AD模数转换PPT解析

A/D转换模拟信号与数字信号DSP系统简介采样定理A/D转换本章内容1模拟信号与数字信号模拟信号指幅度的取值是连续的（幅值可由无限个数值表示）。时间上连续的模拟信号连续变化的图像（电视、传真）信号等，时间上离散的模拟信号是一种抽样信号。模拟信号数字信号指幅度的取值是离散的，幅值表示被限制在有限个数值之内。二进制码就是一种数字信号。二进制码受噪声的影响小，易于有数字电路进行处理，所以得到了广泛的应用。数字信号-0.2-0.100.10.20.30246810time[ms]Voltage[V]-0.2-0.100.10.20.30246810samplingtime,tk[ms]Voltage[V]ts◇模拟信号在进行处理之前，都必须转换为数字信号，但数字信号并不能完全代表相应的模拟信号。◇一旦找到非常接近模拟信号的数字信号，就可进行数字信号处理。例如，可以滤除语音中的高频噪声、加重音乐中的低频、突出图像中的边缘等。◇由于数字信号不能在模拟的世界中存在，所以处理过的数字信号在处理过程结束时，还必须再转换成模拟信号。2DSP（DigitalSignalProcessing）系统简介DSP系统的组成简单的DSP系统由五大组成部分构成：①抗混叠滤波器：滤除不满足采样定理的信号，通常是(模拟)低通滤波器。②模拟数字转换：模拟信号→数字信号③数字信号处理：对信号进行转换(变换)④数模转换：数字信号→模拟信号⑤抗镜像滤波器：滤除信号中的附加频率(平滑信号)，通常是(模拟)低通滤波器。DSP系统的工作过程DSP系统的工作过程：◇在DSP处理器（定时器）的作用下，定时：①将输入的模拟信号转换为数字信号；②用某个算法对输入的数字信号进行处理；③将处理后的数字信号转换为模拟信号并输出。◇这三个方面的工作都必须在一个周期内尽可能快地完成。DSP系统的优缺点◇对元件值的容限不敏感，受温度、环境等外部参与影响小；◇容易实现集成；◇可以分时复用，共享处理器；方便调整处理器的系数实现自适应滤波；◇可实现模拟处理不能实现的功能：线性相位、多抽样率处理、级联、易于存储等；◇可用于频率非常低的信号。优点缺点◇需要模数转换；◇受采样频率的限制，处理频率范围有限；◇数字系统由耗电的有源器件构成，没有无源设备可靠。优点远远超过缺点！◇从模拟信号到数字信号的第一个过程是采样，采样事实上是从模拟信号的无限个数据中抽取数据的一部分。其目的是减少要处理的数据量，把要处理的数据减少到数字信号处理器可以处理的程度。􀁻◇采样是以一定的时间间隔进行的，这个时间间隔称采样周期Ts。3采样定理3.1采样采样过程图解模拟信号采样保持信号数字信号采样定理：不失真采样的条件3.2◇采样定理：若模拟信号的最大频率为W(Hz)，则至少要以每秒2W次的采样频率进行采样，才能由采样值x[n]恢复原来的模拟信号x(t)。◇信号的重构：由采样值x[n]恢复模拟信号x(t)。◇奈奎斯特采样率：不失真采样的最小采样频率，即模拟信号最大频率的2倍（即2W）。◇奈奎斯特频率：采样速率的一半fN=fS÷2◇奈奎斯特范围(Nyquistrange)：零到奈奎斯特频率的范围。对于DSP系统而言，频率位于奈奎斯特范围内的模拟信号才有意义。◇频混现象又称为频谱混叠效应，它是由于采样信号频谱发生变化，而出现高、低频成分发生混淆的一种现象，如下图所示。信号x(t)的傅里叶变换为X(ω)，其频带范围为-ωm~+ωm；采样信号x(t)的傅里叶变换是一个周期谱图，其周期为ωs，并且：ωs=2π／Ts􀁻◇Ts为时域采样周期．当采样周期Ts较小时，ωs＞2ωm，周期谱图相互分离如图中（b）所示；当Ts较大时，ωs＜2ωm，周期谱图相互重叠，即谱图之间高频与低频部分发生重叠，如图中(c)所示，此即为频混现象，这将使信号复原时丢失原始信号中的高频信息。3.3频率混叠3.3.1频混效应df频混现象采样信号的频混现象频混现象◇下面从时域信号波形来看这种情况。图a是频率正确的情况，以及其复原信号；b是采样频率过低的情况，复原的是一个虚假的低频信号。发生频混现象的时域信号波形抗混叠滤波器(antialiasingfilter)的作用3.3.2◇抗混叠滤波器作用：消除高于fN(奈奎斯特频率)的噪声或其它的次要的高频分量。◇这个滤波器从要被采样的信号中消除了所有超过奈奎斯特频率的信号分量，以确保奈奎斯特采样将足以完整地记录信号。同时，消除了所有超过奈奎斯特频率的噪声，防止高频噪声对有用信号的干扰。右图c是滤波后的信号频谱，这样可以用每秒2W个采样点的速率进行采样。欠采样3.3.3◇欠采样：如果采样速率跟不上模拟信号的变化，则采集后的数字信号无法恢复原信号，即会出现混叠现象，如右图所示的欠采样。◇采样速率太低，产生这些采样值的模拟信号就会有不确定性。模拟信号#1和模拟信号#2只是可以产生右图中采样值的两个信号。当采样频率足够高时，源信号就可以惟一确定：只有一个信号能产生所给的一组采样值。过采样◇如果输入的模拟信号最大频率未知，则必须用抗混叠模拟滤波（截止频率为W）滤除频率大于WHz的所有信号。◇但理想的低通滤波器不存在，这时只要滤波后残留的高频信号的电平减小到AD转换器的量化误差最小值以下，则对系统的影响就很小。◇过采样：以超过奈奎斯特采样率的频率进行采样（2倍以上）。过采样使模拟滤波后残留的高频信号频谱不影响重要信号的频谱（或影响较小）。在此基础上用数字滤波器滤除高频信号，可以节约成本，降低高阶模拟滤波器的复杂性，减少模拟滤波器的相位失真问题。3.3.4过采样过采样量化◇量化：用最接近的量化电平代替采样保持电平。◇量化步长：相邻的量化电平的间距Q=R/2R：模拟量的最大变化范围。N：数字信号的字长（比特数）。Q：也称为量化器的分辨率。◇量化误差＝量化值－实际值◇量化方式的不同会导致不同的量化误差。3.4N每个区间的中点对应一个数字代码。最大量化误差＝半步长量化◇量化噪声：因为最大量化误差由量化步长的大小决定，所以增加表示每个采样值的比特数可以减小误差，但不能完全消除，它们的综合影响称为量化噪声(quantizationnoise)。◇动态范围：◇信噪比：◇所需要的比特长：◇N即满足量化精度所需要的比特数3.4N◇模数转换过程包括采样和保持，然后是量化和数字化。采样前，模拟信号先通过低通抗混叠滤波器尽量消除混叠的影响，然后由采样保持电路进行采样。在每个采样点，采样电路尽可能快地获取信号的电流值，并保持到下一个采样点。4A/D转换df模数转换A/D转换过程1.抗混叠滤波器：消除混叠的影响，滤除高频噪声和次要信号（使采样保持器的输入信号满足采样定理的要求）2.采样保持器：按照一定的速度（采样周期）采集输入信号，并保持一个周期不变（一块IC芯片）3.量化及数字化：用最接近的量化电平代替采样保持电平。分配量化及数字化的装置是A/D转换器（一块IC芯片）。A/D4.1A/D转换过程◇右图表示了用3bit的A/D转换器对0～1V范围的模拟信号以fs＝5000Hz（0.2毫秒）速度进行转换的信号图和量化误差图。◇从图中可以看出，数字信号是模拟信号的近似表示，量化误差不可避免。A/D的字长越长，误差越小。三比特A/D转换串行数字比特流比特率◇A/D性能除字长外，另一个主要特征是其最高极限转换速度。比特率(bitrate)是用来度量比特数产生的速度，通常可用来度量A/D转换器性能，定义为：◇比特率＝N·fsN：A/D输出数字信号的比特数（字长）fs：最高的转换速度◇单位为b/s：bps为比特数产生或传输的速度◇比如10M的网卡，表示网卡的端口的最高传输速度是10M比特每秒。◇又比如调制解调器：56K的modem56kbps4.2THANKYOU!