模拟信号数字传输教学案例分析

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MixSignal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。

【参考文献】

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[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.

作者:管宇 单位:南京交通职业技术学院电子信息工程学院