簡論模擬信號數(shù)字化后的信號損傷和對策

摘 要： 本文介紹了模擬信號數(shù)字化后信號損傷的種類和原因，并根據(jù)各個損傷的原因提出了減少損傷的對策。

關鍵詞： 模擬信號數(shù)字化 信號損傷 對策

1.引言

1.1模擬信號數(shù)字化的必要性

模擬信號數(shù)字化的必要性是由模擬和數(shù)字信號的差異決定的。（1）模擬信號傳輸時，是用高低電平不同的脈沖來表示數(shù)據(jù)的，而且傳輸介質一般是采用金屬導體，這樣隨著傳輸距離的增長，途中信號的衰減也越來越嚴重，即使加了信號增強設備后，也無法達到起初的效果。此外，模擬信號的電平在傳輸中會產(chǎn)生電磁場，因而會受到外界磁場的干擾。而數(shù)字信號一般由同軸或光纖傳輸，幾乎不受任何干擾，傳輸距離也更長，且光的速度是30萬公里/秒，是電信號無法相比的。（2）計算機中的數(shù)據(jù)是以0和1的數(shù)字形式存在的，所以當模擬數(shù)據(jù)要輸入輸出計算機時，都要進行數(shù)模轉換，比較麻煩，還會引起信號衰減。數(shù)字信號則可以直接或非?？旖莸嘏c計算機進行輸入輸出操作。

1.2模擬信號數(shù)字化處理的步驟

模擬信號數(shù)字化處理需要三個步驟，即：取樣、量化和編碼，而各個步驟都會給信號本身帶來損傷。

2.模數(shù)轉換過程中產(chǎn)生的信號損傷和對策

2.1取樣過程產(chǎn)生的信號損傷

在取樣的過程中對信號造成的損傷主要有：孔闌效應、混疊效應、過沖和振鈴。取樣是指每隔一定時間用信號樣值序列來代替原來在時間上連續(xù)的信號，也就是在時間上將模擬信號離散化。根據(jù)奈奎斯特取樣定理：對于最大頻率為fm的信號f（t），當取樣頻率fs不低于2fm時，由截止頻率為fm矩形低通濾波器可以從取樣信號中完全恢復原信號。但實際的物理過程與數(shù)字模型有不同的工程結果。

2.1.1孔闌效應

在數(shù)學模型的理想化狀態(tài)下理想的取樣脈沖寬度為無窮窄，但在實際設備中取樣脈沖只能是有限寬度的脈沖，很顯然，具有不等于零的實際的有限寬度的取樣脈沖所引起的孔闌效應會產(chǎn)生高頻衰落。

由于信號的高頻部分反映的是視頻圖像的細節(jié)，因此高頻衰落會導致視頻畫面的細節(jié)模糊。針對這種情況，實際工程中一般采用在將數(shù)字信號恢復成模擬信號以后通過提升高頻的辦法對這種失真進行補償和校正。一般來講，由于取樣信號的頻率fs必須滿足fs＞2fm，而為了減少孔闌效應要求取樣脈沖的寬度τ盡量小，因此要滿足τ遠遠小于取樣信號的周期T，即取樣信號的脈沖寬度要滿足1/τ?垌2fm。

2.1.2混疊效應

在實際應用中，為滿足奈奎斯特定理，在取樣之前應使用截止頻率為取樣頻率一半的濾波器對原信號進行濾波，濾除可能產(chǎn)生頻譜混疊的高頻成分，以保證新處理的信號是一個有限帶寬的處理信號。理想的低通濾波器和實際的低通濾波器性能是有區(qū)別的，因此為了盡量濾除大于1/2fc的頻率成分，就要選擇多階濾波器。如果濾波器的階數(shù)不足以達到濾除1/2fc以上的高頻分量，會引起恢復的信號中頻譜混疊效應?；殳B效應在視頻圖像上表現(xiàn)為一種被稱為漣漪狀的干擾。

2.2量化誤差所帶來的信號損傷

取樣過程是把模擬信號變成了時間上離散的脈沖信號，量化的過程則是進行幅度上的離散化處理。因此在時間軸的任意一點上量化后的信號電平與原模擬信號電平之間在大多數(shù)情況下總是存在有一定的誤差，量化所引入的誤差是不可避免的，同時也是不可逆的。降低量化誤差最直接的方法就是增加量化級數(shù)減小最小量化間隔，但由此帶來碼率的增加，從而要求更大的處理帶寬，例如，現(xiàn)在的視頻信號均采用8比特、10比特，在信號質量要求較高的情況下采用12比特量化。此外，我們在設計一套系統(tǒng)的時候，可以考慮在系統(tǒng)的不同環(huán)節(jié)采用不同的比特量化，使系統(tǒng)各個環(huán)節(jié)的量化級相互錯開，從而避免量化噪聲累積效果所產(chǎn)生的臺階效應，這種均衡的效果可以改善整個系統(tǒng)的量化失真。一般量化比特高的環(huán)節(jié)應該放在系統(tǒng)的前端，這樣可以使系統(tǒng)的前端對信號造成的不可恢復損傷減小到最低限度。

2.3壓縮編碼所帶來的信號損傷

數(shù)字信號數(shù)碼率太高，數(shù)據(jù)量非常大。如果直接存儲和傳輸，不但開銷很大，而且有時設備承受不了如此大的負荷。壓縮編碼以壓縮信源數(shù)碼率為目的，盡量減少信源各符號的相關性，使信源的傳輸效率提高。當然，它以犧牲圖像質量為前提，必定會對信號造成一定的損傷。

下面針對兩種種常用的圖像壓縮方式，來看一下它們具體會對信號帶來的損傷。

2.3.1差值脈沖編碼（DPCM）

視頻圖像基本上是由面積較大的像塊組成。雖然每個像塊的幅值各不相同，但像塊內(nèi)各樣值的幅度是相近或相同的。換句話說，相鄰像素之間有很強的相關性。我們就可以利用這些相關性對當前的像素進行預測，再利用預測值得到差值。這樣在很大的程度上降低了信源的冗余度。這種壓縮方法對視頻信號會造成以下?lián)p傷：

2.3.1.1由于在當前差值中包括當前的量化誤差，而輸出的前一樣值又包括前一樣值的量化誤差，這就造成了量化誤差的積累。誤差會傳播，就使信號抗通道誤碼能力減弱。

2.3.1.2邊緣清晰度臨界。根據(jù)DPCM編碼思想，當被預測值處于圖像突變邊緣時，往往會導致錯誤預測或產(chǎn)生較大的預測誤差，致使邊緣清晰度臨界。

2.3.2混合編碼

以兩種或兩種以上的方法對圖像進行編碼稱為混合編碼。我們熟悉的JPEG和MPEG都屬于該種類型。

2.3.2.1JPEG。JPEG是處理彩色或單色靜止圖像的壓縮標準，利用它可以獲得較高的壓縮比，并保持較好的信噪比，從而大大節(jié)省圖像存儲空間，降低通訊帶寬。但是編碼過程會使物體在背景中的位置略有移動（即發(fā)生幾何畸變）。另外在高壓縮比場合，JPEG的重建圖像在水平和垂直方向可能有暈圈、幻影，產(chǎn)生“方塊”效應。

2.3.2.2MPEG。MPEG壓縮算法中包含兩種基本技術：一種是基于16×16子塊的運動補償技術，用來減少幀序列的時域冗余；另一種是基于DCT的壓縮，用來減少幀序列的空間冗余。

較為成熟的MPEG技術是MPEG1和MPEG2。MPEG1是為適應在數(shù)字存儲媒體（如CD-ROM）上有效地存取電視圖像而制定的標準（最高速率達1.5Mb/s）。它的壓縮技術基礎為：宏模塊結構、運動補償及宏模塊的有條件再補給。MPEG2是MPEG1算法的擴展，是為MPEG1最初沒有包括在內(nèi)或未想到的應用提供的一種視頻編碼方法。特別是對MPEG2提出的一個要求，即它所提供的視頻質量不能低于NTSC/PAL，最高應可達到CCIR601質量。MPEG2編碼算法的基礎為通用的混合DCT/DPCM編碼方案。

3.結語

模擬信號經(jīng)過數(shù)字化處理后會有不同程度的損傷，雖然有些損傷可以修復，并不影響圖像的最終質量，但這并不能影響電視領域向數(shù)字化的轉變。因為與模擬信號數(shù)字化后所帶來的好處相比，這些經(jīng)過修復的損傷的影響往往會被人為地忽略。

參考文獻：

［1］王朝英.信號處理原理.北京交通大學出版社，2006.

［2］沈其聰.數(shù)字通信原理.機械工業(yè)出版社，2004.