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第四讲信号的数字化过程随着数字电子技术的飞速发展，特别是信息技术的发展与普及，数字电视、液晶屏、数字音频、网络视频等用数字电路处理模拟信号的应用越来越广泛。
自然界中存在的声音、电压、电流、温度、时间、速度、压力以及利用摄像机摄制的反映客观世界的图像都是连续变化的模拟量，为让计算机等数字设备能够识别这些自然物理量并保证模拟设备和数字设备之间的有效通信，则需要在连续的模拟量和离散的数字量之间进行转换。
本讲中，我们将要对模拟信号的数字化过程进行学习，了解模数转换和数模转换的原理和过程。
AV系统中，前端信号源设备最初多以模拟电信号形式生成音视频信号，在之后对信号的处理、传输和接收过程中则可能要进过一次或多次模数转换或数模转换。
信号的数字化实际上需要进过采样、保持、量化和编码四个过程，这样得到的数字信号可以通过电缆、微波干线、卫星通道等数字线路传输，并在接收端则与上述模拟信号数字化过程相反，再经过后置滤波又恢复成原来的模拟信号。
信号的数字化过程又称为脉冲编码调制。
一、信号采样采样是对模拟信号进行周期性抽取样值的过程，即把随时间连续变化的信号转换成在时间上断续、在幅度上等于采样时间内模拟信号大小的一串脉冲（数码信号），采样间隔时间T称为采样周期，单位是秒，采样频率f=1/T，定义了每秒从连续信号中提取并组成离散信号的采样个数，单位是赫兹（Hz）。
为了保证在采样之后数字信号能完整地保留原始信号中的信息，能不失真地恢复成原模拟信号，采样频率应不小于输入模拟信号频谱中最高频率的两倍。
一般实际应用中采样频率为信号最高频率的5至10倍。
显然，采样频率越高，采样输出的信号就越接近连续的模拟信号。
在数字音频领域，常用的采样率有：8,000 Hz 电话所用采样率；22,050 Hz 无线电广播所用采样率，称为广播音质；44,100 Hz 音频 CD, 电脑声卡，也常用于 MPEG-1 音频（VCD,SVCD, MP3）所用采样率；48,000 Hz 数字电视、DVD、DAT、电影和专业音频所用的数字声音所用采样率；96,000 或192,000 Hz DVD-Audio、HD-DVD （高清晰度DVD）。
第6 章模拟信号的数字化本章教学要求：1、掌握低通型抽样定理、PCM 基本工作原理。
掌握均匀量化原理、非均匀量化原理（A 律13折线）和编码理论。
2、理解时分复用和多路数字电话系统原理。
3、了解PCM 抗噪声性能、DM 和DPCM 系统原理。
§6.1 引言一、什么是模拟信号数字化？就是把模拟信号变换为数字信号的过程，即模数转化。
这是本章欲解决的中心问题。
二、为什么要进行模数转换？由于数字通信的诸多优点，数字通信系统日臻完善。
致使许多模拟信源的信号也想搭乘数字通信的快车；先将模拟信号转化为数字信号，借数字通信方式（基带或频带传输系统）得到高效可靠的传输，然后再变回模拟信号。
三、怎样进行数字化？就目前通信中使用最多的模数转换方法—脉冲编码调制（PCM）为典型，它包含三大步骤：1.抽样（§2 和§3）；2.量化（§4）；3.编码（§5）1.抽样：每隔一个相等的时间间隙，采集连续信号的一个样值。
2.量化：将量值连续分布的样值，归并到有限个取值范围内。
3.编码：用二进制数字代码，表达这有限个值域（量化区）。
2、解调3、抽样定理从频谱图清楚地看到，能用低通滤波器完整地分割出一个F（ω）的关键条件是ωs≥2ωm，或f s≥2f m。
这里2f m 是基带信号最大频率，2f m 叫做奈奎斯特抽样频率。
抽样定理告诉我们，只要抽样频率不小于2f m，从理想抽样序列就可无失真地恢复原信号。
二、带通抽样带通信号的带宽B=f H-f L，且B<<f H，抽样频率f s 应满足f s=2B(1+K/N)=2f H/N 式中，K=f H/B-N，N 为不超过f H/B 的最大整数。
由于0≤K<1，所以f s在2B～4B 之间。
当f H >> B 即N >>1 时f S =2B。
当f S > 2B(1+R/N) 时可能出现频谱混叠现象（这一点是与基带信号不同的）例：f H= 5MHz，f L = 4MHz，f S =2MHz 或3MHz 时，求M S(f)§6.3 脉冲幅度调制（PAM）理想抽样采用的单位冲击序列，实际中是不存在的，实际抽样时采用的是具有一定脉宽和有限高度的窄脉冲序列来近似。
绪论单元测试1.如果想要实现模拟信号的数字化，以便后续处理，须经过：（）。
A:数字滤波器B:D/A转换C:A/D转换D:抗混叠模拟滤波答案:CD2.以下属于数字信号处理技术的是（）。
A:语音识别B:视频编码C:图像压缩D:谱分析答案:ABCD3.数字信号处理系统具有（）的优点。
A:可靠性高B:精度高C:易于大规模集成D:灵活性高答案:ABCD4.数字信号处理系统可以采用如下方法实现（）。
A:通用微处理器B:DSPC:通用计算机D:FPGA答案:ABCD5.序列经过（）成为数字信号。
A:量化B:编码C:采样D:保持答案:AB6.数字信号在时间和振幅上都是离散的。
（）A:错B:对答案:B7.周期信号和随机信号是功率信号。
（）A:错B:对答案:B8.数字信号处理只对数字信号进行处理。
（）A:对B:错答案:B9.与模拟系统相比，数字系统精度高、复杂度低。
（）A:对B:错答案:B10.与模拟系统相比，数字系统可靠性更高。
（）A:对B:错答案:A第一章测试1.从奈奎斯特采样定理得出，要使实信号采样后能够不失真还原，采样频率fs与信号最高频率fmax关系为：。
（）A:fs≥ 2fmaxB:fs≤2 fmaxC:fs≥ fmaxD:fs≤fmax答案:A2.序列x1（n）的长度为4，序列x2（n）的长度为3，则它们线性卷积的长度是。
（）A:7B:5C:6D:6答案:C3.若正弦序列x(n)=sin(30nπ/120)是周期的,则周期是N= 。
（）A:2B:4πC:2πD:8答案:D4.一LTI系统，输入为 x（n）时，输出为y（n）；则输入为2x（n）时，输出为；输入为x（n-3）时，输出为。
（）A:2y（n），y（n+3）B:y（n），y（n-3）C:2y（n），y（n-3）D:y（n），y（n+3）答案:C5.下列关系正确的为（）。
A:B:C:D:答案:C6.设系统的单位抽样响应为h(n)，则系统因果的充要条件为（）A:当n＞0时，h(n)≠0B:当n＜0时，h(n)≠0C:当n＞0时，h(n)=0D:当n＜0时，h(n)=0答案:D7.下列哪一个单位抽样响应所表示的系统不是因果系统?( )A:h(n)=δ(n)B:h(n)=u(n)-u(n+1)C:h(n)=u(n)-u(n-1)D:h(n)=u(n)答案:B8. LTI系统，输入x（n）时，输出y（n）；输入为3x（n-2），输出为（）A:y（n）B:3y（n）C:y（n-2）D:3y（n-2）答案:D9.下列哪一个系统是因果系统（）A:y(n)= cos(n+1)x (n)B:y(n)=x (- n)C:y(n)=x (n+2)D:y(n)=x (2n)答案:A10.10设因果稳定的LTI系统的单位抽样响应h(n)，在n＜0时，h(n)= ( )A:0B:-∞C:∞D:1答案:A11.x(n)=cos（w0n)所代表的序列一定是周期的。
一、名词解释（本大题共10小题，共28分。
）1、数字媒体艺术（3分）数字媒体艺术专业是一个宽口径的以技术为主，艺术为辅，技术与艺术相结合的新专业。
本专业的毕业生需要掌握信息与通信领域的基础理论与方法，具备数字媒体制作、传输与处理的专业知识和技能，并具有一定的艺术修养，能综合运用所学知识与技能去分析和解决实际问题。
2、流媒体（5分）流媒体使之以流的方式在网络中传输音频、视频和多媒体文件的形式。
流媒体文件格式是支持采用流式传输及播放的媒体格式。
流式传输方式是将视频和音频等多媒体文件经过特殊的压缩方式分成一个个压缩包，由服务器向用户计算机连续、实时传送。
在采用流式传输方式的系统中，用户不必像非流式播放那样等到整个文件全部下载完毕后才能看到当中的内容，而是只需要经过几秒钟或几十秒的启动延时即可在用户计算机上利用相应的播放器对压缩的视频或音频等流式媒体文件进行播放，剩余的部分将继续进行下载，直至播放完毕。
3、Pr（2分）Professional，意译为“职业的；专业的”。
4、角色蒙皮（2分）对游戏中一切可活动的游戏角色进行模型和骨骼的匹配联结。
5、SD（2分）Standard Definition，标准解析度。
6、帧（2分）就是影像动画中最小单位的单幅影像画面，相当于电影胶片上的每一格镜头。
7、CG（3分）英文缩写，多指计算机图形。
计算机图形学(Computer Graphics，简称CG)是一种使用数学算法将二维或三维图形转化为计算机显示器的栅格形式的科学。
8、APPLE Ⅱ（2分）世界第一台有彩色图像的计算机电脑。
9、HD（2分）High Definition ，高解析度。
10、光效应艺术（5分）光效应艺术亦称“光学艺术”或“视觉艺术”。
它是20世纪60年代流行于欧美的一种利用光学的感觉加强绘画效果的抽象艺术。
这种艺术是建立在对抽象派和波普艺术反叛的基础之上的。
它认为抽象派艺术太依赖画面偶然性的效果和任凭感情的冲动，而波普艺术又过于鄙俗和缺乏艺术的感染力。
模拟信号数字化的基本原理及编码技术一、模拟信号数字化的基本原理模拟信号是连续变化的，而数字信号是离散的。
因此，模拟信号数字化的过程就是将连续的模拟信号变为离散的数字信号。
这个过程主要包括采样、量化和编码三个步骤。
1. 采样采样是指将模拟信号在时间上进行离散化的过程。
具体来说，就是以一定的时间间隔对模拟信号进行取样，得到一系列的离散样本。
这些样本虽然在时间上是离散的，但在幅度上仍然是连续的。
采样定理指出，如果采样频率高于信号最高频率的两倍，就能够无失真地恢复出原始信号。
2. 量化量化是指将连续的幅度值转换为离散的数字量的过程。
具体来说，就是将取样得到的连续样本进行幅度上的离散化，将其转换为有限个离散的数字量。
这个过程会产生一定的量化误差，因此量化等级越高，误差就越小。
3. 编码编码是指将量化后的离散数字量转换为二进制代码的过程。
具体来说，就是将量化后得到的离散数字量转换为相应的二进制代码，实现模拟信号的数字化。
编码完成后，就可以进行数字信号的传输、存储和处理了。
二、模拟信号数字化的编码技术1. 脉冲编码调制（PCM）脉冲编码调制（PCM）是一种常见的模拟信号数字化编码技术。
PCM通过对模拟信号进行采样、量化和编码，将其转换为数字信号。
PCM编码具有较高的压缩比，能够实现较高的音频和视频质量。
2. 增量脉冲编码调制（ΔPCM）增量脉冲编码调制（ΔPCM）是一种基于PCM的编码技术，它通过对相邻样本之间的差值进行编码，减少了需要传输的样本数量，从而降低了数据传输量。
ΔPCM编码具有较低的压缩比，适用于一些对音频和视频质量要求较低的应用场景。
3. 增量脉冲编码调制（ΣΔPCM）增量脉冲编码调制（ΣΔPCM）是一种结合了ΔPCM和PCM的编码技术，它通过对模拟信号进行过采样和噪声成形，提高了对微弱信号的检测和识别能力。
ΣΔPCM编码适用于一些对信号质量要求较高的应用场景，如高保真音频等。
4. 差分脉冲编码调制（DPCM）差分脉冲编码调制（DPCM）是一种基于PCM的编码技术，它通过对当前样本与前一个样本之间的差值进行编码，减少了需要传输的样本数量，从而降低了数据传输量。
