圖2.15所示。所示。 50 q . . . . -q q (a) (b) xq( )nT x( )nT e q . xS( )nTS SS S 圖圖2 2. .1 15 5 “只只舍舍不不入入”量量化化特特 性性曲曲線線與與量量化化誤誤差差 由圖可知：由圖可知： 量化誤差只能是量化誤差只能是 正誤差。正誤差。 它可以取它可以取0q 之間的任意值。之間的任意值。 51 平均誤差為平均誤差為 )212( 2 d 1 d)( 0 q q ee q eeepe 式中式中，p(e)

25、為概率密度函數(shù)，為概率密度函數(shù)， 其概率分布見圖其概率分布見圖2.17（a）。）。 q e (a) 1 q p e( ) 圖圖2 2. .1 17 7 概概率率密密度度函函數(shù)數(shù) 52 由于平均誤差不等于零，故稱為有偏由于平均誤差不等于零，故稱為有偏 的。最大量化誤差為的。最大量化誤差為 )222( max qe 量化誤差的方差為量化誤差的方差為 e q eep eee q q e q 222 0 2 2 1 12 ()( )()dd 53 上式表明：上式表明： xq(nTs )將包含噪聲將包含噪聲 q 2 12 即使模擬信號(hào)即使模擬信號(hào)x(t)為無噪聲信號(hào)，為無噪聲信號(hào)， 經(jīng)過量化器量化后，量

26、化信號(hào)經(jīng)過量化器量化后，量化信號(hào) 量化誤差的標(biāo)準(zhǔn)差為量化誤差的標(biāo)準(zhǔn)差為 )232(29. 0 32 q q e 2. 有舍有入有舍有入法引起的量化誤差法引起的量化誤差 量化特性曲線與量化誤差如圖量化特性曲線與量化誤差如圖2.16所示。所示。 54 q/2 -q/2 q -q .q 2q -q . . . . . . (a) (b) x ( )nT qx ( ) nT e -q 2 2 q + 2q 2q - 2q - x S ( )nTS SS S 圖圖2 2. .1 16 6“有有舍舍有有入入”量量化化特特性性曲曲線線 與與量量化化誤誤差差 由圖可知：由圖可知： 量化誤差有正有負(fù)量化誤差有正

27、有負(fù) 它可以取它可以取 22 qq 之間的任意值。之間的任意值。 55 平均誤差為平均誤差為 )242(0d 1 d)( 2 2 q q ee q eeepe 式中式中，p(e)為概率密度函數(shù)，為概率密度函數(shù)， 其概率分布見圖其概率分布見圖2.17（b）。）。 p e( ) e (b) 1 q -q 2 q 2 圖圖2 2. .1 17 7 概概率率密密度度函函數(shù)數(shù) 56 由于平均誤差等于零，故稱為無偏的。由于平均誤差等于零，故稱為無偏的。 最大量化誤差為最大量化誤差為 )252( 2 max q e 量化誤差的方差為量化誤差的方差為 eq q eep eee q e q 222 2 2 2

28、1 12 ()( )dd 57 量化誤差的標(biāo)準(zhǔn)差與量化誤差的標(biāo)準(zhǔn)差與只舍不入只舍不入的的 情況相同：情況相同： )262(29. 0 32 q q e 由以上分析可知：由以上分析可知： 量化誤差是一種原理量化誤差是一種原理 性誤差，它只能減小性誤差，它只能減小 而無法完全消除。而無法完全消除。 58 兩種量化方法的比較：兩種量化方法的比較： 有舍有入有舍有入的方法好，這是因?yàn)椋姆椒ê?，這是因?yàn)椋?有舍有入有舍有入法的最大量化誤差只是法的最大量化誤差只是只只 舍不入舍不入法法12的的。 目前大部分目前大部分AD轉(zhuǎn)換器都是采用轉(zhuǎn)換器都是采用有有 有舍有入有舍有入的量化方法。的量化方法。 59 3

29、. 量化誤差對(duì)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)動(dòng)態(tài)平滑性的影響量化誤差對(duì)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)動(dòng)態(tài)平滑性的影響 不考慮采樣過程，只專注于研究模擬信號(hào)不考慮采樣過程，只專注于研究模擬信號(hào) 經(jīng)過量化后的情況。如圖經(jīng)過量化后的情況。如圖2.18所示，其量化信所示，其量化信 號(hào)將呈階梯形狀。號(hào)將呈階梯形狀。 60 0 q 2q 3q -q q/2 -q/2 0 t t x( )t xq( )nT e S (a) 0 q 2q 3q -q q/2 -q /2 0 t t x( )t xq( )nT e S (b) 圖圖2.18 模擬信號(hào)的量化噪聲模擬信號(hào)的量化噪聲 61 由于量化誤差由于量化誤差e的大小取決于量化單位的大小取決于量化

30、單位q 和和 模擬信號(hào)模擬信號(hào)x(t)。當(dāng)量化單位當(dāng)量化單位q與與x(t)的電平相比足的電平相比足 夠小時(shí)，量化誤差夠小時(shí)，量化誤差e可作為噪聲考慮可作為噪聲考慮。 比較圖比較圖2.18中的中的（a）、（）、（b）兩種情況，兩種情況， 可以發(fā)現(xiàn)：可以發(fā)現(xiàn)： 對(duì)于相同的模擬信號(hào)對(duì)于相同的模擬信號(hào) AD轉(zhuǎn)換器位數(shù)轉(zhuǎn)換器位數(shù)n，q，噪聲噪聲e 峰峰 峰峰 值值，噪聲噪聲e變化的頻率變化的頻率。 62 AD轉(zhuǎn)換器位數(shù)轉(zhuǎn)換器位數(shù)n，q，則產(chǎn)生高則產(chǎn)生高 頻、小振幅的量化噪聲。頻、小振幅的量化噪聲。 對(duì)相同的量化單位對(duì)相同的量化單位q 信號(hào)變化信號(hào)變化，量化噪聲的變化頻率量化噪聲的變化頻率； 信號(hào)變化信號(hào)

31、變化，量化噪聲的變化頻率量化噪聲的變化頻率。 63 總結(jié)以上情況，可得出以下結(jié)論：總結(jié)以上情況，可得出以下結(jié)論： 模擬信號(hào)經(jīng)過量化后，產(chǎn)生了跳躍狀模擬信號(hào)經(jīng)過量化后，產(chǎn)生了跳躍狀 的量化噪聲的量化噪聲； 量化噪聲的峰量化噪聲的峰 峰值等于量化單位峰值等于量化單位q； 量化噪聲的變化頻率取決于量化單位量化噪聲的變化頻率取決于量化單位q 和模擬信號(hào)和模擬信號(hào)x(t) 的變化情況的變化情況： q，x(t) 變化變化，噪聲的頻率噪聲的頻率。 64 由此可知，量化噪聲的大小受由此可知，量化噪聲的大小受AD 轉(zhuǎn)換器位數(shù)的影響。轉(zhuǎn)換器位數(shù)的影響。 4. 量化誤差量化誤差（噪聲噪聲）與量化器位數(shù)的關(guān)系與量化器

32、位數(shù)的關(guān)系 量化誤差可按一系列在量化誤差可按一系列在 qq 22 之間的之間的 斜率不同的線性段處理，如圖斜率不同的線性段處理，如圖2.19所示。所示。 65 設(shè)設(shè)為時(shí)間間為時(shí)間間 隔隔 -t1t2 內(nèi)直內(nèi)直 線段的斜率：線段的斜率： q t q t 22 12 t e -q/2 q/2 -t1t2 圖圖2.19 量化誤差的線性化處理量化誤差的線性化處理 66 誤差誤差e = t，則其方差為則其方差為 e q tt q t t 22 2 1 2 12 () d 相應(yīng)的量化信噪比為相應(yīng)的量化信噪比為 )282()(12 12 )( 2 2 2 2 2 q FSR q FSR e FSR N S

33、67 q FSR n 2 () S N n 122 2 或或 )292(8 .106)( B n N S d 式中式中nAD轉(zhuǎn)換器位數(shù)轉(zhuǎn)換器位數(shù)。 68 由式由式（2-29）可看出可看出： 位數(shù)每增加一位，信噪比將增加位數(shù)每增加一位，信噪比將增加6dB。 也就意味著量化誤差減小也就意味著量化誤差減小。 結(jié)論：結(jié)論：增加 增加AD轉(zhuǎn)換器的位數(shù)能減小量轉(zhuǎn)換器的位數(shù)能減小量 化誤差化誤差。 69 編碼編碼 將量化信號(hào)的電平用數(shù)字代碼將量化信號(hào)的電平用數(shù)字代碼 來表示。來表示。 單極性信號(hào)，電壓從單極性信號(hào)，電壓從 0V + xV 變化變化； 雙極性信號(hào)雙極性信號(hào)，電壓從電壓從 -xV + xV 變化

34、變化。 70 單極性二進(jìn)制碼單極性二進(jìn)制碼 二進(jìn)制碼類型二進(jìn)制碼類型 雙極性二進(jìn)制碼雙極性二進(jìn)制碼 1. 單極性編碼單極性編碼 單極性編碼的方式有以下幾種：單極性編碼的方式有以下幾種： 二進(jìn)制碼二進(jìn)制碼 在數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換中，經(jīng)常使用的是二進(jìn)制分?jǐn)?shù)碼。在數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換中，經(jīng)常使用的是二進(jìn)制分?jǐn)?shù)碼。 71 在這種碼制中，一個(gè)（十進(jìn)制）數(shù)的在這種碼制中，一個(gè)（十進(jìn)制）數(shù)的 量化電平可表示為量化電平可表示為 )302( 222 2 1 2 21 n i n ni i aaa aD 式中式中：第第1位位（MSB）的權(quán)是的權(quán)是 1 2 ，第第2位的位的 4 1 ，.， 第第n位位（LSB）的權(quán)的權(quán) 1 2 n 權(quán)是權(quán)

35、是 是是 72 ai 或?yàn)榛驗(yàn)?0 或?yàn)榛驗(yàn)?1，n 是位數(shù)是位數(shù)。 數(shù)數(shù)D 的值就是所有非的值就是所有非0位的值與它的位的值與它的 權(quán)的積累加的和。權(quán)的積累加的和。 【例【例2.3】 設(shè)有一個(gè)設(shè)有一個(gè)DA轉(zhuǎn)換器，輸入二轉(zhuǎn)換器，輸入二 進(jìn)制數(shù)碼為進(jìn)制數(shù)碼為：110101，基準(zhǔn)電壓基準(zhǔn)電壓 UREF = FSR = 10V，求，求 UOUT =? 解：根據(jù)式解：根據(jù)式（2-30）可得可得 73 828125. 0) 64 1 1 32 1 0 16 1 1 8 1 0 4 1 1 2 1 1 (D 則則 )V(28125. 8828125. 010 REFOUT DUU 注意：注意： 由于二進(jìn)制

36、數(shù)碼的位數(shù)由于二進(jìn)制數(shù)碼的位數(shù)n是有限的，即是有限的，即 使二進(jìn)制數(shù)碼的各位使二進(jìn)制數(shù)碼的各位 ai =1 ( i =1，2 ， ，n)。最大輸出電壓最大輸出電壓Umax也不與也不與 FSR相等，而是差一個(gè)量化單位相等，而是差一個(gè)量化單位q，可可 用下式確定用下式確定： 74 例如：例如： Umax = 111 111 111 111 = + 9.9976 V Umin = 000 000 000 000 = 0.0000 V )322() 2 1 1 ( max n FSRU 對(duì)于一個(gè)工作電壓是對(duì)于一個(gè)工作電壓是0V+10V的的12 位單極性轉(zhuǎn)換器而言：位單極性轉(zhuǎn)換器而言： 75 表表2.3

37、 8位單極性二進(jìn)制碼與滿量程的關(guān)系位單極性二進(jìn)制碼與滿量程的關(guān)系 標(biāo)標(biāo) 度度 滿量程電壓滿量程電壓 (+10V) 二進(jìn)制數(shù)碼二進(jìn)制數(shù)碼 高高4位位 低低4位位 +FSR-1LSB +3/4 FSR +1/2 FSR +1/4 FSR +1LSB 0 +9.96 +7.50 +5.00 +2.50 +0.04 0.00 1111 1111 1100 0000 1000 0000 0100 0000 0000 0001 0000 0000 76 2. 二二 十進(jìn)制十進(jìn)制（BCD）編碼編碼 在在BCD編碼中，用一組編碼中，用一組4位二進(jìn)制碼位二進(jìn)制碼 來表示一位來表示一位09的十進(jìn)制數(shù)字。例如，一的

38、十進(jìn)制數(shù)字。例如，一 個(gè)電壓按個(gè)電壓按 8421（即即 23222120) 進(jìn)行進(jìn)行BCD編編 碼，則有碼，則有 U FSR aaaa OUT 10 842 1234 () )332()248 ( 100 4321 bbbb FSR 77 表表2.4 3位十進(jìn)制數(shù)字的位十進(jìn)制數(shù)字的BCD編碼表編碼表 標(biāo)標(biāo) 度度 電壓電壓 ( V ) BCD碼碼 +FSR-1LSB +3/4 FSR +1/2 FSR +1/4 FSR +1/8 FSR +1LSB 0 +9.99 +7.50 +5.00 +2.50 +1.25 +0.01 +0.00 1001 1001 1001 0111 0101 0000

39、0101 0000 0000 0010 0101 0000 0001 0010 0101 0000 0000 0001 0000 0000 0000 78 表表2.5 十進(jìn)制數(shù)與二進(jìn)制碼、二十進(jìn)制數(shù)與二進(jìn)制碼、二- -十進(jìn)制碼的對(duì)應(yīng)關(guān)系十進(jìn)制碼的對(duì)應(yīng)關(guān)系 十進(jìn)制數(shù)十進(jìn)制數(shù) 二進(jìn)制碼二進(jìn)制碼 二二 - - 十進(jìn)制碼十進(jìn)制碼 8 - 4 - 2 - 1 15 14 13 12 11 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0 1111 1110 1101 1100 1011 1010 1001 1000 0111 0110 0101 0100 0011 0010 0001 0000 0001 0

40、101 0001 0100 0001 0011 0001 0010 0001 0001 0001 0000 1001 1000 0111 0110 0101 0100 0011 0010 0001 0000 79 2. 雙極性編碼雙極性編碼 符號(hào)符號(hào) 數(shù)值碼數(shù)值碼 特點(diǎn)：特點(diǎn)： 最高位為符號(hào)位最高位為符號(hào)位：0表示正表示正； 1表示負(fù)，其它各位是數(shù)值位。表示負(fù)，其它各位是數(shù)值位。 優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)： 信號(hào)在零的附近變動(dòng)信號(hào)在零的附近變動(dòng)1LSB時(shí)，數(shù)值時(shí)，數(shù)值 碼只有最低位改變，這意味著不會(huì)碼只有最低位改變，這意味著不會(huì) 產(chǎn)生嚴(yán)重的瞬態(tài)效應(yīng)。產(chǎn)生嚴(yán)重的瞬態(tài)效應(yīng)。 80 缺點(diǎn)：缺點(diǎn)： 有兩個(gè)碼表示零有

41、兩個(gè)碼表示零 0+ 為為0000 0- 為為1000。 轉(zhuǎn)換器電路比其它雙極性碼復(fù)雜，其造轉(zhuǎn)換器電路比其它雙極性碼復(fù)雜，其造 價(jià)也較昂貴。價(jià)也較昂貴。 81 2. 偏移二進(jìn)制碼偏移二進(jìn)制碼 特點(diǎn)：特點(diǎn)： 其代碼完全按照二進(jìn)制碼的方式變其代碼完全按照二進(jìn)制碼的方式變 化，不同之處，只是代碼簡單地用化，不同之處，只是代碼簡單地用 滿量程值加以偏移。滿量程值加以偏移。 以以4位二進(jìn)制碼為例，代碼的偏移情況如下：位二進(jìn)制碼為例，代碼的偏移情況如下： 代碼為代碼為0000時(shí)，表示模擬負(fù)滿量程時(shí)，表示模擬負(fù)滿量程 值，即值，即-FSR。 82 代碼為代碼為1000時(shí)，表示模擬零，即模擬零時(shí)，表示模擬零，即

42、模擬零 電壓對(duì)應(yīng)于電壓對(duì)應(yīng)于2n-1。 代碼為代碼為1111時(shí)，表示模擬正滿量程時(shí)，表示模擬正滿量程 值減值減1LSB，即即FSR FSR n 2 1 以上偏移情況可以用表達(dá)式概括如下：以上偏移情況可以用表達(dá)式概括如下： 83 )342(1 2 1 1 OUT n i i i a FSRU )352( 2 1 1)( 1 max n FSRU正 )362()( min FSRU負(fù) 例：例： 對(duì)于一個(gè)滿量程電壓是對(duì)于一個(gè)滿量程電壓是10V +10V 的的12位偏移二進(jìn)制轉(zhuǎn)換器而言，位偏移二進(jìn)制轉(zhuǎn)換器而言， 84 Umax = 111 111 111 111= + 9.9951 V Umid =

43、100 000 000 000 = 0.0000 V Umin = 000 000 000 000 = 10.0000 V 優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)： 缺點(diǎn)：缺點(diǎn)： 容易實(shí)現(xiàn)，還很容易變換成補(bǔ)碼。容易實(shí)現(xiàn)，還很容易變換成補(bǔ)碼。 在零點(diǎn)附近發(fā)生主碼躍遷。在零點(diǎn)附近發(fā)生主碼躍遷。 85 3. 補(bǔ)碼補(bǔ)碼 補(bǔ)碼的構(gòu)成方法：補(bǔ)碼的構(gòu)成方法： 方法方法1： 補(bǔ)碼符號(hào)位與偏移二進(jìn)制碼的符補(bǔ)碼符號(hào)位與偏移二進(jìn)制碼的符 號(hào)位相反，而數(shù)值部分則相同號(hào)位相反，而數(shù)值部分則相同。 方法方法2： 正數(shù)的補(bǔ)碼就是二進(jìn)制碼；正數(shù)的補(bǔ)碼就是二進(jìn)制碼； 負(fù)數(shù)的補(bǔ)碼是先把相應(yīng)正數(shù)的二進(jìn)制負(fù)數(shù)的補(bǔ)碼是先把相應(yīng)正數(shù)的二進(jìn)制 碼所有位取反，然后，在

44、最低位加碼所有位取反，然后，在最低位加1。 86 例如例如 2 )0011( 8 3 22 )1101() 11100( 8 3 補(bǔ)碼的優(yōu)、缺點(diǎn)與偏移二進(jìn)制碼相同。補(bǔ)碼的優(yōu)、缺點(diǎn)與偏移二進(jìn)制碼相同。 87 1) 單極性不歸零單極性不歸零(NRZ)碼碼 1：正電平：正電平 0：零電平：零電平 在表示一個(gè)碼元時(shí)，電壓均無需回到零，故稱不歸零碼在表示一個(gè)碼元時(shí)，電壓均無需回到零，故稱不歸零碼 0 1 0 1 1 0 0 1 單極性單極性 碼碼 88 它有如下特點(diǎn)：它有如下特點(diǎn)： (1) 發(fā)送能量大，有利于提高接收端信噪比發(fā)送能量大，有利于提高接收端信噪比 (2) 在信道上占用頻帶較窄在信道上占用頻帶

45、較窄 (3) 有直流分量，將導(dǎo)致信號(hào)的失真與畸變；且由于直流分量有直流分量，將導(dǎo)致信號(hào)的失真與畸變；且由于直流分量 的存在，無法使用一些交流耦合的線路和設(shè)備的存在，無法使用一些交流耦合的線路和設(shè)備 (4) 不能直接提取位同步信息不能直接提取位同步信息 (5) 接收單極性接收單極性NRZ碼的判決電平應(yīng)取碼的判決電平應(yīng)取“1”碼電平的一半碼電平的一半 89 2） 雙極性不歸零雙極性不歸零(NRZ)碼碼 1 1：正電平：正電平 0 0：負(fù)電平：負(fù)電平 0 1 0 1 1 0 0 1 雙極性雙極性 碼碼 90 其特點(diǎn)除與單極性其特點(diǎn)除與單極性NRZ碼特點(diǎn)碼特點(diǎn)(1)、 (2)、 (4)相同外，還有相同

46、外，還有 以下特點(diǎn)：以下特點(diǎn)： (1) 從統(tǒng)計(jì)平均角度來看，從統(tǒng)計(jì)平均角度來看，“1”和和“0”數(shù)目各占一半時(shí)無直流數(shù)目各占一半時(shí)無直流 分分 量，量， 但當(dāng)?shù)?dāng)“1”和和“0”出現(xiàn)概率不相等時(shí)，仍有直流成份出現(xiàn)概率不相等時(shí)，仍有直流成份 (2) 接收端判決門限為接收端判決門限為0， 容易設(shè)置并且穩(wěn)定，容易設(shè)置并且穩(wěn)定， 因此抗干擾能因此抗干擾能 力強(qiáng)力強(qiáng) (3) 可以在電纜等無接地線上傳輸可以在電纜等無接地線上傳輸 91 0 1 0 1 1 0 0 1 3) 單極性歸零單極性歸零(RZ)碼碼 1：發(fā)送：發(fā)送1個(gè)寬度小于碼元持續(xù)時(shí)間的歸零脈沖個(gè)寬度小于碼元持續(xù)時(shí)間的歸零脈沖 0：不發(fā)送脈沖：不

47、發(fā)送脈沖 其特征是所用脈沖寬度比碼元寬度窄，即還沒有到一個(gè)碼其特征是所用脈沖寬度比碼元寬度窄，即還沒有到一個(gè)碼 元終止時(shí)刻就回到零值，因此，稱其為單極性歸零碼元終止時(shí)刻就回到零值，因此，稱其為單極性歸零碼 92 脈沖寬度脈沖寬度與碼元寬度與碼元寬度Tb之比之比/Tb叫占空比叫占空比 單極性單極性RZ碼與單極性碼與單極性NRZ碼比較，碼比較， 除仍具有單極性碼的一除仍具有單極性碼的一 般缺點(diǎn)外，主要優(yōu)點(diǎn)是可以直接提取同步信號(hào)般缺點(diǎn)外，主要優(yōu)點(diǎn)是可以直接提取同步信號(hào) 此優(yōu)點(diǎn)雖不意味著單極性歸零碼能廣泛應(yīng)用到信道上傳輸，此優(yōu)點(diǎn)雖不意味著單極性歸零碼能廣泛應(yīng)用到信道上傳輸， 但它卻是其它碼型提取同步信

48、號(hào)需采用的一個(gè)過渡碼型。即但它卻是其它碼型提取同步信號(hào)需采用的一個(gè)過渡碼型。即 它是適合信道傳輸?shù)模荒苤苯犹崛⊥叫盘?hào)的碼型，可它是適合信道傳輸?shù)?，但不能直接提取同步信?hào)的碼型，可 先變?yōu)閱螛O性歸零碼，再提取同步信號(hào)先變?yōu)閱螛O性歸零碼，再提取同步信號(hào) 93 4） 雙極性歸零雙極性歸零(RZ)碼碼 1：正脈沖：正脈沖 0：負(fù)脈沖：負(fù)脈沖 相鄰脈沖間必有零電平區(qū)域存在相鄰脈沖間必有零電平區(qū)域存在 0 1 0 1 1 0 0 1 94 在接收端根據(jù)接收波形歸于零電平便知道在接收端根據(jù)接收波形歸于零電平便知道1 1比特信息已接收比特信息已接收 完畢，完畢， 以便準(zhǔn)備下一比特信息的接收以便準(zhǔn)備下一比

49、特信息的接收 所以，在發(fā)送端不必按一定的周期發(fā)送信息所以，在發(fā)送端不必按一定的周期發(fā)送信息 可以認(rèn)為正負(fù)脈沖前沿起了啟動(dòng)信號(hào)的作用，后沿起了終止可以認(rèn)為正負(fù)脈沖前沿起了啟動(dòng)信號(hào)的作用，后沿起了終止 信號(hào)的作用信號(hào)的作用, , 因此，可以經(jīng)常保持正確的比特同步因此，可以經(jīng)常保持正確的比特同步 此外，雙極性歸零碼也具有雙極性不歸零碼的抗干擾能力強(qiáng)此外，雙極性歸零碼也具有雙極性不歸零碼的抗干擾能力強(qiáng) 及碼中不含直流成分的優(yōu)點(diǎn)及碼中不含直流成分的優(yōu)點(diǎn) 雙極性歸零碼得到了比雙極性歸零碼得到了比較廣泛的應(yīng)用較廣泛的應(yīng)用 95 5）差分碼）差分碼 對(duì)對(duì)0差分碼：利用相鄰前后碼元電平極性改變表示差分碼：利用相

50、鄰前后碼元電平極性改變表示“0”，不變，不變 表示表示“1” 對(duì)對(duì)1差分碼：差分碼：利用相鄰前后碼元極性改變表示利用相鄰前后碼元極性改變表示“1”，不變表示，不變表示 “0” 0 1 0 1 1 0 0 1 96 特點(diǎn)：即使接收端收到的碼元極性與發(fā)送端完全相反，也能特點(diǎn)：即使接收端收到的碼元極性與發(fā)送端完全相反，也能 正確地進(jìn)行判決正確地進(jìn)行判決 97 6)交替極性交替極性(AMI)碼碼 雙極方式碼、平衡對(duì)稱碼、信號(hào)交替反轉(zhuǎn)碼雙極方式碼、平衡對(duì)稱碼、信號(hào)交替反轉(zhuǎn)碼 0：零電平：零電平 1：交替的正、負(fù)電平：交替的正、負(fù)電平 0 1 0 1 1 0 0 1 98 這種碼型實(shí)際上把二進(jìn)制脈沖序列變

51、為三電平的符號(hào)序列這種碼型實(shí)際上把二進(jìn)制脈沖序列變?yōu)槿娖降姆?hào)序列 (故叫偽三元序列故叫偽三元序列) 其優(yōu)點(diǎn)如下：其優(yōu)點(diǎn)如下： (1) 在在“1”、“0”碼不等概率情況下，也無直流成分，碼不等概率情況下，也無直流成分， 且零頻附近低頻分量小。因此，對(duì)具有變壓器或其他交流耦且零頻附近低頻分量小。因此，對(duì)具有變壓器或其他交流耦 合的傳輸信道來說，不易受隔直特性影響合的傳輸信道來說，不易受隔直特性影響 99 (2) (2) 若接收端收到的碼元極性與發(fā)送端完全相反，若接收端收到的碼元極性與發(fā)送端完全相反， 也能也能 正確判決正確判決 (3) (3) 只要進(jìn)行全波整流就可以變?yōu)閱螛O性碼。如果交替只要進(jìn)

52、行全波整流就可以變?yōu)閱螛O性碼。如果交替 極性碼是歸零的，變?yōu)閱螛O性歸零碼后就可提取同步信息。極性碼是歸零的，變?yōu)閱螛O性歸零碼后就可提取同步信息。 北美系列的一、二、三次群接口碼均使用經(jīng)擾碼后的北美系列的一、二、三次群接口碼均使用經(jīng)擾碼后的AMIAMI碼碼 100 7) 三階高密度雙極性三階高密度雙極性(HDB3)碼碼 AMI碼有一個(gè)很大的缺點(diǎn)：連碼有一個(gè)很大的缺點(diǎn)：連“0”碼過多時(shí)提取定時(shí)信號(hào)困碼過多時(shí)提取定時(shí)信號(hào)困 難難 這是因?yàn)樵谶B這是因?yàn)樵谶B“0”時(shí)時(shí)AMI輸出均為零電平，連輸出均為零電平，連“0”碼這段時(shí)碼這段時(shí) 間間 內(nèi)無法提取同步信號(hào)，而前面非連內(nèi)無法提取同步信號(hào)，而前面非連“0”

53、碼時(shí)提取的位同步信碼時(shí)提取的位同步信 號(hào)又不能保持足夠的時(shí)間號(hào)又不能保持足夠的時(shí)間 HDB3碼就是一系列高密度雙極性碼碼就是一系列高密度雙極性碼(HDB1、HDB2、HDB3等等) 中最重要的一種中最重要的一種 101 編碼原理：編碼原理： 先把消息變成先把消息變成AMI碼，然后檢查碼，然后檢查AMI的連的連“0”情況，當(dāng)無情況，當(dāng)無3個(gè)個(gè) 以上連以上連“0”串時(shí)，則這時(shí)的串時(shí)，則這時(shí)的AMI碼就是碼就是HDB3碼碼 當(dāng)出現(xiàn)當(dāng)出現(xiàn)4個(gè)或個(gè)或4個(gè)以上連個(gè)以上連“0”情況，則將每情況，則將每4個(gè)連個(gè)連“0”小段的第小段的第 4 個(gè)個(gè)“0”變換成變換成“”碼碼 這個(gè)由這個(gè)由“0”碼改變來的碼改變來的

54、“”碼稱為碼稱為破壞脈沖破壞脈沖(符號(hào)符號(hào))，用符號(hào)，用符號(hào) V 表示，而原來的二進(jìn)制碼元序列中所有的表示，而原來的二進(jìn)制碼元序列中所有的“”碼稱為信碼，碼稱為信碼， 用符號(hào)用符號(hào)B表示。下面表示。下面(a)、(b)、(c)分別表示一個(gè)二進(jìn)制碼元序分別表示一個(gè)二進(jìn)制碼元序 列、相應(yīng)的列、相應(yīng)的AMI碼以及信碼碼以及信碼B和破壞脈沖和破壞脈沖V的位置的位置 102 (a) 代碼：代碼： 0 1 0 0 0 0 1 1 0 0 0 0 0 1 0 1 0 (b) AMI碼：碼： 0 +1 0 0 0 0 -1 +1 0 0 0 0 0 -1 0 +1 0 (c) B和和V： 0 B 0 0 0 V

55、 B B 0 0 0 V 0 B 0 B 0 (d) B： 0 B+ 0 0 0 V+ B- B+ B- 0 0 V- 0 B+ 0 B- 0 (e)HDB3： 0 +1 0 0 0 +1 1 +1 -1 0 0 -1 0 +1 0 -1 0 103 (a) 代碼：代碼： 0 0 0 0 0 0 1 1 0 0 0 0 0 1 0 1 0 (b) AMI碼：碼： 0 0 0 0 0 0 +1 -1 0 0 0 0 0 +1 0 -1 0 (c) B和和V： 0 0 0 V 0 0 B B 0 0 0 V 0 B 0 B 0 (d) B： B+ 0 0 V+ 0 0 B- B+ B- 0 0 V

56、- 0 B+ 0 B- 0 (e)HDB3： +1 0 0 +1 0 0 1 +1 -1 0 0 -1 0 +1 0 -1 0 104 當(dāng)信碼序列中加入破壞脈沖以后，信碼當(dāng)信碼序列中加入破壞脈沖以后，信碼B和破壞脈沖和破壞脈沖V的正的正 負(fù)必須滿足如下兩個(gè)條件：負(fù)必須滿足如下兩個(gè)條件： (1) B碼和碼和V碼各自都應(yīng)始終保持碼各自都應(yīng)始終保持極性交替變化極性交替變化的規(guī)律，以的規(guī)律，以 便確保編好的碼中沒有直流成分便確保編好的碼中沒有直流成分 (2) V碼必須與前一個(gè)碼碼必須與前一個(gè)碼(信碼信碼B)同極性同極性，以便和正常的，以便和正常的 AMI碼區(qū)分開來。如果這個(gè)條件得不到滿足，那么應(yīng)該在四

57、碼區(qū)分開來。如果這個(gè)條件得不到滿足，那么應(yīng)該在四 個(gè)連個(gè)連“0”碼的第一個(gè)碼的第一個(gè)“0”碼位置上加一個(gè)與碼位置上加一個(gè)與V碼同極性的補(bǔ)碼同極性的補(bǔ) 信碼，用符號(hào)信碼，用符號(hào)B表示。此時(shí)表示。此時(shí)B碼和碼和B碼合起來保持條件碼合起來保持條件(1)中中 信碼極性交替變換的規(guī)律信碼極性交替變換的規(guī)律 105 是否添加補(bǔ)信碼是否添加補(bǔ)信碼B還可根據(jù)如下規(guī)律來決定：還可根據(jù)如下規(guī)律來決定： 當(dāng)當(dāng)(c)中中兩個(gè)兩個(gè)V碼間的信碼碼間的信碼B的數(shù)目是偶數(shù)時(shí)的數(shù)目是偶數(shù)時(shí)，應(yīng)該把后面的，應(yīng)該把后面的 這個(gè)這個(gè)V碼所表示的連碼所表示的連“0”段中第一個(gè)段中第一個(gè)“0”變?yōu)樽優(yōu)锽，其極性與，其極性與 前相鄰前相鄰

58、B碼極性相反，碼極性相反， V碼極性作相應(yīng)變化碼極性作相應(yīng)變化 如果兩如果兩V碼間的碼間的B碼數(shù)目是奇數(shù)，就不要再加補(bǔ)信碼碼數(shù)目是奇數(shù)，就不要再加補(bǔ)信碼B了了 106 0 1 0 1 1 0 0 1 (a) 代碼：代碼： 0 1 0 1 1 0 0 1 (b) AMI碼：碼： 0 +1 0 -1 +1 0 0 -1 (c) B和和V： 0 B 0 B B 0 0 B (d) B： 0 B+ 0 B- B+ 0 0 B- (e)HDB3： 0 +1 0 1 +1 0 0 1 107 在接收端譯碼時(shí)，由兩個(gè)相鄰?fù)瑯O性碼找到在接收端譯碼時(shí)，由兩個(gè)相鄰?fù)瑯O性碼找到V碼，即同極性碼，即同極性 碼中后面那

59、個(gè)碼就是碼中后面那個(gè)碼就是V碼碼 由由V碼向前的第碼向前的第 3 個(gè)碼如果不是個(gè)碼如果不是“0”碼，表明它是補(bǔ)信碼碼，表明它是補(bǔ)信碼B 把把V碼和碼和B碼去掉后留下的全是信碼碼去掉后留下的全是信碼 把它全波整流后得到的是單極性碼把它全波整流后得到的是單極性碼 108 HDB3編碼的步驟可歸納為以下幾點(diǎn)：編碼的步驟可歸納為以下幾點(diǎn)： (1) 從信息碼流中找出四連從信息碼流中找出四連“0”，使四連，使四連“0”的最后一個(gè)的最后一個(gè) “0”變?yōu)樽優(yōu)椤癡”(破壞碼破壞碼) (2) 使兩個(gè)使兩個(gè)“V”之間保持奇數(shù)個(gè)信碼之間保持奇數(shù)個(gè)信碼B，如果不滿足，使，如果不滿足，使 四連四連“0”的第一個(gè)的第一個(gè)“

60、0”變?yōu)檠a(bǔ)信碼變?yōu)檠a(bǔ)信碼B，若滿足，則無需變換，若滿足，則無需變換 (3) 使使B連同連同B按按“+1”、 “-1”交替變化，同時(shí)交替變化，同時(shí)V也要按也要按 “+1”、“-1”規(guī)律交替變化，且要求規(guī)律交替變化，且要求V與它前面的相鄰的與它前面的相鄰的B或或 者者B同極性同極性 109 其解碼的步驟為：其解碼的步驟為： (1) 找找V，從，從HDB3碼中找出相鄰兩個(gè)同極性的碼元，后一碼中找出相鄰兩個(gè)同極性的碼元，后一 個(gè)碼元必然是破壞碼個(gè)碼元必然是破壞碼V (2) 找找B，V前面第三位碼元如果為非零，則表明該碼是前面第三位碼元如果為非零，則表明該碼是 補(bǔ)信碼補(bǔ)信碼B (3) 將將V和和B還原為