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[導(dǎo)讀]采樣頻率高將增大所需要記錄的信息量,對(duì)信號(hào)處理器件和電路提出了更高的要求,這必將增加成本。所以,對(duì)于各種模擬信號(hào)的采樣頻率有專門(mén)的標(biāo)準(zhǔn),對(duì)采樣頻率等做出了科學(xué)的規(guī)定。

近期在信號(hào)與系統(tǒng)課程講完了“信號(hào)的采樣與恢復(fù)”的內(nèi)容。通常情況下對(duì)于信號(hào)的采樣都是沿著時(shí)間軸對(duì)信號(hào)的幅值進(jìn)行采樣,獲得信號(hào)的離散時(shí)間點(diǎn)上的數(shù)據(jù)。

將隨時(shí)間連續(xù)變化的模擬信號(hào)的大小(振幅),按一定的時(shí)間間隔采集樣值,這樣形成在時(shí)間上不連續(xù)的脈沖序列,這一操作稱為采樣。圖4-5是采樣過(guò)程示意圖。


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圖4-5 采樣過(guò)程示意圖

關(guān)于音頻信號(hào)采樣要說(shuō)明下列幾點(diǎn)。

(1)從圖4-5中可看出,在tA時(shí)刻,模擬信號(hào)在圖中的A點(diǎn),此時(shí)的幅度是5,采樣的作用就是要在tA時(shí)刻測(cè)出信號(hào)幅度為5。同樣的道理,在tB時(shí)刻得到的采樣值是模擬量的7。每一個(gè)采樣點(diǎn),都可以得到一個(gè)與該時(shí)刻信號(hào)振幅對(duì)應(yīng)的樣本,這一對(duì)應(yīng)的信號(hào)幅度值稱為本值或采樣值。通過(guò)采樣已經(jīng)將在時(shí)間上連續(xù)變化的模擬信號(hào)變成了一列的樣本值,注意這一樣本值還不屬于數(shù)字信號(hào)的范疇,因?yàn)樗€不符合數(shù)字信號(hào)的定義。

(2)對(duì)一個(gè)模擬信號(hào)的采樣是不斷進(jìn)行的,相鄰兩個(gè)采樣點(diǎn)的時(shí)間間隔是相同的。采樣點(diǎn)選取應(yīng)有一定的規(guī)律,每隔一段時(shí)間就進(jìn)行一次采樣,單位時(shí)間對(duì)模擬信號(hào)的采樣次數(shù)稱為采樣頻率。

(3)采樣頻率的選擇要科學(xué),香農(nóng)采樣定理可以解決這一問(wèn)題。該定理說(shuō),如果將隨時(shí)間變化的信號(hào)波形用該信號(hào)所含最高頻率信號(hào)的2倍的頻率進(jìn)行采樣,就可以通過(guò)稱為插補(bǔ)的方法,正確地將原采樣值還原成原來(lái)的信號(hào)波形。

重要提示

在音頻系統(tǒng)的兩頭是模擬電路(或稱為模擬器件),對(duì)模擬信號(hào)的數(shù)字化處理只是為了傳輸、記錄和信號(hào)處理的方便,最終數(shù)字信號(hào)必須還原成模擬信號(hào),所以對(duì)模擬信號(hào)的數(shù)字化處理必須考慮數(shù)字化的信號(hào)還要還原這一點(diǎn)。香農(nóng)采樣定理從采樣頻率這一角度上講述了還原成模擬信號(hào)對(duì)采樣頻率的要求。

(4)所謂插補(bǔ)又稱為內(nèi)插,它是采樣的反過(guò)程,就是將一列樣本值之間的空隙補(bǔ)上,使之恢復(fù)原來(lái)的波形特征。

音頻信號(hào)采樣保持電路采樣保持電路用于對(duì)模擬信號(hào)采集樣本值,圖4-6所示是音頻信號(hào)采樣保持原理電路圖。電路中,輸入信號(hào)Ui是模擬信號(hào),其輸出信號(hào)是一種階梯信號(hào),注意它還不是數(shù)字信號(hào),只有對(duì)這種階梯信號(hào)進(jìn)行量化處理后其才能成為數(shù)字信號(hào)。


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圖4-6 音頻信號(hào)采樣保持電路

從圖4-6中可看出,采樣保持電路主要由輸入緩沖放大器電路、模擬開(kāi)關(guān)電路、采樣保持電容和輸出緩沖放大器電路組成。

(1)輸入緩沖放大器。這一放大器用來(lái)將輸入信號(hào)源與采樣保持電路之間進(jìn)行隔離,以防止輸入信號(hào)源電路對(duì)采樣保持電路正常工作的影響。

輸入緩沖放大器的輸出信號(hào)加到模擬開(kāi)關(guān)的輸入端。

(2)模擬開(kāi)關(guān)。所謂模擬開(kāi)關(guān)就是采樣開(kāi)關(guān),在開(kāi)關(guān)接通這一時(shí)刻將輸入信號(hào)加到采樣保持電容上,由于采樣開(kāi)關(guān)的速度很快,即接通后立即斷開(kāi),這樣在開(kāi)關(guān)接通時(shí)刻的輸入信號(hào)幅度的大小就是該時(shí)刻電容C1上充電電壓的大小,這就是該時(shí)刻對(duì)輸入模擬信號(hào)的采樣值。

重要提示

采樣開(kāi)關(guān)受一個(gè)專門(mén)的脈沖開(kāi)關(guān)控制信號(hào)的控制,在開(kāi)關(guān)脈沖出現(xiàn)時(shí)模擬開(kāi)關(guān)接通,在開(kāi)關(guān)脈沖消失時(shí)模擬開(kāi)關(guān)斷開(kāi),該開(kāi)關(guān)斷開(kāi)后等待下一次的脈沖開(kāi)關(guān)信號(hào)的出現(xiàn),然后進(jìn)行第二次采樣。

模擬開(kāi)關(guān)每秒鐘接通的次數(shù)就是采樣頻率,接通的時(shí)間就是采樣時(shí)間。如音樂(lè)信號(hào)采樣頻率為44.1 kHz,采樣時(shí)間一般小于25 μs。

(3)保持電路。保持電路由采樣保持電容和輸出緩沖放大器構(gòu)成。為便于量化處理,將模擬開(kāi)關(guān)采集到的樣本電平值送到采樣保持電容,通過(guò)采樣保持電容保持采樣得到的電平值,這一電平經(jīng)輸出緩沖放大器放大后輸出。

當(dāng)下一個(gè)采樣值送到采樣保持電容上,采樣保持電容和輸出緩沖放大器又保持和輸出最新的采樣電平值。

采樣保持電路的輸出信號(hào)波形如圖4-7所示。

從圖4-7中可看出,模擬信號(hào)經(jīng)過(guò)采樣保持電路處理后變成了一種階梯信號(hào),該階梯信號(hào)在時(shí)間軸上仍然是連續(xù)的,所以它還是一種模擬信號(hào)而不是數(shù)字信號(hào),這一階梯信號(hào)要經(jīng)過(guò)量化、編碼處理后才能變成數(shù)字信號(hào)。


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圖4-7 采樣保持電路的輸出信號(hào)波形

負(fù)半周信號(hào)的采樣和保持上面介紹了正半周信號(hào)的采樣和保持過(guò)程,對(duì)于負(fù)半周信號(hào)的采樣和保持工作過(guò)程同正半周一樣,圖4-8所示可以說(shuō)明這一點(diǎn)。圖4-8中,Ui為一個(gè)具有正、負(fù)半周的輸入模擬信號(hào),Uo是經(jīng)過(guò)采樣保持電路后的輸出信號(hào), fs是采樣脈沖。從圖4-8中可看出,負(fù)半周信號(hào)經(jīng)過(guò)采樣保持電路后輸出的是負(fù)階梯信號(hào)。


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圖4-8 負(fù)半周信號(hào)的采樣保持示意圖

重要提示

采樣保持電路輸出的正、負(fù)半周階梯信號(hào)從幅值上講采樣過(guò)程是相同的,但在后面的量化、編碼時(shí),要將正、負(fù)半周信號(hào)區(qū)分出來(lái),即會(huì)出現(xiàn)表示負(fù)數(shù)的二進(jìn)制編碼方法。

采樣頻率、采樣時(shí)間和保持時(shí)間(1)采樣頻率。采樣頻率是指模擬開(kāi)關(guān)的工作頻率,即該開(kāi)關(guān)單位時(shí)間內(nèi)(每秒鐘)開(kāi)、關(guān)動(dòng)作的次數(shù)。見(jiàn)采樣脈沖fs的波形,采樣信號(hào)是一個(gè)矩形脈沖信號(hào),它等幅、等寬,在時(shí)間軸上均勻分布。

重要提示

從采樣保持電路輸出的信號(hào)波形就能夠看出,采樣頻率愈高,采樣保持電路輸出信號(hào)的波形與原模擬信號(hào)愈相近,恢復(fù)原信號(hào)時(shí)的失真就愈小。

采樣頻率高將增大所需要記錄的信息量,對(duì)信號(hào)處理器件和電路提出了更高的要求,這必將增加成本。所以,對(duì)于各種模擬信號(hào)的采樣頻率有專門(mén)的標(biāo)準(zhǔn),對(duì)采樣頻率等做出了科學(xué)的規(guī)定。

(2)采樣時(shí)間。采樣時(shí)間是指模擬開(kāi)關(guān)的接通時(shí)間,也就是采樣脈沖的脈沖寬度。

(3)保持時(shí)間。相鄰兩個(gè)采樣時(shí)間的間隔就是保持時(shí)間。采樣時(shí)間和保持時(shí)間之和等于采樣周期,采樣周期的倒數(shù)就是采樣頻率。

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